金属基复合材料的缺陷探伤研究

丁羿

摘要：近年来，随着我国经济的发展，金属基复合材料在航空、航天、船舶等领域有广泛的应用。精梳机复合材料结构在实际服役过程中可能遭受损伤，因此，大量使用金属基复合材料时，必将涉及到金属基复合材料的缺陷，应加强其检测技术。

关键词：金属基复合材料；缺陷；研究

引言

金属基复合材料由美国国家航空航天局于1963年首次研发成功,是以金属及其合金为基体,与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料,具有高比强度、高比模量、耐高温、耐磨损、热膨胀系数小以及尺寸稳定性好等优异的物理和力学性能。根据金属基体材料的不同,可将其分为铝基、镁基、铜基、钛基、高温合金基以及难熔金属基复合材料等。

1金属基复合材料概述

金属基复合材料与常规树脂基复合材料相比，强度和材料的强度模量高，工作环境温度比常规树脂基复合材料高，层间剪切强度也高于常规树脂基材料。此外，由于金属基复合材料在潮湿环境下不会吸收湿气，尺寸较为稳定，加工后偏差较小，经长时间的使用及设备运行过程中不易老化。因此，金属基复合材料被研发出来后，广泛应用在航天、航海、空天飞行器的设计研发等领域。金属基复合材料组成成分与结构较为特殊，在生产制造过程中，材料内部容易出现各种缺陷，内部结构也容易出现不连续的微小断点，因此，采用合适的无损检测手段，能够较好地确保材料和产品的品质。由于金属基复合材料一般为碳纤维、SiC与金属基体的复合型结构，其制造工艺较为复杂，在制造过程中，内部经常可以出现不连续的微小断点。金属基复合材料不仅与常规的树脂基复合材料不同，而且不同金属基复合材料采用的增强剂与基材不同，其缺陷探伤、表征方式也会有所不同，虽然非常规探伤手段现不断被引入金属基复合材料的无损检测新方法之中，但目前对金属基复合材料进行无损检测的方式仍然主要是超声波探伤、X射线探伤与声音发射法。

2金属基复合材料常见缺陷问题

2.1工艺复杂

相比于金属材料，金属基复合材料在制造中需要母模，而在母模具的制造过程中，模具的选材受到制造成本和时间，几何形状、质量、升温速度和模具精度等影响，此外模具制造还需要较高的固化温度和压力，因此要求母模具在这样的高温高压下保持稳定，因此对金属基复合材料的选择提供了一定的困难。

2.2缩孔和缩松

缩孔与缩松是金属基复合材料在进行体积收缩时没有及时为其填补熔体而造成的，在金属基复合材料成型加工技术之中也有可能发生这样的现象。一方面是因为有的金属基复合材料自身因素在成型加工过程中会自行出现较多的孔洞，这种情况一般都是材料选择不合适或者成型加工技术不成熟导致的；而另一方面则可能是因为工作人员的操作失误导致的，在进行金属基复合材料成型加工时，任何环节的失误都可能导致其成型加工后的整体质量不过关，这样不仅不能够投入使用还需要进行二次加工，无形之间便增加了资源消耗和人力成本支出。

2.3分层

分层是指金属基复合材料中界面间的脱粘或开裂，也是金属基复合材料结构中典型的缺陷，形成分层的主要原因有：①基体与纤维间热膨胀系数不匹配或储存时间过长；②增强材料未经处理；③外界撞击；④含胶量过低；⑤固化工艺不合理；⑥二次成型界面粘结强度偏低。

3金属基复合材料的缺陷检测方法

3.1超声波无损检测法

针对纤维增强性的金属基复合材料，可以采用超声波无损检测法来探测材料损伤，通过材料损伤部位微观结构的改变和其机械性能、承载性能降低的幅度，即可判断出样品件内部是否存在缺陷，并进一步通过实验探测或破坏性分析来评估样品件力学性能下降的程度与样品件破坏时的失效机理。超声波无损探伤方法主要利用材料中的不连续部位及材料中的断层位置对超声波的反射回声波的不同进行检测分析。这种检测手段对待测平面垂直超声波发散方向的试验件的不连续性格外敏感，超声波无损探伤在检测金属基复合材料时平行于试验件表面，试验件内部的层片型不连续时，效果尤为突出，在采用超声波无损探伤方法检测圆柱类、圆管类样件或材料时，将超声波探测波沿着试验件的轴向方向和圆周侧的方向进行倾斜入射，在倾斜入射的工况下，超声波探测波的横波部分沿着管壁呈锯齿状传导，由于其探测路线为折线，管状试验件中的各个方向上的不连续性均可以被检测出来。

3.2剥离法

剥离法制备的MOFs纳米片厚度较小，可以暴露出较多的活性位点，利于与其他材料复合。但该法所得MOFs纳米片有时收率较低，影响了复合材料产出预期，并且剥离后的纳米片稳定性较差，有可能重新堆叠，影响复合材料的质量。制备二维MOFs材料主要有两种方法，即自上而下剥离法和自下而上剥离法。前者方法简单，但不能精确控制片层厚度和形貌；后者可以调节片层厚度，但往往片层较厚，有时会阻碍活性位点露出。

3.3发射检测法

从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。

3.4空气耦合超声检测

空气耦合超声检测技术是以空气作为耦合介质、利用空气耦合超声换能器激励和接收超声波进而检测材料和结构中缺陷的无损检测技术。空气耦合超声检测具有完全无损和非接触的特点，通常采用的检测方法主要包括穿透法、脉冲反射法以及表面波法、兰姆波法等，其中以穿透法的应用最为广泛。目前，国外已研制出高性能空气耦合超声换能器和成套系统，并逐步应用于航空航天工程领域。

结语

先进金属基复合材料属于新型材料，与普通材料相比，它拥有高强度、抗疲劳性高、较好的抗腐蚀性，而金属基复合材料模具的发展将提高金属基复合材料产品的质量和精度。在未来的发展中，金属基复合材料模具能得到更好的、精度更高的金属基复合材料模具，缩短材料生产周期，为国家建设起到意想不到的收获。

参考文献

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