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徐濱士院士論文摘錄回顧：再制造涂層無損檢測技術(shù)研究進(jìn)展
再制造技術(shù)，主要是指應(yīng)用*表面工程技術(shù)（如高速電弧噴涂、納米電刷鍍、微弧等離子熔覆、超音速等離子噴涂等），在廢舊零件的損傷表面制備一層耐磨、耐蝕、耐疲勞的涂層，以恢復(fù)其超差的尺寸并提升其使用性能，使得再制造零件能夠繼續(xù)服役。
對于再制造零件進(jìn)行壽命預(yù)測和質(zhì)量控制，是再制造過程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)檫@直接關(guān)系到再制造零件的可靠性是否能夠達(dá)到新品的標(biāo)準(zhǔn)。
再制造零件的表面涂層性能對其質(zhì)量起決定性作用。再制造涂層的主要失效形式為疲勞破壞，而涂層形成過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中、微孔隙、微裂紋以及氧化夾雜等是疲勞裂紋萌生的源頭。因此，應(yīng)用無損檢測技術(shù)對再制造涂層中的缺陷進(jìn)行檢測和監(jiān)控，可以為再制造零件的壽命預(yù)測和質(zhì)量控制提供重要依據(jù)和指導(dǎo)。
常用的無損檢測技術(shù)包括射線法、超聲法、渦流法、磁記憶、聲發(fā)射法、紅外檢測等。將這些無損檢測技術(shù)應(yīng)用到再制造涂層缺陷的檢測中去，指示再制造涂層中是否存在缺陷，并對缺陷進(jìn)行定性、定位和定量，這對再制造零件的壽命預(yù)測和質(zhì)量控制具有重大的意義。
射線檢測技術(shù)
射線檢測的優(yōu)勢在于適用對象廣，對金屬、非金屬、復(fù)合材料均可檢測，可以得到缺陷的影像，直觀且便于定性和定量分析缺陷的種類、大小和分布狀況。
常用的射線檢測方法包括膠片照相法、電離檢測法、熒光屏直接觀察法、電視觀察法以及后面發(fā)展起來的工業(yè)射線CT技術(shù)等，這些方法在壓力容器壁和焊接件焊縫部位裂紋等缺陷的檢測中已經(jīng)得到比較普遍的應(yīng)用。
徐維普通過研究對接焊縫的射線檢測照片，分析并建立了焊縫中常見的線型缺陷（夾渣、未焊透、焊瘤、內(nèi)凹、上下咬邊和溢流等）與射線檢測得到的線條圖像的對應(yīng)關(guān)系。
鋼鐵等采用實(shí)時(shí)成像射線檢測系統(tǒng)，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金激光焊件進(jìn)行了檢測，得到了含有微小缺陷的激光焊件射線圖像，并對焊縫中氣孔缺陷的位置和分布進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出了氣孔缺陷埋藏深度的計(jì)算公式。
許多研究者也開展了將射線檢測技術(shù)運(yùn)用到涂層（薄膜）缺陷檢測中的研究。K. Banerjee等利用X射線掃描的方法檢測典型航空結(jié)構(gòu)件的多層膜內(nèi)亞表層的隱藏裂紋，在 K. Banerjee所建立的模型中，裂紋區(qū)域的平均密度和交互作用系數(shù)均比未受影響的塊體材料小，研究表明，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)腦射線背散射掃描器可以檢測出延基層擴(kuò)展的長度大于1 cm的隱藏裂紋。
E. Hollmann等的研究證明了精確的X射線衍射分析能夠有效地檢測出復(fù)合氧化外延薄膜的缺陷和密度分布情況，并將此方法應(yīng)用于檢測YBa2Cu3O7-δ薄膜的缺陷。
