楊平華，何方成，梁 菁，唐鵬鈞

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán) 材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

SiC顆粒增強(qiáng)鋁基(SiCp/Al)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、耐高溫、耐疲勞、耐磨、阻尼性能好、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱率高等優(yōu)點(diǎn)，不僅具有較好的綜合性能，還可采用粉末冶金工藝進(jìn)行流水線形式的大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)具有成本較低的特點(diǎn)[1-2]。SiCp/Al復(fù)合材料可部分替代航空航天工業(yè)中使用的鈦合金和鋼等金屬部件，可以減重和降低成本，具有良好的應(yīng)用前景[3-4]。相關(guān)研究表明，SiC顆粒分布是影響SiCp/Al復(fù)合材料機(jī)械性能的關(guān)鍵因素[5-7]。制造工藝不完善會(huì)導(dǎo)致SiC顆粒的含量及分布不均勻，使材料性能顯著下降,從而降低構(gòu)件的機(jī)械性能，嚴(yán)重影響飛行器的安全運(yùn)行[8-9]。目前雖然已嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝，但仍無(wú)法保證SiC顆粒完全均勻分布。一般采用定量金相分析來(lái)確定增強(qiáng)顆粒含量及其分布[10]，或采用力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)等儀器設(shè)備直接測(cè)量材料的機(jī)械性能。上述這些方法都必須破壞試樣，甚至造成材料無(wú)法使用，且存在操作復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、檢測(cè)區(qū)域受限等問(wèn)題[11]。必須采用一種有效、可靠的無(wú)損檢測(cè)方法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)SiC含量及其分布的均勻性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體含量及其均勻性的超聲檢測(cè)方面進(jìn)行了一些研究，并取得了一定成果。ROHATGI利用脈沖反射法對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料的縱波聲速進(jìn)行了測(cè)量，得到了縱波聲速與增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系[12]；GüR等[13]分析了SiC顆粒的含量、尺寸及分布對(duì)超聲波聲速的影響規(guī)律；魏勤等[14]建立了超聲波衰減系數(shù)與增強(qiáng)體體積百分比之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并采用超聲波C掃描的方法檢測(cè)出了SiCp/Al復(fù)合材料中的團(tuán)聚和孔洞；高翌飛等[15]采用厚度無(wú)關(guān)聲反射板法對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行聲速成像檢測(cè)，結(jié)果表明可根據(jù)聲速變化反映材料中顆粒分布的均勻性。大量研究表明，增強(qiáng)體顆粒的不均勻分布往往伴隨著大量氣孔，但上述研究均未考慮氣孔對(duì)增強(qiáng)體含量及均勻性評(píng)價(jià)的影響。

通過(guò)理論分析建立SiCp/Al復(fù)合材料中增強(qiáng)體含量及孔隙率的超聲檢測(cè)模型，隨后在增強(qiáng)體含量不同的SiCp/Al復(fù)合材料試樣上，通過(guò)實(shí)測(cè)建立縱波聲速、增強(qiáng)體含量及孔隙率之間的關(guān)系曲線，并利用實(shí)測(cè)曲線對(duì)某SiCp/Al試樣中的增強(qiáng)體含量進(jìn)行推算，在此過(guò)程中考慮了孔隙率對(duì)增強(qiáng)體含量檢測(cè)的影響，為先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的超聲檢測(cè)提供了新思路。

1 超聲檢測(cè)理論模型

在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上，可將顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料視為均勻各向同性材料，按照如下方式建立聲速與增強(qiáng)體含量和孔隙率之間的關(guān)系。

針對(duì)一個(gè)含氣孔體積分?jǐn)?shù)為vp的非增強(qiáng)基體M[16]，假定材料內(nèi)部氣孔的尺寸和形狀不影響彈性模量，則根據(jù)Mackenzie公式，其彈性模量可表述為

(1)

式中：Kvp為材料的體積模量;Gvp為材料的剪切模量;Evp為彈性模量。

Kvp和Gvp可由式(2)，(3)求得。

(2)

(3)

式中：K，G分別為不含氣孔的基體材料的體積模量和剪切模量。

假設(shè)在上述含氣孔體積分?jǐn)?shù)為vp的基體材料M中，添加體積分?jǐn)?shù)為vr且均勻分布的增強(qiáng)顆粒，假定氣孔和增強(qiáng)顆粒的含量對(duì)彈性模量的影響線性疊加，因此可以利用“混合定律”估算出顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量Ec

Ec=Ervr+Evp(1-vr)

(4)

式中:Er為增強(qiáng)體的彈性模量。

將式(1)～(3)代入式(4)，得到

(5)

