激光覆层质量超声无损评价专用试块的制作方法

本实用新型涉及激光熔覆加工领域，特别是涉及一种激光覆层超声无损评价专用试块。

背景技术：

利用激光熔覆加工技术，可以针对金属零件的具体工作条件和性能要求直接加工制备出具有特殊性能的材料、零部件或结构件；激光熔覆覆层同金属零件基材之间为冶金结合，其化学成分、显微组织及性能可以完全不同于金属零件基材且不受基材的限制，激光熔覆覆层的厚度、化学成分、显微组织及性能均可根据零件工作条件而进行灵活设计与控制。激光熔覆技术的适用面很广，可直接广泛应用于钛合金、高温合金、钢铁材料、铝合金、铜合金等几乎所有金属材料的表面改性，能大幅度提高金属零件的耐磨、耐蚀、抗氧化等表面性能；激光束能量集中、热影响区极小，激光熔覆处理对金属零件的热损伤小、热变形小。

但是，覆层裂纹、气孔等质量问题一直是阻碍该技术进一步广泛应用的难点。裂纹主要与激光参数、工艺处理条件、覆层材料、基体状况等有关。裂纹的产生原因主要是由于熔覆材料与基体材料在物理性能方面存在差异，加之高能密度激光束的快速加热和基体的激冷作用，使覆层中产生极大的热应力。当局部拉应力超过涂层材料的强度极限时，就会产生裂纹。由于覆层的枝晶界、气孔、夹杂处强度较低且易于产生应力集中，因此，裂纹往往在这些部位产生。特别是多道搭接激光熔覆时，由于残余应力的相互叠加，覆层开裂倾向更大。气孔也是激光覆层中经常出现的缺陷。一方面，由于在激光快速熔凝的条件下，熔池中的气体来不及逸出；另一方面，由于激光熔池存在的时间极短，脱氧造渣过程不充分，熔体中有氧或氧化物残留，碳与氧反应生成CO或CO₂气体。对于非自熔性合金，由于没有硼、硅元素的脱氧造渣，覆层中更易形成气孔。特别是新一代大功率的宽带激光器在熔覆技术上的应用，还不能很好地解决开裂、气孔和夹杂。

可见，采用激光熔覆技术可以获得热影响区小、组织细密，稀释率低并且界面结合牢固的冶金金属覆层，在材料制备、增材制造和零部件再制造修复等工业生产领域的应用越来越广泛。因此，对覆层质量进行有效的无损表征和评价，是优化激光熔覆工艺，不断促进激光熔覆技术的应用推广的关键。

超声检测(Ultrasonic Testing，缩写为UT)是指使超声波与工件相互作用，就反射、透射、散射和衍射波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。

超声检测系统主要包括：超声波检测仪、探头、耦合剂、试块和辅助器材等。

作为超声检测系统的重要组成部分，试块包括标准试块和对比试块。

标准试块是指具有规定的化学成分、表面粗糙度、热处理及几何形状的材料块，用于评定和校准超声检测设备，即用于仪器探头系统性能校准的试块。例如20号优质碳素结构钢制CSK—IA、DZ—I和DZ—P等试块。

对比试块是指与被检件或材料的化学成分相似，含有意义明确参考反射体(反射体应采用机加工方式制作)的试块，用以调节超声检测设备的幅度和声程，以将所检出的缺陷信号与已知反射体所产生的信号相比较，即用于检测标准的试块。例如CS—1、CS—2、CS—3、CS—4、RB—1、RB—2、RB—3等试块。

技术实现要素：

本实用新型的目的提供一系列专用试块，为建立全套的激光覆层超声无损评价系统提供了必要的硬件支持，以解决激光覆层质量评价标准缺失的问题。

为此，本实用新型的技术方案如下：

一种激光覆层质量超声无损评价专用试块，包括长方形的试块本体和设置在该试块本体内的多个人工反射体，所述试块本体由位于上部的基层和位于下部的覆层组成，所述人工反射体的形状为平面形、平底孔形和贯通孔形中的任意一种或几种，