可見，射線檢測技術(shù)可以用于檢測再制造涂層近表面的隱藏缺陷。但是，由于射線法難于檢測與射線方向垂直的平面缺陷，在用于檢測再制造涂層中的缺陷時(shí)需要考慮這些缺點(diǎn)的影響，此外對于射線輻射的防護(hù)也是一個(gè)不容忽視的問題。
超聲檢測技術(shù)
超聲波檢測方法按檢測原理不同，主要分為脈沖反射法、穿透法和共振法等，而其中的脈沖反射法根據(jù)判斷缺陷情況的回波性質(zhì)的不同，又包括缺陷回波法、底面回波高度和底面多次回波法。
目前，超聲檢測技術(shù)在焊縫缺陷等工業(yè)檢測方面已經(jīng)得到比較成熟的應(yīng)用，國內(nèi)外許多工作者在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。
盛朝陽等開發(fā)了TOFD（時(shí)間渡越衍射法）缺陷檢測及定位系統(tǒng)對焊接中裂紋類缺陷進(jìn)行定位、定量檢測，應(yīng)用該系統(tǒng)對模擬試件進(jìn)行了檢測，獲得的D、B掃描圖像清晰、直觀、易分辨、噪聲低，能迅速確定缺陷位置，可以為實(shí)際焊縫質(zhì)量評價(jià)提供可靠的參考數(shù)據(jù)。
郭立偉等研究了超聲波自動(dòng)檢測過程中影響C掃描圖像成像質(zhì)量的各種參數(shù)，并對模擬試件進(jìn)行了超聲水浸檢測，獲得焊縫中的模擬缺陷圖像，通過與X射線照相圖片對比，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用超聲法可以檢測出表面粗糙度較小的T型鈦合金激光焊縫表面以下1.0~2.5 mm深處、直徑>0.3 mm的缺陷。
湯桂榮等研究了應(yīng)用超聲波檢測技術(shù)對鋁合金材質(zhì)封閉母線焊縫的缺陷進(jìn)行檢測和定位，檢測實(shí)例表明，超聲法對缺陷的定位準(zhǔn)確，定位誤差<2%。
相關(guān)的研究表明，采用合適的檢測方式（如表面波），超聲檢測技術(shù)可望在再制造涂層表面和近表面的微裂紋、微孔隙、氧化夾雜等微缺陷和疲勞裂紋等的檢測中得到更為深入的應(yīng)用。
渦流檢測技術(shù)
渦流檢測對導(dǎo)電材料表面和近表面缺陷的檢測靈敏度較高，相對超聲檢測來說具有不需耦合劑的優(yōu)點(diǎn)，適用于檢測合金和其他導(dǎo)電涂層的表面和近表面的疲勞裂紋等缺陷。
Noritaka Yusa等研究了渦流反演技術(shù)是否適用于粗糙表面的鉻鎳鐵合金焊縫的缺陷尺寸定位，使用6種不同的渦流探頭進(jìn)行渦流檢測，并評價(jià)了6個(gè)探頭的效率。結(jié)果顯示，如果使用合適的探頭，即使焊件的表面粗糙，在渦流檢測過程中鉻鎳鐵合金焊縫也不會(huì)引起大的噪聲，可以得到理想的檢測結(jié)果。
張斌強(qiáng)等利用寬頻語脈沖渦流檢測技術(shù)對硬鋁材料標(biāo)準(zhǔn)試件不同深度的表面缺陷進(jìn)行了檢側(cè)，分析了差分信號(hào)的特征值與缺陷深度之間的關(guān)系，試驗(yàn)表明峰值與缺陷的深度呈線性關(guān)系，且采用一階微分信號(hào)分析可提高脈沖渦流檢測系統(tǒng)的線性度。
徐宋娟等采用外穿過式線圈對刻有人工缺陷的不銹鋼異型管件和普通管件進(jìn)行了渦流檢測試驗(yàn)，通過渦流阻抗平面圖分析和數(shù)據(jù)整理，發(fā)現(xiàn)外穿過式線圈在最佳檢測頻率時(shí)可以檢測出異型不銹鋼管件表面深0.20 mm的周向槽模擬的缺陷。
張思全等采用一種小波分析方法對采集核電站熱交換管道、壓力容器等關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕裂紋渦流檢測信號(hào)進(jìn)行了預(yù)處理，減少了噪聲及非缺陷信號(hào)，并提取了缺陷信號(hào)特征，然后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對裂紋形狀進(jìn)行了重構(gòu)。
