无损检测模拟试块的制备方法及模拟试块

摘要

本发明提供了一种无损检测模拟试块的制备方法及模拟试块，方法包括：热压步骤：将一个试块的待连接表面与另一试块的待连接表面设置为彼此接触，在0.5～0.8T的温度和预定压力下对两个试块进行热压，并设定保温时间为40～100min，其中T为试块的熔点；一个试块的待连接表面与另一试块的待连接表面中的至少一者形成有模拟缺陷；预定压力与温度和保温时间相适配。本发明提供的方法可通过制备工艺参数的控制(温度、保温时间和压力)可以较好的控制试块及试块内部的变形，避免了现有技术中试块及内部缺陷的变形而导致模拟试块的质量降低的情况出现。

说明书

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其是涉及一种无损检测模拟试块的制备方法及模拟试块。

背景技术

模拟试块是含有模拟缺陷的试块。模拟缺陷例如可以为人工制备，通常根据实际缺陷的具体情况制备模拟缺陷，从而使模拟缺陷能够再现人工缺陷信息。

模拟试块由于具有真实缺陷的重要特征，可以再现无损检测对象(样品)的真实检测工况，例如在人员资格考核与评定、实验室间比对/能力验证、模拟检测工况等方面有着重要的实际应用意义。

例如可以将模拟试块应用在热压扩散连接中：在一定的压力与温度下，将两个工件的两个待焊接表面相互接触，通过微观塑性变形使焊接件紧密接触，界面处原子在一定时间内发生相互扩散，形成整体接头。扩散连接形成的接头区无铸造组织、脆性区、裂纹区等缺陷。

然而，现有技术中对于热压扩散连接中模拟试块的实际情况的考量并不全面，这导致连接在一起的模拟试块所包括的模拟缺陷常受到不良影响。

发明内容

有鉴于此，本发明一种无损检测模拟试块的制备方法及模拟试块，目的在于，解决以上技术问题。

第一方面，本发明提供一种无损检测模拟试块的制备方法，所述方法包括：

热压步骤：将一个试块的待连接表面与另一试块的待连接表面设置为彼此接触，在0.5～0.8T的温度和预定压力下对两个所述试块进行热压，并设定保温时间为40～100min，其中T为所述试块的熔点；

所述一个试块的待连接表面与所述另一试块的待连接表面中的至少一者形成有模拟缺陷；

所述预定压力与所述温度和所述保温时间相适配。

优选地，在所述热压步骤中，所述温度、所述压力和所述保温时间由以下方式获得：

获取所述温度、所述压力和所述保温时间三者的初步理论试验参数，按照所述初步理论试验参数进行试验并获得试验结果，根据所述试验结果对试验进行调整，再进行试验，直至获得最佳试验参数；或者通过正交试验获得最佳试验参数；

所述压力为5～60Mpa。

优选地，所述方法还包括在所述热压步骤前执行的缺陷制备步骤，所述缺陷制备步骤包括：

依据所述压力、所述模拟缺陷与形成有所述模拟缺陷的待连接表面的预定的相对位置关系，确定所述模拟缺陷的方位；

进行所述模拟缺陷的制备，所述模拟缺陷包括空腔类缺陷、夹杂类缺陷、裂纹类缺陷以及气孔、疏松类缺陷中的一者或多者。

优选地，在所述缺陷制备步骤中：

所述空腔类缺陷包括经由机加工形成的异形槽；

所述夹杂类缺陷包括所述异形槽以及夹杂于所述异形槽内的夹杂物；

所述裂纹类缺陷包括经由刻蚀加工形成的裂纹；

所述气孔、疏松类缺陷包括所述异形槽以及填充于所述异形槽的金属粉末和造孔剂。

优选地，所述夹杂类缺陷、所述裂纹类缺陷以及所述气孔、疏松类缺陷三者均包括所述空腔类缺陷以及置于所述异形槽的获取自自然缺陷试块的缺陷部分。

优选地，所述方法还包括在所述缺陷制备步骤前执行的表面处理步骤，所述表面处理步骤包括：

将所述待连接表面加工至表面粗糙度Ra小于0.5μm，平行度小于或者等于0.3°。

优选地，所述方法还包括在所述表面处理步骤前执行的材料选择步骤，所述材料选择步骤包括：

根据金属材料的声学特性、物理特性和金属材料的应用，选择经过无损探伤的金属原材料作为形成所述试块的基体的材料。

优选地，所述表面处理步骤还包括：

通过机加工获取所述表面粗糙度和所述平行度；

在所述基体的表面存在氧化膜的情况下，在所述机加工后，对所述基体进行化学表面处理，以去除所述氧化膜。

优选地，所述热压步骤中，所述压力以以下方式施加：

压头对两个所述试块中的第一者完全接触后，所述压头向着两个所述试块中的第二者的所在的方向进行1mm位移后停止。

第二方面，本发明提供一种模拟试块，所述模拟试块是由如上所述的无损检测模拟试块的制备方法所制备的。

本发明提供的方法可通过制备工艺参数的控制(温度、保温时间和压力)可以较好的控制试块及试块内部的变形，避免了现有技术中试块及内部缺陷的变形而导致模拟试块的质量降低的情况出现。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了无缺陷试块的轴测图的示意图；

