本发明涉及金属试块技术领域，具体涉及一种超声检测用金属结构试块及其制备工艺。
背景技术
我国钢结构产业在近10余年期间发展迅速，已成为全球钢结构用量最大、制造施工能力最强、产业规模第一、企业规模第一的钢结构大国。各地重大钢结构工程的成功建设，说明我国的钢结构综合技术水平已处于国际先进水平。但我国的钢结构产业在信息化、自动化、标准化、科研创新方面同发达国家相比还有很大的差距。能否使我国钢结构产业健康、平稳地上台阶、上规模，质量安全检测环节是保障钢结构产业健康发展不可或缺的有效手段。无损检测是钢结构产品内部缺陷检测的常用方法，但目前存在没有针对钢结构自身特点的超声检测标准、高技能检测技术人才稀缺、检测用实物比对物质匮乏等现状，由于检测技术环节薄弱及施工等环节监控不到位导致钢结构建筑倾塌现象时有发生。角接焊接接头是钢结构产品中最常见的焊接方式，由于其位置比较特殊，不利于射线、超声等常规无损检测对其内部焊接缺陷进行检测，因此该部位也是钢结构产品质量最为薄弱的部位。因此，针对钢结构产品结构特点及其内部存在的典型缺陷研制一系列包含裂纹、气孔、杂渣等典型缺陷的角接焊接接头实物比对试块，并将其用于仪器探头系统性能校准和检测结果校准及缺陷性质的分析，对于提升钢结构检测技术环节实力水平具有重要意义。
超声波试块的作用在于配合超声波检测仪对工件进行探测。由于探测过程中某些外部因素的变动会影响到探测的灵敏度，所以在探测过程中需要每隔一定时间使用超声波试块进行核对，以保证探测灵敏度的恒定，超声波试块的重要性可见一斑，同样，这也对超声波试块的制造提出了高要求。
技术实现要素：
针对上述存在的问题，本发明提出了一种超声检测用金属结构试块及其制备工艺，通过合理的结构设计和物料选配，制得的超声用试块结构质量稳定，内部密实性和可伸缩弹性好，对横波、纵波的削弱性低，可用于对角接焊接接头处超声检测，检测灵敏度高。
为了实现上述的目的，本发明采用以下的技术方案：
一种超声检测用金属结构试块，包括依次浇注而成的内砂芯块、过渡复合层、外金属层，内砂芯块表面十字交错设有若干相互连通的槽道，槽道开口处内径大于其内部最宽处内径，内砂芯块包括以下原料组成：砂岩、软质耐火黏土、水玻璃，过渡复合层为含碳化硅的复合铁水，外金属层为不含碳化硅的复合铁水。
优选的，槽道深度为1-10mm，外金属层浇注厚度为5-20mm。
优选的，内砂芯块还包括稀土磷酸盐，其中稀土选自镧、铈、衫中的任意一种，内砂芯块中各原料质量百分含量为软质耐火黏土20-35％、水玻璃3-7％、稀土磷酸盐2-5％、砂岩余量。
优选的，内砂芯块制备步骤如下：先按重量百分比称取原料，将砂岩粉碎研磨至过100-120目筛，将水玻璃与软质耐火黏土共混，30-50℃搅拌条件下保持20-60min，然后降至室温，将稀土磷酸盐加入其中，继续搅拌5-15min，再将粉碎后的砂岩加入其中共混，混合均匀后送入砂芯盒模具中热处理，具体为温度180-200℃、压力3.0-3.3kpa，固化后即得内砂芯块。
优选的，槽道纵截面为“u”形、倒梯形、“v”形、葫芦状中的任意一种。
优选的，复合铁水中各原料质量百分含量为：c2.35-2.8％、si1.35-1.6％、mn0.8-1.0％、ni1.1-1.35％、zr0.6-0.9％、mg＜1.3％、稀土＜0.06％、p0.15-0.3％、s＜0.1％、余量为fe及不可避免的杂质。
优选的，过渡复合层中碳化硅添加量为铁水质量的0.3-0.8％，且碳化硅粒径小于20μm。
优选的，超声检测用金属结构试块，制备工艺如下：
1)将内砂芯块与槽道金属模具进行组装，槽道金属模具的铸液导入口与内砂芯块的槽道浇入口相通，且内砂芯块芯面上涂抹有耐高温材料；
2)将整体模具进行一次预热，然后将含碳化硅的复合铁水注入型腔中，浇入温度为1520-1580℃，浇注时间为90-120s，然后保温处理2h，自然冷却至室温；
3)脱模，将产品与槽道金属模具脱离，得中间产品；
4)将中间产品与外层金属模具进行组装，且内砂芯块芯面上涂抹有耐高温材料；
5)将整体模具进行二次预热，然后将不含碳化硅的复合铁水注入型腔中，浇入温度为1430-1450℃，浇注时间为60-100s，然后保温处理2h，自然冷却至室温，脱模即得终产品超声检测用金属结构试块。