当采用平面形人工反射体时，所述平面形人工反射体在试块本体两端的基层和覆层结合面处各设置一个，两个平面形人工反射体的宽度与试块本体的宽度相同，长度不同；

当采用平底孔形人工反射体时，所述平底孔形人工反射体在试块本体上设置孔径相同的两组，两组平底孔形人工反射体分别自基层和覆层表面向试块本体内垂直延伸，每组的多个平底孔形人工反射体间隔设置且向试块本体内垂直延伸的深度不同。

当采用贯通孔形人工反射体时，所述贯通孔形人工反射体在试块本体内在长度方向上设置多组，各组的孔径不同，每组由间隔设置、孔径相同的多个贯通孔组成，且所述多个贯通孔垂直于试块本体的侧面并位于覆层与基层结合面处或近结合面处。

优选的是，所述两个平面形人工反射体的长度分别为5mm和20mm。

优选的是，每组平底孔形人工反射体由3个平底孔组成，所述3个平底孔的底部位置分别为距离基层和覆层的结合面1mm、位于基层和覆层的结合面上和越过基层和覆层的结合面1mm。

更优选的是，各平底孔的孔径均为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm或3mm，各平底孔之间的距离均为25mm。

优选的是，上述平底孔在所述试块本体的长度方向沿中线间隔设置。

上述试块本体的尺寸为200mm*20mm*13mm，所述覆层的厚度为3mm。

在本实用新型的一个实施例中，所述贯通孔形人工反射体在试块本体上设置有3组，每组的孔径分别为0.5mm、1mm和2mm,各孔之间的间距均为25mm。在本实用新型的另一个实施例中，所述贯通孔形人工反射体在试块本体上设置有3组，每组的孔径分别为1.5mm、2mm和3mm,各孔之间的间距均为25mm。在这两个实施例中，所述每组均由3个贯通孔形人工反射体组成，所述3个贯通孔形人工反射体分别位于基层内距离结合面1mm处、结合面处和覆层内距离结合面1mm处。

上述设有贯通孔形人工反射体的试块本体的尺寸为250mm*20mm*13mm，所述覆层的厚度为3mm。

本实用新型的激光覆层超声无损评价专用试块有益效果如下：

(1)通过平面形人工反射体检测覆层裂纹类缺陷和覆层与基层大面积分层类缺陷。

(2)通过平底孔形人工反射体可检测覆层与基材分层、未熔类缺陷。由于设置了不同深度的平底孔形人工反射体，因此可对缺陷埋深进行定量分析。

(3)通过贯通孔形人工反射体，可检测覆层裂纹类缺陷；由于在覆层与基层结合面处或近结合面处设有多组孔径不同的贯通孔，通过相同孔径、不同埋深的贯通孔形人工反射体可对缺陷埋深进行定量分析。

附图说明

图1a-1c是本实用新型中3种人工反射体的截面形状示意图；

图2a是本实用新型一个实施例的试块的主视剖面示意图；

图2b是图2a所示试块的俯视透视图；

图3a是本实用新型另一实施例的试块的主视示意图；

图3b是图3a所示试块中人工反射体所在位置处的剖面结构示意图；

图4是图2a、2b所示实施例的专用试块的使用方法示意图；

图5是图3a、3b所示实施例的专用试块的使用方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的激光覆层超声无损评价专用试块的结构进行详细说明。

在本实用新型中，根据激光覆层超声检测的特点，将试块的人工反射体的形状设置为平面形、平底孔形和贯通孔形，共3种。3种人工反射体的截面形状如图1a-1c所示。

为了与现有的试块相区别，将本实用新型中的激光覆层超声无损评价专用试块(Laser Cladding Reference Block，以下简称“试块”)的系列编号设为LRB—*，其中“*”代表系列号。

试块的基层材质、覆层材质均应与被检对象相同或相近，在以下的实施例中，试块基层材质为20号钢，试块覆层材质为Fe314。

覆层采用激光熔覆技术加工，人工反射体采用机加工方式制作。具体为，平面形人工反射体采用线切割工艺制备；平底孔形人工反射体采用电火花加工制备；贯通孔形人工反射体采用电火花或切削加工制备。

本实施例中的专用试块共分两个系列，即LRB—I系列和LRB—II系列。其中LRB—I系列试块有5个型号，LRB—II系列试块有2个型号，7个型号试块的尺寸和孔径见表1。

