摘 要：隨著技術(shù)的進步和社會的發(fā)展，無損檢測和材料性能測試技術(shù)作為質(zhì)量控制中的主要手段不斷進步，然而目前的技術(shù)手段仍無法滿足金屬材料的檢測需求。在中國特種設(shè)備檢測研究院牽頭下，20 家產(chǎn)學(xué)研用單位共同申報了“十三五”國家重點研發(fā)計劃“國家質(zhì)量基礎(chǔ)的共性技術(shù)研究與應(yīng)用（NQI）”專項項目“金屬材料超聲無損檢測及微損測試關(guān)鍵技術(shù)研究與儀器研制”并獲得立項。本文主要介紹該項目的背景、目標(biāo)及總體研究方案、預(yù)期主要研究成果等相關(guān)內(nèi)容。

    1 引言

    金屬材料是工業(yè)裝備的主要用材，其質(zhì)量控制水平直接決定了裝備產(chǎn)品的整體質(zhì)量水平。無損檢測和 材料性能測試是質(zhì)量控制的主要技術(shù)手段，在裝備制 造和檢維修階段用于檢測母材和結(jié)構(gòu)中的缺陷及測定 材料性能，在裝備服役階段用于檢測腐蝕、裂紋、疲勞等損傷及測定材料性能劣化程度，近年來進步迅速， 應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對質(zhì)量控制的作用越來越大， 已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、電力、交通、軍 工等領(lǐng)域，貫穿產(chǎn)品生產(chǎn)、制造、使用、檢修和維護 全過程。

    隨著工業(yè)裝備水平的發(fā)展，無損檢測和材料性能測試技術(shù)也不斷進步，技術(shù)發(fā)展趨勢及需求主要表現(xiàn)為：由發(fā)現(xiàn)缺陷向精確定量、準(zhǔn)確定性缺陷發(fā)展；由 定期檢測擴大到損傷在線監(jiān)測；由常溫環(huán)境檢測擴大 到高溫等極端環(huán)境下檢測；由缺陷形成后檢測擴大到 早期損傷檢測；由材料性能常規(guī)大試樣測試發(fā)展至微 損取樣測試。超聲檢測是無損檢測的主要方法之一， 涵蓋了近50% 的無損檢測應(yīng)用，主要用于發(fā)現(xiàn)材料缺陷。微損測試是基于小試樣獲得材料力學(xué)性能的方法，對在役設(shè)備材料性能測試，具有獨特的優(yōu)勢。就超聲 與微損檢測技術(shù)而言，針對技術(shù)發(fā)展趨勢及工程應(yīng)用 中的迫切需求，目前還存在以下主要問題：

    其一，在缺陷精確定量、準(zhǔn)確定性方面，現(xiàn)有超聲檢測技術(shù)如A 型脈沖可以發(fā)現(xiàn)缺陷，但對缺陷的定 量和定性能力較差，TOFD 檢測技術(shù)在內(nèi)部缺陷高度 測量上有較好的精度，相控陣超聲一般可以獲得缺陷 多個視角的二維圖像，但它們在缺陷三維形狀測量上， 還有很大不足。

    其二，針對在役設(shè)備易接觸部位腐蝕、開裂的定時檢測目前有眾多技術(shù)可以實現(xiàn)，但對于高空、埋地 等難接觸部位檢測缺乏有效技術(shù)手段，同時腐蝕、開 裂是一個逐漸發(fā)生的過程，需要長期在線定量監(jiān)測的 技術(shù)手段。

    其三，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，眾多裝備向著高參數(shù)運行發(fā)展，如電力中正在努力發(fā)展的700℃超超臨 界鍋爐技術(shù)，使得適用于高溫等極端環(huán)境下的檢測技 術(shù)成為迫切需求，超聲檢測技術(shù)中，現(xiàn)有高溫壓電傳 感器一般工作于450℃以下，激光超聲等技術(shù)因為不 便現(xiàn)場使用，主要在實驗室使用。