优选的，步骤2)中一次预热温度为280-330℃，时间为25min，步骤5)中二次预热温度为260-300℃，时间为25-30min。
由于采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：本发明通过合理的结构设计和物料选配，制得的超声用试块结构质量稳定，内部密实性和可伸缩弹性好，对横波、纵波的削弱性低，可用于对角接焊接接头处超声检测，检测灵敏度高。
在砂芯和外冷铁间设置浇注含碳化硅复合铁水的槽道，有效保证了内砂芯块的稳定性和应力感应灵敏度，层间结合性强，对于超声检测中的横波、纵波的传递削弱性弱。槽道连通十字交错设于内砂芯块表面，一方面便于浇注的均匀性，另一方面有利于声波传动过程中的均衡性，提高了检测精准性，铸件质量高，应用范围广。分两次浇注处理，有效降低了内部内应力，避免了结构松散，组织金相过渡性好，综合质量高。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种超声检测用金属结构试块，包括依次浇注而成的内砂芯块、过渡复合层、外金属层，内砂芯块表面十字交错设有若干相互连通的槽道，槽道开口处内径大于其内部最宽处内径，内砂芯块包括以下原料组成：砂岩、软质耐火黏土、水玻璃，过渡复合层为含碳化硅的复合铁水，外金属层为不含碳化硅的复合铁水。
其中，槽道深度为1-10mm，外金属层浇注厚度为5-20mm，槽道纵截面为“u”形。
内砂芯块还包括稀土磷酸盐，其中稀土选自镧、铈、衫中的任意一种，内砂芯块中各原料质量百分含量为软质耐火黏土25％、水玻璃4％、稀土磷酸盐4％、砂岩余量；内砂芯块制备步骤如下：先按重量百分比称取原料，将砂岩粉碎研磨至过100-120目筛，将水玻璃与软质耐火黏土共混，30℃搅拌条件下保持30min，然后降至室温，将稀土磷酸盐加入其中，继续搅拌10min，再将粉碎后的砂岩加入其中共混，混合均匀后送入砂芯盒模具中热处理，具体为温度180℃、压力3.0kpa，固化后即得内砂芯块。
复合铁水中各原料质量百分含量为：c2.35％、si1.5％、mn0.9％、ni1.25％、zr0.8％、mg1.0％、稀土0.02％、p0.2％、s0.09％、余量为fe及不可避免的杂质。
过渡复合层中碳化硅添加量为铁水质量的0.3％，且碳化硅粒径小于20μm。
超声检测用金属结构试块，制备工艺如下：
1)将内砂芯块与槽道金属模具进行组装，槽道金属模具的铸液导入口与内砂芯块的槽道浇入口相通，且内砂芯块芯面上涂抹有耐高温材料；
2)将整体模具进行一次预热，一次预热温度为280℃，时间为25min，然后将含碳化硅的复合铁水注入型腔中，浇入温度为1550℃，浇注时间为90s，然后保温处理2h，自然冷却至室温；
3)脱模，将产品与槽道金属模具脱离，得中间产品；
4)将中间产品与外层金属模具进行组装，且内砂芯块芯面上涂抹有耐高温材料；
5)将整体模具进行二次预热，二次预热温度为280℃，时间为25min，然后将不含碳化硅的复合铁水注入型腔中，浇入温度为1440℃，浇注时间为60s，然后保温处理2h，自然冷却至室温，脱模即得终产品超声检测用金属结构试块。
本实施例制得的金属结构试块成品合格率77％，且符合nbt47013.3-2015标准要求。
实施例2：
一种超声检测用金属结构试块，包括依次浇注而成的内砂芯块、过渡复合层、外金属层，内砂芯块表面十字交错设有若干相互连通的槽道，槽道开口处内径大于其内部最宽处内径，内砂芯块包括以下原料组成：砂岩、软质耐火黏土、水玻璃，过渡复合层为含碳化硅的复合铁水，外金属层为不含碳化硅的复合铁水。
其中，槽道深度为1-10mm，外金属层浇注厚度为5-20mm，槽道纵截面为“u”形。
内砂芯块还包括稀土磷酸盐，其中稀土选自镧、铈、衫中的任意一种，内砂芯块中各原料质量百分含量为软质耐火黏土30％、水玻璃6％、稀土磷酸盐3％、砂岩余量；内砂芯块制备步骤如下：先按重量百分比称取原料，将砂岩粉碎研磨至过100-120目筛，将水玻璃与软质耐火黏土共混，40℃搅拌条件下保持40min，然后降至室温，将稀土磷酸盐加入其中，继续搅拌10min，再将粉碎后的砂岩加入其中共混，混合均匀后送入砂芯盒模具中热处理，具体为温度200℃、压力3.2kpa，固化后即得内砂芯块。