表1LRB系列试块尺寸单位：mm

图2a、2b所示为表1中LRB—I—4型试块的结构示意图，该系列其他型号试块可参照图2制作。图3a、3b所示为表1中LRB—II—1型试块的结构示意图，该系列其他型号试块可参照图3制作。

参见图2a、2b所示的专用试块，图中，试块本体的尺寸为200mm*20mm*13mm，覆层的厚度为3mm，基层厚度为10mm；平面形人工反射体在试块本体两端的基层和覆层结合面处各设置一个，两个平面形人工反射体的宽度与试块本体的宽度相同，长度不同。在图中所示的实施例中，一个平面形人工反射体的长度为5mm,另一个长度为20mm。

上述试块上还设置有两组平底孔形人工反射体，这两组人工反射体在试块本体的长度方向沿中线间隔设置，且孔径相同，其中一组自基层的表面向试块本体内垂直延伸，一组自覆层的表面向试块本体内垂直延伸。每组有3个平底孔形人工反射体，3个平底孔的底部位置分别为距离基层和覆层的结合面1mm、位于基层和覆层的结合面上和越过基层和覆层的结合面1mm。各平底孔之间的距离均为25mm，图中所示平底孔的孔径是2mm。

参见图3a、3b所示的专用试块，图中，试块本体的尺寸为250mm*20mm*13mm，覆层的厚度为3mm，基层厚度为10mm。在图中所示专用试块本体上共设置有3组贯通孔形人工反射体，每组贯通孔形人工反射体的孔径分别为0.5mm、1mm和1.5mm,各孔之间的间距均为25mm。每组贯通孔由间隔设置、孔径相同的3个贯通孔组成，且所述3个贯通孔垂直于试块本体的侧面并分别位于基层内距离结合面1mm处、结合面处和覆层内距离结合面1mm处。

下面结合实施例中的专用试块对其用途和使用方法进行说明。

1.LRB—I型试块的主要用途和使用说明

该型试块主要设置有平面形和平底孔形人工反射体，用于检测基层(基材)与覆层界面处的缺陷，可当量评价分层、裂纹或孔洞类缺陷。参见图4，其使用方法如下：

(1)探头置于激光覆层侧1所示位置，检测覆层裂纹类缺陷；

(2)被检对象不能在覆层侧实施检测时，可在基材侧2所示位置，检测覆层裂纹类缺陷；

(3)探头置于覆层侧3所示位置，检测覆层与基材分层、未熔类缺陷；

(4)被检对象不能在覆层侧实施检测时，可在基材侧4所示位置，检测覆层与基材分层、未熔类缺陷；

(5)探头置于覆层侧5所示位置，检测覆层与基层大面积分层类缺陷；

(6)被检对象不能在覆层侧实施检测时，可在基层侧6所示位置，检测覆层与基层大面积分层缺陷；

该试块其他4处人工反射体功能和使用方法同上。其他型号平底孔形人工反射体的功能和使用方法，可参照图中3或4位置进行检测；

由于该试块制作了不同深度的平底孔人工反射体，因此可对缺陷埋深进行定量分析；

当覆层与基层声速、声阻抗、声衰减等特性差异较大时，应对在同一介质中(基层或覆层)传播的超声波声路进行分析，且以实测为准。

2.LRB—II型试块的主要用途和使用说明

该型试块主要设置有贯通孔形人工反射体，用于检测基层(基材)与覆层界面处或覆层内部的缺陷，可当量评价分层、裂纹或孔洞类缺陷。参见图4，其使用方法如下：

(1)探头置于激光覆层侧1所示人工反射体正上方位置，检测覆层裂纹类缺陷；

(2)被检对象不能在覆层侧实施检测时，可在基层侧2所示位置，检测覆层裂纹类缺陷；

(3)其他8处人工反射体功能和使用方法同上；

上述试块，在覆层与基层结合面处或近结合面处，有三组孔径不同的贯通孔，可对缺陷进行定量分析。另外，通过相同孔径、不同埋深的贯通孔形人工反射体可对缺陷埋深进行定量分析。

当覆层与基层声速、声阻抗、声衰减等特性差异较大时，应对在同一介质中(基层或覆层)传播的超声波声路进行分析，且以实测为准。