    其四，在役設(shè)備疲勞損傷破壞主要表現(xiàn)為突然性失效，需要及早判定材料疲勞程度，若等到宏觀缺陷 出現(xiàn)后才能探測出，往往無法避免結(jié)構(gòu)破壞。目前疲 勞損傷的檢測技術(shù)如非線性超聲、渦流、磁參數(shù)等， 主要停留在實驗室研究階段，尚未獲得成熟的工業(yè)應(yīng) 用，因此需要持續(xù)發(fā)展疲勞早期損傷檢測技術(shù)。

    其五，材質(zhì)劣化的評定需要對材料性能進行實驗測量，實驗室中可以采用常規(guī)拉伸、金相等實現(xiàn)，但 這些手段對在役設(shè)備上的材料性能測試不適用。

    針對上述情況，在中國特種設(shè)備檢測研究院牽頭下，20 家產(chǎn)學(xué)研用單位共同申報了“十三五”國家重點研 發(fā)計劃“國家質(zhì)量基礎(chǔ)的共性技術(shù)研究與應(yīng)用（NQI）” 專項項目“金屬材料超聲無損檢測及微損測試關(guān)鍵技 術(shù)研究與儀器研制”，研究發(fā)展陣列超聲三維透視成 像、超聲導(dǎo)波多模態(tài)成像、電磁超聲高溫檢測、磁聲發(fā) 射早期損傷檢測、材料性能微損檢測等技術(shù)，解決現(xiàn) 有技術(shù)存在的問題，適應(yīng)工程檢測的發(fā)展需求。

    2 國內(nèi)外研究概況

    在陣列超聲三維透視成像檢測研究方面，該技術(shù)是工業(yè)超聲檢測領(lǐng)域極具應(yīng)用前景的前沿技術(shù)，通過對相位、頻率、波形多參數(shù)調(diào)控精確產(chǎn)生預(yù)定聲場，綜合應(yīng)用多種聲場解析方法，實現(xiàn)缺陷的三維透視成像。國外研究主要集中在儀器系統(tǒng)、成像方法和仿真軟件開發(fā)。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進展較快，GE 公司和西門子公司已推出了基于聲場調(diào)控的高檔醫(yī)學(xué)超聲成像儀器系統(tǒng)，工業(yè)領(lǐng)域由于檢測的復(fù)雜性進展緩慢，且現(xiàn)有三維成像方法大多基于射線聲學(xué)理論，對于人體組織成像效果好，而對工業(yè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)成像精度低。在超聲陣列儀器開發(fā)方面國內(nèi)已有一定基礎(chǔ)，但距離國際先進水平，還有很大差距。超聲檢測仿真軟件國外主要有CIVA軟件，國內(nèi)尚無成熟商用軟件。

    在陣列式超聲導(dǎo)波多模態(tài)成像檢測研究方面，超聲導(dǎo)波作為長距大面積快速檢測技術(shù)在工業(yè)管道檢測方面已獲得了成功的工業(yè)應(yīng)用，英國和中國分別制定了相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)。目前應(yīng)用中主要的問題是對缺陷的準(zhǔn)確識別及定量評價能力差。為解決此問題，國內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)基礎(chǔ)研究如導(dǎo)波模態(tài)控制、檢測信號處理及成像方法方面開展了大量工作，并將這些技術(shù)用于陣列超聲導(dǎo)波成像檢測中，開發(fā)了缺陷在線監(jiān)測系統(tǒng)，但還需進一步深入研究，開發(fā)高分辨率的缺陷成像檢測技術(shù)。

    在電磁超聲在線檢測研究方面，國外電磁超聲技術(shù)研究始于上世紀(jì)70 年代初，目前已研制了電磁超聲鋼板、鋼管、鐵軌等自動檢測裝備，相關(guān)專利已達千余項，ASTM 也已頒布了三項標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)研究水平總體處于“跟跑”階段，相關(guān)專利200 余項。在高溫檢測方面，國外對于該技術(shù)的研究主要集中在高溫檢測方法、高溫傳感器及設(shè)備研制方面，最高適用溫度已達720℃，國內(nèi)目前電磁超聲檢測儀器設(shè)備發(fā)展緩慢，已開發(fā)出的電磁超聲測厚儀適用溫度也只到600℃，相關(guān)技術(shù)亟待突破。