复合铁水中各原料质量百分含量为：c2.5％、si1.35％、mn1％、ni1.1％、zr0.9％、mg1.0％、稀土0.04％、p0.15％、s0.09％、余量为fe及不可避免的杂质。
过渡复合层中碳化硅添加量为铁水质量的0.5％，且碳化硅粒径小于20μm。
超声检测用金属结构试块，制备工艺如下：
1)将内砂芯块与槽道金属模具进行组装，槽道金属模具的铸液导入口与内砂芯块的槽道浇入口相通，且内砂芯块芯面上涂抹有耐高温材料；
2)将整体模具进行一次预热，一次预热温度为300℃，时间为25min，然后将含碳化硅的复合铁水注入型腔中，浇入温度为1580℃，浇注时间为100s，然后保温处理2h，自然冷却至室温；
3)脱模，将产品与槽道金属模具脱离，得中间产品；
4)将中间产品与外层金属模具进行组装，且内砂芯块芯面上涂抹有耐高温材料；
5)将整体模具进行二次预热，二次预热温度为260℃，时间为30min，然后将不含碳化硅的复合铁水注入型腔中，浇入温度为1450℃，浇注时间为80s，然后保温处理2h，自然冷却至室温，脱模即得终产品超声检测用金属结构试块。
本实施例制得的金属结构试块成品合格率75％，且符合nbt47013.3-2015标准要求。
实施例3：
一种超声检测用金属结构试块，包括依次浇注而成的内砂芯块、过渡复合层、外金属层，内砂芯块表面十字交错设有若干相互连通的槽道，槽道开口处内径大于其内部最宽处内径，内砂芯块包括以下原料组成：砂岩、软质耐火黏土、水玻璃，过渡复合层为含碳化硅的复合铁水，外金属层为不含碳化硅的复合铁水。
其中，槽道深度为1-10mm，外金属层浇注厚度为5-20mm，槽道纵截面为葫芦状(上半部分为半圆，下半部分为完整的圆形，且上半部分内径大于下半部分内径)。
内砂芯块还包括稀土磷酸盐，其中稀土选自镧、铈、衫中的任意一种，内砂芯块中各原料质量百分含量为软质耐火黏土30％、水玻璃5％、稀土磷酸盐4％、砂岩余量；内砂芯块制备步骤如下：先按重量百分比称取原料，将砂岩粉碎研磨至过100-120目筛，将水玻璃与软质耐火黏土共混，50℃搅拌条件下保持60min，然后降至室温，将稀土磷酸盐加入其中，继续搅拌15min，再将粉碎后的砂岩加入其中共混，混合均匀后送入砂芯盒模具中热处理，具体为温度180℃、压力3.3kpa，固化后即得内砂芯块。
复合铁水中各原料质量百分含量为：c2.5％、si1.35％、mn1％、ni1.1％、zr0.9％、mg1.0％、稀土0.04％、p0.15％、s0.09％、余量为fe及不可避免的杂质。
过渡复合层中碳化硅添加量为铁水质量的0.8％，且碳化硅粒径小于20μm。
超声检测用金属结构试块，制备工艺如下：
1)将内砂芯块与槽道金属模具进行组装，槽道金属模具的铸液导入口与内砂芯块的槽道浇入口相通，且内砂芯块芯面上涂抹有耐高温材料；
2)将整体模具进行一次预热，一次预热温度为330℃，时间为25min，然后将含碳化硅的复合铁水注入型腔中，浇入温度为1560℃，浇注时间为110s，然后保温处理2h，自然冷却至室温；
3)脱模，将产品与槽道金属模具脱离，得中间产品；
4)将中间产品与外层金属模具进行组装，且内砂芯块芯面上涂抹有耐高温材料；
5)将整体模具进行二次预热，二次预热温度为300℃，时间为30min，然后将不含碳化硅的复合铁水注入型腔中，浇入温度为1450℃，浇注时间为80s，然后保温处理2h，自然冷却至室温，脱模即得终产品超声检测用金属结构试块。
本实施例制得的金属结构试块成品合格率75％，且符合nbt47013.3-2015标准要求。
实施例4：
一种超声检测用金属结构试块，包括依次浇注而成的内砂芯块、过渡复合层、外金属层，内砂芯块表面十字交错设有若干相互连通的槽道，槽道开口处内径大于其内部最宽处内径，内砂芯块包括以下原料组成：砂岩、软质耐火黏土、水玻璃，过渡复合层为含碳化硅的复合铁水，外金属层为不含碳化硅的复合铁水。
其中，槽道深度为1-10mm，外金属层浇注厚度为5-20mm，槽道纵截面为葫芦状(上半部分为半圆，下半部分为完整的圆形，且上半部分内径大于下半部分内径)。