假設(shè)不含氣孔的基體材料的標(biāo)準(zhǔn)密度為ρstd，則含氣孔體積分?jǐn)?shù)為vp的基體材料的密度ρspm為

ρspm=ρstd(1-vp)

(6)

那么添加了體積分?jǐn)?shù)為vr的增強(qiáng)體后，復(fù)合材料密度ρc為

ρc=ρrvr+ρstd(1-vp)(1-vr)

(7)

式中：ρr為增強(qiáng)體密度。

已知縱波聲速表達(dá)式為

(8)

式中：VL為縱波聲速;E為有效彈性模量；γ為泊松比；ρ為介質(zhì)密度。

將式(5)，(7)代入式(8)，得到含氣孔體積分?jǐn)?shù)為vp，增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)為vr的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的縱波聲速為

(9)

將材料的彈性模量、密度、泊松比等已知量代入式(9)，即可得到一個(gè)關(guān)于縱波聲速VL與增強(qiáng)體含量vr，孔隙率vp之間關(guān)系的表達(dá)式，據(jù)此可根據(jù)超聲波聲速進(jìn)行增強(qiáng)體含量的超聲檢測(cè)。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所使用的材料為粉末冶金制備的SiCp/Al復(fù)合材料，鋁合金基體牌號(hào)為6092，粉末平均粒徑為28 μm，增強(qiáng)體為SiC顆粒，平均粒徑為5 μm，基體與增強(qiáng)體的材料特性如表1所示。對(duì)基體粉末和增強(qiáng)顆粒精確稱(chēng)重后再進(jìn)行混粉、裝包套、熱等靜壓等后續(xù)工序，制作SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為10%，15%，20%，25%，30%的一組SiCp/Al復(fù)合材料圓柱試樣(編號(hào)為1#5#)，試樣厚度為20 mm，直徑為80100 mm。

表1 基體與增強(qiáng)體的材料特性

2.2 試驗(yàn)方法與過(guò)程

由式(9)可知，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的聲速與增強(qiáng)體含量、孔隙率之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)對(duì)聲速、增強(qiáng)體含量以及孔隙率的實(shí)際測(cè)量，建立三者之間的關(guān)系曲線，隨后測(cè)量被檢件的聲速，利用上述關(guān)系曲線反推得到增強(qiáng)體含量或孔隙率，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料中增強(qiáng)體含量或孔隙率的超聲檢測(cè)。

試驗(yàn)使用UPK-T24型超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)和10 MHz水浸聚焦探頭(晶片直徑為9.525 mm，焦距為76.2 mm)，保持水距為50 mm，對(duì)上述1#5#試樣分別取一次、二次底波的渡越時(shí)間進(jìn)行C掃描成像，經(jīng)MATLAB軟件數(shù)據(jù)處理后獲得試樣的聲速C掃描圖像，據(jù)此完成試樣的聲速測(cè)量。

分別在不同SiC體積分?jǐn)?shù)的試樣(1#5#)上線切割得到截面尺寸為10 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬)的15個(gè)試樣，用于金相分析(見(jiàn)圖1)，每種體積分?jǐn)?shù)取3個(gè)試樣，1個(gè)取自中心部位，2個(gè)取自距試樣邊緣1/2r(r為半徑)處；并分別對(duì)其進(jìn)行編號(hào)。

圖1 SiC體積含量金相分析用試樣實(shí)物

將上述15個(gè)試樣研磨、拋光后，在SZ61型體視顯微鏡下觀察，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32496-2016 《金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體體積含量試驗(yàn)方法 圖像分析法》中的方法統(tǒng)計(jì)得到試樣中SiC體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值。隨后使用AL104-IC型電子天平，采用阿基米德法測(cè)得上述15個(gè)試樣的密度，經(jīng)計(jì)算可得到試樣的實(shí)測(cè)孔隙率。

根據(jù)實(shí)測(cè)得到的試樣聲速、SiC體積分?jǐn)?shù)以及孔隙率，擬合建立三者之間的實(shí)測(cè)關(guān)系曲線。最后，對(duì)被檢件進(jìn)行聲速測(cè)量，利用建立的實(shí)測(cè)關(guān)系曲線反推，得到被檢件的增強(qiáng)體含量或孔隙率。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 縱波聲速、增強(qiáng)體含量及孔隙率之間關(guān)系曲線的建立