應(yīng)用渦流檢測技術(shù)時(shí)，還要注意它的一些局限性：只能檢測導(dǎo)電材料；信號(hào)不夠直觀；只能給出有無缺陷的結(jié)論，難于進(jìn)一步對缺陷進(jìn)行定性、定位和定量。
磁記憶檢測技術(shù)
金屬磁記憶檢測技術(shù)對零件表面和深達(dá)幾十毫米的缺陷均可檢測，檢測速度快，在壓力容器、電站、管道和航空等領(lǐng)域已展開了缺陷檢測的應(yīng)用。
董麗虹等對于金屬磁記憶技術(shù)在鐵磁材料的應(yīng)力集中、缺陷和殘余應(yīng)力方面的檢測進(jìn)行了大量的研究，分析磁記憶信號(hào)對不同應(yīng)力集中程度、疲勞裂紋及殘余應(yīng)力的反映，發(fā)現(xiàn)金屬磁記憶技術(shù)適宜表征鐵磁材料存在磁導(dǎo)率急劇變化的位置；對于應(yīng)用磁記憶信號(hào)表征殘余應(yīng)力還有進(jìn)一步的深入研究。
應(yīng)用金屬磁記憶技術(shù)對鐵磁性構(gòu)件中疲勞裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行了檢測，對中心裂紋平板試件進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn)，而后在不同疲勞周次的試件表面測試了Hp(y)等磁記憶相關(guān)參數(shù)，結(jié)果表明：金屬磁記憶技術(shù)對于監(jiān)測鐵磁材料的疲勞裂紋擴(kuò)展簡單可行。
朱有利等針對高壓五裝甲鋼板裂紋利用金屬磁記憶方法進(jìn)行了檢測，采用預(yù)制裂紋-疲勞試驗(yàn)-金屬磁記憶檢測-信號(hào)比較分析的標(biāo)定方法，對不同預(yù)制裂紋深度、不同疲勞載荷幅、不同載荷循環(huán)周次的試樣進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：漏磁場法向分量的變化率與裂紋深度成正比；載荷幅越大，載荷循環(huán)周次越多，漏磁場法向分量的變化率越大。
由于金屬磁記憶檢測技術(shù)不僅可以檢測鐵磁材料的疲勞裂紋等成形缺陷，對于應(yīng)力集中這種缺陷的萌生和高發(fā)區(qū)域也可以進(jìn)行表征和定位?？梢?，對于再制造涂層從應(yīng)力集中到疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展再到疲勞破壞的這一過程的各個(gè)階段，磁記憶技術(shù)均能進(jìn)行檢測。所以，磁記憶檢測技術(shù)在再制造零件的缺陷檢測和質(zhì)量控制方面應(yīng)用前景廣闊。但是，磁記憶的微觀機(jī)理至今也沒有一個(gè)統(tǒng)一清晰的理論，檢測的定量化和標(biāo)準(zhǔn)化也需要進(jìn)行大量的工作來完善。
聲發(fā)射檢測技術(shù)
從20世紀(jì)50年代初興起至今的幾十年來，聲發(fā)射技術(shù)廣泛應(yīng)用于監(jiān)測和評價(jià)重要設(shè)備（如壓力容器、核反應(yīng)堆等）的服役安全性以及焊接過程的質(zhì)量監(jiān)控和焊縫的缺陷檢測等工業(yè)領(lǐng)域。
大量的研究表明，材料斷裂包含的裂紋成核、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂三個(gè)階段都是強(qiáng)烈的聲發(fā)射源，多余的能量全部以彈性應(yīng)力波的形式釋放出來，對于裂紋形成也有諸如位錯(cuò)塞積理論、位錯(cuò)反應(yīng)理論和位錯(cuò)銷毀理論等解釋，這些研究為聲發(fā)射用于監(jiān)測再制造涂層內(nèi)部疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展過程提供了理論基礎(chǔ)。
