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陶瓷表面缺陷无损检测

摘要：随着对工程陶瓷材料的广泛使用，对其表面和亚表面缺陷检测更显重要。
本文对就先进陶瓷材料无损检测技术和检测方法进行了论述，除了介绍几种常用
的无损检测方法外，对新型的无损检测方法作以评价。并且就当今最为关心的陶
瓷成像技术和预测裂纹问题作了阐述。
关键词：无损检测陶瓷激光缺陷
0引言
工程陶瓷是经过烧结形成的硬脆材料，因其独特的分子结构而具有高硬度、
高耐磨性、抗腐蚀性、高耐热性等优良的物理机械性能，在航空航天、化工等现
代工业和科学技术领域具有十分广阔的应用前景。其缺陷是在其制作及后处理等
生产过程中产生的，当表面或亚表面存在10um-60um数量级的缺陷，即可导致制
品在工作时发生破坏。例如，碳化硅在承受686N／mm-980N／mm的负荷应力时，
如表面有30um～50um数量级的缺陷存在，材料即可遭受破坏。因此，对陶瓷缺

陷进行检测十分重要。[1]
1无损检测的发展与应用
近年来,随着人们对工业生产中的质量意识和在役设备寿命预测技术的要
求不断提高，以及复合材料和工程陶瓷等新材料的应用，传统的无损检测方法遇
到障碍，促使人们探索采用新的检测途径。如要求传统检测技术获得的结果更直
观可靠，还能方便地以二维或三维形式成像。特殊的构件还要求非接触性检测
等。这些促使产生了无损检测新技术，如超声显微镜技术、激光超声及超声成象
检测技术等。
在先进工程陶瓷材料检测方面，超声检测仍是一种国内外应用最广泛、发
展较快的无损检测技术。其发展经历了超声波无损探伤(NDI)、超声波无损检测
(NDT)、和超声无损评价(NDE)三个阶段。在国外，工业发达国家的无损检测技
术已逐步从NDI和NDT向NDE过渡。现在无损检测的发展是从一般无损评价向自
动无损评价和定量无损评价发展(即从NDE向ANDE和QNDE发展)。[2]采用计算
机进行检测和分析数据，这将减少人为因素的影响，提高检测的可靠性。
目前，国外采用人工智能、激光等技术与无损检测技术有机结合以实现复
杂形面复合构件的超声扫描成像检测，将现代数字信号处理与人工神经网络技术
用于超声检测。超声与断裂力学知识相结合，对材料构件的强度与剩余寿命进行

评估等方面很有发展前景。[3]
2先进工程陶瓷材料的无损检测技术
2·1陶瓷材料无损检测的具体目标
陶瓷材料无损检测的具体目标是检出对性能不利的裂纹、气孔、结块、夹
杂等缺陷。它的难度在于需要检测的缺陷极其微小，一般比金属或复合材料小l
一2个数量级。典型的结构陶瓷，为防止材料快速破坏，需检出6o一600um的缺
陷；对于缓慢裂纹生长需预测寿命的，要检出20—200um的缺陷；为提高韧性而
控制材料组织，必须检出lO一50um的缺陷；为对精密部件控制制造工艺，则需
检出l一30um的缺陷。有些学者认为细晶陶瓷(如热压氮化硅)的临界尺寸小至
25um以下；而粗晶陶瓷(如反应烧结氮化硅)要高一些，可以是5O～lO0um。[4]
*基金项目：国家自然科学基金资助项目（50475114）；天津市科技发展计划项目
支持
作者简介：程应科（1974-），男，硕士，研究方向为机械制造及自动化。
2·2陶瓷无损检测的方法
近年来，用于陶瓷无损检测的方法有：表面浸透检测(荧光法、着色法)，x
射线层析成像、红外热成像、超声A扫描及c扫描、声发射、微焦点x射线、超
声显微镜等。其中最常用的方法是超声检测。
2·3超声检测原理和应用
超声检测原理是当超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，
发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来。使用它可以显
示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等，可判别密度差异、弹性模量、厚度

等特性和几何形状的变化方面。[6]
超声检测主要是应用超声波的声速和衰减这2个参量来获得有关材料微观
组织和力学性能的信息。声速可用于测定厚度、裂纹位置和体积、残留应力(应
变)。超声波衰减测量则可极其灵敏地指示出因材料微观组织的变化而引起内部
损耗。为了检出现代陶瓷中的微小缺陷，常用水浸探伤法和聚焦型探头。缺陷的
检出能力与所用超声波频率有关。频率越高，波束越细，缺陷检出能力就越强。
但频率越高，超声波的衰减也越严重。
根据散射理论，超声波有可能检出尺寸为波长1．8%的缺陷。Reynolds等证
明25MHz聚焦探头能发现碳化硅陶瓷中直径为100um的空穴，而此时超声波的波
长约400um。这些暗示了较低频率超声渡检测陶瓷的可行性。黎润民等用对氮化
硅陶瓷进行了检测，检出了距表面7mm的D0．05mm的钨丝。
在陶瓷气孔率的检测中，Kunerth等使用了直探头和聚焦探头（超声波频率
为100MHz，波长约为120um），研究了碳化硅陶瓷中微米数量级直径的气孔对常规
纵波的背散射。结论是单个气