首先對(duì)1#5#試樣進(jìn)行聲速成像，得到的聲速C掃描圖像如圖2所示，圖中不同顏色代表了不同的聲速值。由圖2可見(jiàn)，隨著SiC體積分?jǐn)?shù)的增大，SiCp/Al復(fù)合材料的聲速逐漸增大，由6 600 m·s-1左右增大至7 400 m·s-1左右；由式(8)可知，材料的聲速主要受彈性模量、密度等參數(shù)的影響，由于增強(qiáng)體SiC的彈性模量遠(yuǎn)高于基體Al的，而二者密度差異相對(duì)不明顯(見(jiàn)表1)，隨著材料中SiC含量的增加，其聲速必然隨之增大。

圖2 不同增強(qiáng)體含量SiCp/Al復(fù)合材料的聲速C掃描圖像

在聲速C掃描圖像上不僅可讀出增強(qiáng)體含量不同時(shí)的聲速值，還可直觀觀察不同部位的聲速差異，從而評(píng)價(jià)增強(qiáng)體分布的均勻性。由圖2可見(jiàn)，1#～5#試樣上不同部位的聲速差異并不明顯，說(shuō)明增強(qiáng)體SiC顆粒分布基本均勻?；诖耍诿總€(gè)試樣的聲速C掃描圖像上隨機(jī)取9個(gè)點(diǎn)讀出聲速值后求其平均值，得到增強(qiáng)體含量不同的SiCp/Al復(fù)合材料聲速的實(shí)測(cè)值VL。試樣聲速、SiC體積分?jǐn)?shù)密度及孔隙率的實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示。

隨后在1#5#試樣上截取圖1所示的金相分析樣品，經(jīng)金相統(tǒng)計(jì)得到SiC體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值vr(見(jiàn)表2)。圖3為5種SiC體積分?jǐn)?shù)試樣中SiC顆粒分布的金相檢驗(yàn)結(jié)果。由圖3可見(jiàn)，SiCp/Al復(fù)合材料試樣中SiC顆粒(圖中深色)密集度隨SiC含量的增加而增大；當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)為10%15%時(shí)，SiC顆粒分布相對(duì)均勻；當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)為20%25%時(shí),局部SiC顆粒分布相對(duì)密集，在Al基體(圖中淺色)周?chē)鷪F(tuán)聚，部分伴隨有孔洞(圖中黑色)；當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，SiC顆粒呈相對(duì)均勻的密集型分布。

圖3 不同增強(qiáng)體含量試樣中SiC顆粒分布的金相檢驗(yàn)結(jié)果

表2 試樣的聲速(VL)、SiC體積分?jǐn)?shù)(vr)、密度(ρ)及孔隙率(vp)實(shí)測(cè)結(jié)果

最后，采用阿基米德法測(cè)得上述15個(gè)金相分析試樣的密度，即可根據(jù)式(10)、(11)計(jì)算出試樣的實(shí)測(cè)孔隙率vp[17]。

(10)

式中：ρ為采用阿基米德法實(shí)測(cè)得到的試樣密度；ρ0為采用混合定律計(jì)算出的不含氣孔的復(fù)合材料的密度。

(11)

式中:ρm為基體的密度;ρf為SiC的密度;nm為基體的質(zhì)量分?jǐn)?shù);nf為SiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

將實(shí)測(cè)試樣密度及表1中的已知量代入式(10)，求得各試樣的孔隙率vp(見(jiàn)表2)。

根據(jù)表2中的聲速、SiC體積分?jǐn)?shù)以及孔隙率，即可建立三者之間的實(shí)測(cè)關(guān)系曲線。為了同時(shí)考慮SiC體積分?jǐn)?shù)vr和孔隙率vp對(duì)聲速VL的影響，定義一個(gè)變量k，令k=vr/(1-vp)，根據(jù)表2數(shù)據(jù)可求得各試樣的k值；將表1中已知的材料特性數(shù)值，以及表2中實(shí)測(cè)的SiC體積分?jǐn)?shù)vr和孔隙率vp代入式(9)，從而得到各試樣的理論預(yù)測(cè)聲速(見(jiàn)表3)，表中25-2，30-2的數(shù)據(jù)在擬合過(guò)程中為明顯奇異點(diǎn)，在擬合曲線中刪去。

表3 各試樣的實(shí)測(cè)(VL)及理論預(yù)測(cè)(VLT)聲速

隨后對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分別得到k與實(shí)測(cè)聲速VL以及理論預(yù)測(cè)聲速VLT的數(shù)學(xué)關(guān)系式為

VL=3 936.6k+6 031.5

(12)