    在鐵磁性金屬材料早期損傷磁聲發(fā)射檢測研究方面，自19 世紀(jì)70 年代首次發(fā)現(xiàn)磁聲發(fā)射現(xiàn)象，磁聲發(fā)射檢測技術(shù)已形成比較完善的理論體系，國外用于炮筒、槍筒、飛行器承力主梁等構(gòu)件的殘余應(yīng)力檢測及渦輪機葉片的回火脆性評估。國內(nèi)在聲發(fā)射檢測研究方面，進展較快，已成功開發(fā)了多種檢測儀器，并在工程中獲得了廣泛應(yīng)用，但在磁聲發(fā)射檢測研究方面，僅開展了用于鐵磁性金屬構(gòu)件疲勞和蠕變損傷檢測的初步研究，沒有形成技術(shù)能力，暫無工程化應(yīng)用。在儀器設(shè)備方面，國內(nèi)外目前均未有成熟的磁聲發(fā)射檢測儀。

    在材料性能微損測試研究方面，材料性能的微損測試技術(shù)是在工業(yè)裝備正常服役情況下獲取材料參數(shù)的重要技術(shù)。主要應(yīng)用于核電、化工、能源等重要設(shè)備安全評估。微損測試分取樣后測試與非取樣測試兩類。取樣測試技術(shù)中，日本采用電火花取樣，歐美采用機械式取樣，國內(nèi)暫未掌握機械式取樣技術(shù)。取樣后材料性能測試主要有小沖桿法，國內(nèi)外已頒布相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，但小沖桿測試影響因素多，為解決此問題中國特檢院提出材料性能微試樣液壓鼓脹測試方法。非取樣測試中，國際已有商業(yè)壓痕法測試裝備，但材料性能解算是基于國外材料數(shù)據(jù)庫，對國內(nèi)材料測量適應(yīng)性差，有待國產(chǎn)化開發(fā)。

    3 項目目標(biāo)及總體研究方案

    3.1 項目目標(biāo)

    項目針對金屬材料損傷檢測及性能測試中幾類迫切解決的問題，重點攻克超聲三維透視成像的陣列柔性激勵及缺陷三維重構(gòu)技術(shù)、陣列式超聲導(dǎo)波多模態(tài)融合成像檢測技術(shù)、電磁超聲高溫傳感及在線非接觸快速檢測技術(shù)、金屬材料早期損傷的磁聲發(fā)射檢測及評價方法、超聲檢測儀器和試塊性能測試評價的多指標(biāo)綜合測評方法、材料微損快速取樣技術(shù)及力學(xué)性能的微試樣測試方法等關(guān)鍵技術(shù)，為金屬材料工業(yè)設(shè)備在制和在役過程的無損檢測與材料性能評估提供新型超聲檢測及微損測試技術(shù)手段。

    3.2 總體研究方案

    本項目根據(jù)上述關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)置五個課題，其中：課題一針對結(jié)構(gòu)中宏觀缺陷的準(zhǔn)確定性、精確定量檢測，研究陣列傳感器柔性激勵的超聲三維透視成像檢測技術(shù)并研制儀器。開發(fā)超聲檢測儀器、試塊性能測試評價平臺及檢測工藝驗證平臺，實現(xiàn)對檢測裝備及工藝的評價；