Y.C. Zhou等采用聲發(fā)射研究熱障涂層系統(tǒng)破壞的演變過程，微觀觀察和聲發(fā)射檢測均顯示疲勞裂紋分為兩種形式：表面裂紋和界面分層。
L. Fu等結(jié)合聲發(fā)射的熱震試驗(yàn)考查等離子噴涂梯度熱障涂層的斷裂行為，采集了梯度涂層熱循環(huán)中驟冷階段的聲發(fā)射信號(hào)，分析認(rèn)為較高數(shù)值范圍的聲發(fā)射能量數(shù)值和積累數(shù)值與宏觀裂紋的形成和擴(kuò)展有關(guān)，而微裂紋和相變只會(huì)增大較低數(shù)值范圍的聲發(fā)射信號(hào)。
Fujun Wang等利用聲發(fā)射技術(shù)對五種不同粉末材料激光熔覆過程中產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行了在線測試，并通過有限元分析計(jì)算出裂紋萌生和擴(kuò)展的溫度區(qū)間。
Thomas Ganne等利用聲發(fā)射技術(shù)分析了磁控濺射鎢涂層在拉伸和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的斷裂機(jī)理。
Min–Rae Lee等使用聲發(fā)射技術(shù)研究了Nb3Sn基復(fù)合超導(dǎo)電薄膜在室溫下的顯微變性行為和斷裂機(jī)理。使用聲發(fā)射的振幅、持續(xù)時(shí)間、振鈴數(shù)等參數(shù)分析了Nb3Sn基復(fù)合超導(dǎo)電薄膜拉伸行為中有代表性的變形參數(shù)如彈性、屈服和裂紋等。結(jié)果表明，聲發(fā)射技術(shù)在評估Nb3Sn基復(fù)合超導(dǎo)電薄膜的變形行為中非常有效。
紅外檢測技術(shù)
紅外檢測有結(jié)果形象直觀、便于保存；檢測效率高；適用的材料范圍廣；靈敏度較高；操作安全等優(yōu)點(diǎn)。
該領(lǐng)域研究人員已經(jīng)開展了應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)檢測復(fù)合材料、焊件缺陷以及涂層涂覆質(zhì)量等方面的研究。
Manyong Choi等利用紅外熱成像技術(shù)通過檢測鋼盤缺陷區(qū)域和完好區(qū)域的溫度差異，定量測定了鋼盤亞表面缺陷的大小和位置，并且測定結(jié)果與實(shí)際情況對應(yīng)良好。
陳大鵬等利用超聲紅外熱像技術(shù)對激光焊接試件進(jìn)行了檢測，所得試驗(yàn)結(jié)果可用以分析激光功率和焊接速度對焊接質(zhì)量的影響。
薛書文等在考慮缺陷大小對紅外熱成像深度計(jì)算影響的基礎(chǔ)上，通過對峰值時(shí)間與材料熱特性參數(shù)、缺陷深度以及缺陷大小進(jìn)行擬合，得到了一個(gè)新的紅外無損檢測的計(jì)算缺陷深度的公式，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。
再制造涂層中的疲勞裂紋，氧化夾雜等多屬于熱隔性缺陷，通過檢測涂層熱導(dǎo)率異常位置可以指示出涂層表面和近表面的缺陷，但是紅外檢測對表面缺陷敏感，對較深入的內(nèi)部缺陷不易檢出，并且具有難于檢測低發(fā)射率材料和導(dǎo)熱快的材料的涂層以及檢測費(fèi)用很高等缺點(diǎn)。
-結(jié)束語-
近年來，各種無損檢測技術(shù)在廣大科研工作者的辛勤工作下得到了迅猛的發(fā)展，技術(shù)不斷成熟，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，在確保設(shè)備安全，控制產(chǎn)品質(zhì)量和提高工業(yè)科技生產(chǎn)水平等方面起了重要的作用。