内砂芯块还包括稀土磷酸盐，其中稀土选自镧、铈、衫中的任意一种，内砂芯块中各原料质量百分含量为软质耐火黏土35％、水玻璃7％、稀土磷酸盐5％、砂岩余量；内砂芯块制备步骤如下：先按重量百分比称取原料，将砂岩粉碎研磨至过100-120目筛，将水玻璃与软质耐火黏土共混，45℃搅拌条件下保持50min，然后降至室温，将稀土磷酸盐加入其中，继续搅拌5min，再将粉碎后的砂岩加入其中共混，混合均匀后送入砂芯盒模具中热处理，具体为温度200℃、压力3.3kpa，固化后即得内砂芯块。
复合铁水中各原料质量百分含量为：c2.8％、si1.6％、mn0.8％、ni1.35％、zr0.6％、稀土0.02％、p0.25％、s0.08％、余量为fe及不可避免的杂质。
过渡复合层中碳化硅添加量为铁水质量的0.4％，且碳化硅粒径小于20μm。
超声检测用金属结构试块，制备工艺如下：
1)将内砂芯块与槽道金属模具进行组装，槽道金属模具的铸液导入口与内砂芯块的槽道浇入口相通，且内砂芯块芯面上涂抹有耐高温材料；
2)将整体模具进行一次预热，一次预热温度为320℃，时间为25min，然后将含碳化硅的复合铁水注入型腔中，浇入温度为1520℃，浇注时间为120s，然后保温处理2h，自然冷却至室温；
3)脱模，将产品与槽道金属模具脱离，得中间产品；
4)将中间产品与外层金属模具进行组装，且内砂芯块芯面上涂抹有耐高温材料；
5)将整体模具进行二次预热，二次预热温度为260℃，时间为25min，然后将不含碳化硅的复合铁水注入型腔中，浇入温度为1430℃，浇注时间为100s，然后保温处理2h，自然冷却至室温，脱模即得终产品超声检测用金属结构试块。
本实施例制得的金属结构试块成品合格率74％，且符合nbt47013.3-2015标准要求。
实施例5：
一种超声检测用金属结构试块，包括依次浇注而成的内砂芯块、过渡复合层、外金属层，内砂芯块表面十字交错设有若干相互连通的槽道，槽道开口处内径大于其内部最宽处内径，内砂芯块包括以下原料组成：砂岩、软质耐火黏土、水玻璃，过渡复合层为含碳化硅的复合铁水，外金属层为不含碳化硅的复合铁水。
其中，槽道深度为1-10mm，外金属层浇注厚度为5-20mm，槽道纵截面为“u”形。
内砂芯块还包括稀土磷酸盐，其中稀土选自镧、铈、衫中的任意一种，内砂芯块中各原料质量百分含量为软质耐火黏土20％、水玻璃3％、稀土磷酸盐2％、砂岩余量；内砂芯块制备步骤如下：先按重量百分比称取原料，将砂岩粉碎研磨至过100-120目筛，将水玻璃与软质耐火黏土共混，50℃搅拌条件下保持20min，然后降至室温，将稀土磷酸盐加入其中，继续搅拌10min，再将粉碎后的砂岩加入其中共混，混合均匀后送入砂芯盒模具中热处理，具体为温度180℃、压力3.2kpa，固化后即得内砂芯块。
复合铁水中各原料质量百分含量为：c2.8％、si1.6％、mn0.8％、ni1.35％、zr0.6％、稀土0.02％、p0.25％、s0.08％、余量为fe及不可避免的杂质。
过渡复合层中碳化硅添加量为铁水质量的0.6％，且碳化硅粒径小于20μm。
超声检测用金属结构试块，制备工艺如下：
1)将内砂芯块与槽道金属模具进行组装，槽道金属模具的铸液导入口与内砂芯块的槽道浇入口相通，且内砂芯块芯面上涂抹有耐高温材料；
2)将整体模具进行一次预热，一次预热温度为300℃，时间为25min，然后将含碳化硅的复合铁水注入型腔中，浇入温度为1540℃，浇注时间为120s，然后保温处理2h，自然冷却至室温；
3)脱模，将产品与槽道金属模具脱离，得中间产品；
4)将中间产品与外层金属模具进行组装，且内砂芯块芯面上涂抹有耐高温材料；
5)将整体模具进行二次预热，二次预热温度为270℃，时间为25min，然后将不含碳化硅的复合铁水注入型腔中，浇入温度为1440℃，浇注时间为80s，然后保温处理2h，自然冷却至室温，脱模即得终产品超声检测用金属结构试块。
本实施例制得的金属结构试块成品合格率76％，且符合nbt47013.3-2015标准要求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。