VLT=4 452.2k+6 078.9

(13)

k與實(shí)測(cè)聲速及理論聲速的擬合曲線如圖4所示。

圖4 k與實(shí)測(cè)及理論聲速的擬合曲線

由圖4可見(jiàn)，聲速實(shí)測(cè)值與理論預(yù)測(cè)值的變化規(guī)律一致，即聲速與k均呈線性關(guān)系，這一結(jié)果從理論上證明采用筆者的方法評(píng)價(jià)增強(qiáng)體含量及孔隙率具有可行性，利用式(12)的關(guān)系式，即可在測(cè)得SiCp/Al復(fù)合材料聲速的條件下，反推得到材料中的SiC體積分?jǐn)?shù)或孔隙率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)增強(qiáng)體含量或孔隙率的超聲檢測(cè)。

另外，對(duì)比圖中擬合曲線發(fā)現(xiàn)，雖然聲速實(shí)測(cè)值及理論預(yù)測(cè)值的變化規(guī)律是一致的，但實(shí)測(cè)值比理論預(yù)測(cè)值低100 m·s-1左右。筆者認(rèn)為，由式(9)計(jì)算理論聲速時(shí)，雖已同時(shí)考慮了增強(qiáng)體含量和孔隙率的影響，但無(wú)法考慮可能發(fā)生在增強(qiáng)顆粒與基體之間的界面結(jié)合不良，這種結(jié)合不良很可能由顆粒團(tuán)聚以及混雜于其中的孔洞等引起，它將使材料彈性模量降低，從而導(dǎo)致材料的實(shí)際聲速低于理論計(jì)算聲速。

3.2 有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述SiC含量超聲檢測(cè)方法的有效性，針對(duì)某標(biāo)稱(chēng)SiC體積分?jǐn)?shù)為20%的SiCp/Al復(fù)合材料，進(jìn)行SiC含量的超聲檢測(cè)及金相檢驗(yàn)(見(jiàn)圖5)。首先對(duì)該材料進(jìn)行超聲聲速成像，聲速C掃描測(cè)得該材料的平均聲速為6 940m·s-1[見(jiàn)圖5(a)]；隨后切取局部區(qū)域制作金相試樣并進(jìn)行密度測(cè)定，計(jì)算得到該試樣的孔隙率為1.39%；將測(cè)得的聲速和孔隙率代入式(12)，求得SiC體積分?jǐn)?shù)為22.75%；最后對(duì)該試樣進(jìn)行SiC體積分?jǐn)?shù)的金相統(tǒng)計(jì)，得到SiC體積分?jǐn)?shù)的金相實(shí)測(cè)結(jié)果為24.0%，圖5(b)為該試樣的金相檢驗(yàn)結(jié)果。相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

圖5 驗(yàn)證用試樣的聲速C掃描和金相檢驗(yàn)結(jié)果

表4 驗(yàn)證用試樣的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)

由表4中結(jié)果可見(jiàn)，與金相實(shí)測(cè)結(jié)果相比，該SiCp/Al復(fù)合材料中SiC含量超聲檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差為5.2%，證明所建立的增強(qiáng)體含量超聲檢測(cè)方法具有可行性。

考慮到金相統(tǒng)計(jì)時(shí)根據(jù)灰度區(qū)分不同組分，區(qū)分同為深色的增強(qiáng)體和微小孔洞較為困難，因此金相統(tǒng)計(jì)中有可能將部分微小孔洞也識(shí)別為SiC，導(dǎo)致金相法測(cè)得的SiC含量比實(shí)際值偏大。從這一角度來(lái)講，該SiCp/Al復(fù)合材料中SiC含量超聲檢測(cè)的實(shí)際相對(duì)誤差應(yīng)小于5.2%。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)理論分析建立了一種基于縱波聲速的SiCp/Al復(fù)合材料中增強(qiáng)體含量及孔隙率的超聲檢測(cè)模型，實(shí)測(cè)關(guān)系曲線與模型理論預(yù)測(cè)曲線具有良好的一致性，證明該方法可行。

(2)除可用于增強(qiáng)體含量的超聲檢測(cè)外，該方法同時(shí)也提供了一種在已知增強(qiáng)體含量的情況下進(jìn)行孔隙率超聲檢測(cè)的思路，可為孔隙率超聲檢測(cè)的相關(guān)工作提供借鑒。

(3)隨著SiCp/Al復(fù)合材料中SiC含量的增加，其聲速也隨之增大；由于增強(qiáng)顆粒與基體之間可能發(fā)生界面結(jié)合不良，從而降低復(fù)合材料的彈性模量，因此SiCp/Al復(fù)合材料的實(shí)測(cè)聲速一般低于理論計(jì)算值。