    課題二針對材料開裂、腐蝕減薄等損傷的在線監(jiān)測，研究壓電陣列式超聲導(dǎo)波多模態(tài)成像技術(shù)并研制監(jiān)測儀器；

    課題三針對高溫狀態(tài)下結(jié)構(gòu)宏觀缺陷的在線檢測，研究電磁超聲高溫在線無損檢測技術(shù)并研制儀器；

    課題四針對鐵磁性材料構(gòu)件疲勞早期損傷檢測，研究磁聲發(fā)射檢測技術(shù)并研制儀器；

    課題五針對材料性能的微損傷測試與評價，研究液壓鼓脹和在線壓痕的微損材料性能檢測及試驗制備技術(shù)并研制儀器。

    通過以上五個課題的實施，最終為金屬材料設(shè)備在制和在役過程中的質(zhì)量控制，提供有效的超聲檢測及微損測試方法和儀器。

    圖1 為項目總體研究及課題分解方案。可以看出，各課題之間既相互獨立，具有特定定位和功能，但又共同支撐金屬材料的檢測，形成一個完整檢測體系。課題1 主要解決宏觀缺陷的準(zhǔn)確定性與精確定量檢測的問題；課題2 主要解決材料開裂與腐蝕減薄等損傷的在線監(jiān)測的問題；課題3 主要解決高溫狀態(tài)下結(jié)構(gòu)宏觀缺陷的在線檢測的問題；課題4 主要解決構(gòu)件疲勞早期損傷檢測的問題；課題5 主要解決材料性能檢測微損測試問題。

    圖1 總體研究及課題分解方案

    4 項目預(yù)期主要研究成果

    項目預(yù)期成果包括設(shè)備類、平臺類、方法類、軟件類等多種形式，具體成果如下：

    1）設(shè)備類成果：通過系統(tǒng)設(shè)計、試制樣機、開發(fā)系統(tǒng)、現(xiàn)場試驗、完善系統(tǒng)等過程，完成陣列柔性激勵儀、電磁超聲檢測儀、機械式取樣機、液壓鼓脹檢測儀、磁聲發(fā)射檢測儀、在線壓痕試驗機、聲場觀測儀、壓電陣列導(dǎo)波監(jiān)測儀等設(shè)備的研發(fā)。

    2）平臺類成果：通過搭建超聲檢測儀器和試塊性能測試評價平臺、檢測工藝驗證平臺，實現(xiàn)對超聲檢測全鏈條的支持，保證檢測設(shè)備、試塊、工藝的可靠性和正確性。

    3）方法類成果：在超聲檢測系統(tǒng)性能測試評價的多指標(biāo)綜合測評、陣列超聲檢測工藝設(shè)計及驗證、面向?qū)ο蟮年嚵谐暀z測、壓電陣列多模態(tài)導(dǎo)波缺陷定量識別、電磁超聲檢測、磁聲發(fā)射檢測、基于微損試樣的材料評價等方面形成多種方法。上述新方法主要轉(zhuǎn)化為國家特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范、國家/ 行業(yè)/ 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)若干項。

    4）系統(tǒng)軟件類成果：配和設(shè)備的研發(fā)及成果應(yīng)用，開發(fā)三維工件超聲聲場和回波預(yù)測仿真軟件，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場特殊構(gòu)件檢測工藝的快速制定。

    5 項目預(yù)期的經(jīng)濟社會效益

    5.1 本項目科學(xué)預(yù)期指標(biāo)及科學(xué)價值

    通過總結(jié)研發(fā)過程中的數(shù)據(jù)、成果，揭示“多頻段多模式超聲波與金屬材料典型損傷的交互作用規(guī)律”，提高相關(guān)領(lǐng)域科研工作者對檢測聲學(xué)的認知水平，推動檢測聲學(xué)理論、實踐的進步；攻克的關(guān)鍵部件和核心技術(shù)，將為科學(xué)儀器開發(fā)、科學(xué)研究提供支持。

    1）直接科學(xué)價值：揭示“多頻段多模式超聲波與金屬材料典型損傷的交互作用規(guī)律”，提高檢測聲學(xué)領(lǐng)域的認知水平，擴展及補全其研究范疇，對于推動領(lǐng)域科學(xué)進步具有巨大價值。

    2）間接科學(xué)價值：提出了新的材料性能檢測方法，提高了不同條件下的材料測試能力，以上技術(shù)方法不僅能應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域，而且能夠為其他科學(xué)研究提供更為準(zhǔn)確有效的檢測監(jiān)測手段，提高科學(xué)實驗的準(zhǔn)確性。開發(fā)的高溫檢測手段，可以突破現(xiàn)有測試能力的限制，使一些設(shè)想中的科學(xué)實驗得以實現(xiàn)，通過實驗技術(shù)的進步推動相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的進步。

    3）研發(fā)過程中產(chǎn)生的科學(xué)價值：項目研究涉及聲學(xué)領(lǐng)域、電磁學(xué)領(lǐng)域、材料學(xué)領(lǐng)域、普通力學(xué)領(lǐng)域，研究過程是多領(lǐng)域交叉碰撞、融合的過程，對于新科學(xué)思想的產(chǎn)生、新的領(lǐng)域交叉熱點的形成、解決問題的新視角等均有極大的促成作用。

    5.2 本項目產(chǎn)業(yè)預(yù)期指標(biāo)及經(jīng)濟與社會效益

    研制的陣列柔性激勵儀器可替代相關(guān)領(lǐng)域60% 左右的原有檢測手段，降低30% 以上的檢測成本；提高檢測可靠性，保證設(shè)備安全更為有效，社會、經(jīng)濟效益不可估量。

    研制的陣列式超聲導(dǎo)波多模態(tài)成像檢測設(shè)備可應(yīng)用于大型裝備的在線實時監(jiān)測，監(jiān)控設(shè)備的安全狀況，降低企業(yè)運維成本，避免財產(chǎn)損失和安全事故。

    研制的高溫電磁超聲檢測系統(tǒng)及檢測方法，可實現(xiàn)高溫設(shè)備在線不停機超聲波檢測，焊接生產(chǎn)線超聲在線檢測，填補超高溫檢測方面的工程技術(shù)空白。

    研發(fā)的磁聲發(fā)射檢測技術(shù)將補充和完善磁聲發(fā)射產(chǎn)生機制和檢測機制；提高磁聲發(fā)射技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性，促進磁聲發(fā)射技術(shù)在早期損傷評估方面的發(fā)展；推進磁聲發(fā)射技術(shù)的工程化應(yīng)用，填補國內(nèi)外對鐵磁構(gòu)件磁聲發(fā)射技術(shù)檢測早期損傷應(yīng)用方面的空白。

    實現(xiàn)的材料微損測試技術(shù)，對于承壓設(shè)備和鎳基合金結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性評定以及風(fēng)險分析等都將起著基礎(chǔ)性的重要作用。相關(guān)儀器的研發(fā)和應(yīng)用可以大大提高承壓設(shè)備和鎳基合金結(jié)構(gòu)完整性評定和風(fēng)險評估的可靠性，對提升承壓設(shè)備安全、促進安全生產(chǎn)具有重要意義。

    綜上，通過本項目的實施將進一步夯實質(zhì)量技術(shù)基礎(chǔ)，有效地提升我國無損檢測行業(yè)在超聲和材料微損傷方面的技術(shù)能力，推動行業(yè)整體技術(shù)進步；研制的儀器設(shè)備將打破國外儀器和技術(shù)壟斷，實現(xiàn)高新技術(shù)轉(zhuǎn)化，核心部件具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，帶動我國高端設(shè)備的研發(fā)能力；新技術(shù)、新方法、新標(biāo)準(zhǔn)的推出將填補國內(nèi)檢測領(lǐng)域多項技術(shù)空白，有效提升我國在產(chǎn)品質(zhì)量控制技術(shù)方面的水平。

    6 展望

    該項目是國家重點研發(fā)計劃“國家質(zhì)量基礎(chǔ)的共性技術(shù)研究與應(yīng)用”（NQI）重點專項的重要組成部分，旨在突破復(fù)雜對象和極端條件等檢測技術(shù)瓶頸，滿足要求多樣化、早期化的檢測監(jiān)測技術(shù)瓶頸，項目預(yù)期成果將填補國內(nèi)檢測領(lǐng)域多項技術(shù)空白，部分達到國際先進水平。

    該項目致力于解決金屬材料檢測急需的共性關(guān)鍵技術(shù)難題，但鑒于經(jīng)費、時間和人力物力的限制，研究內(nèi)容并不能完全覆蓋金屬材料檢測的所有技術(shù)難題。同時，隨著金屬制設(shè)備向大型化、復(fù)雜化、高參數(shù)等方向發(fā)展，也會不斷涌現(xiàn)出新的問題。因此，今后在本項目研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還希望國內(nèi)有關(guān)機構(gòu)和專業(yè)技術(shù)人員開展相應(yīng)項目的深入研究，也希望國家持續(xù)不斷的支持金屬制設(shè)備質(zhì)量檢測與控制方面的技術(shù)研究。