图2示出了第一缺陷试块的轴测图的示意图；

图3示出了金属夹杂物的轴测图的示意图；

图4示出了第二缺陷试块与无缺陷试块的装配图的爆炸图的示意图；

图5示出了第三缺陷试块与无缺陷试块的装配图的透视情况下的示意图；

图6为无缺陷试块与第一缺陷试块进行热压步骤的示意图。

附图标记：

100-无缺陷试块；110-第一上表面；120-第一下表面；

200-第一缺陷试块；210-异形槽；220-第二上表面；230-第二下表面；

300-第二缺陷试块；310-气孔、疏松类缺陷；320-第三上表面；330-第三下表面；

400-第三缺陷试块；410-裂纹；420-第四上表面；430-第四下表面；

500-金属夹杂物；

600-压头；700-垫块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种无损检测模拟试块的制备方法，以下将结合图1至图6对本方法进行具体说明。

在实施例中，上述无损检测模拟试块的制备方法包括：

热压步骤：将一个试块的待连接表面与另一试块的待连接表面设置为彼此接触，在0.5～0.8T的温度和预定压力下对两个试块进行热压，并设定保温时间为40～100min，其中T为试块的熔点，预定压力与温度和保温时间二者相适配；

一个试块的待连接表面与另一试块的待连接表面中的至少一者形成有模拟缺陷。

这里可以首先参见图6，图6中示意性地给出了上述热压步骤的执行过程。无缺陷试块100和第一缺陷试块200(也可以为其余缺陷试块，这里作为示例)可以均形成为圆柱体形状(可以分别参见图1和图2，在以下的描述中也会具体提及)。图6中，无缺陷试块100可以叠放在第一缺陷试块200的上方，在此基础上，无缺陷试块100的上方设置有压头600。第一缺陷试块200的下方垫设有垫块700，例如垫块700可以由石墨形成。进一步地，垫块700位于下方压头600的上方。热压时，可以是位于上方的压头600下压。

此外，为了防止两个试块在热压扩接的过程中，两个待连接表面之间进入气体而产生高温氧化产物，上述热压过程在真空下进行(例如在133.3*10

在实施例中，温度、压力和保温时间是试块制备工艺参数的三要素，它们的变化对两个试块的连接性能有很大影响，而它们的影响又是共同作用的。在现有技术中，试块在高温和高压的情况下进行扩散连接，通常会发生较为明显的形变，这直接导致了生产的模拟试块的内部缺陷出现变形的问题，因此，模拟缺陷实际上已经“失真”，失去了再现真实缺陷的能力，影响模拟试块的实际使用。

而在本实施例中，热压的温度为0.5～0.8T(T为试块的熔点)，保温时间为40～100min，压力与温度和保温时间二者相适配。如此，能够确保试块在热压步骤中不变形或发生微小变形，这里所说的微小变形是指内部缺陷的变形不影响应用需求。换言之，如果温度和保温时间二者中的至少一者过小或者二者中的至少一者过大，例如温度小于0.5T和/或保温时间小于40min以及温度大于0.8T和/或保温时间大于100min，均可能会导致生产的模拟试块中的模拟缺陷出现较大的变形而影响使用。在实际应用中，温度可以例如取0.55T、0.6T、0.65T、0.7T以及0.75T，保温时间可以例如取50min和60min、70min、80min以及90min。

此外，在实施例中，0.5～0.8T的温度的另一有利之处还在于，该温度的范围还适应于常用的试块材料，因此使得本方法具有良好适用性，至于试块材料，后续的描述中将进行具体说明。进一步地，热压步骤的压力与温度和保温时间二者相适配，正如上面提到的，温度、保温时间和压力三者共同作用，压力与另外二者相适配，能够进一步确保模拟缺陷不出现较大的变形而影响使用。

在实施例中，上述工艺参数温度、保温时间和压力三者可以在对试块进行热压前确定。具体地，温度、压力和保温时间由以下方式获得：获取温度、压力和保温时间三者的初步理论试验参数，按照初步理论试验参数进行试验并获得试验结果，根据试验结果对试验进行调整，再进行试验，直至获得最佳试验参数。具体地，初步理论试验参数可以通过有限元数值模拟确定。前述试验结果中可以着重关注扩散连接界面质量和试块变形程度。因此，对这种方式来说，获得试验参数的过程较为直观。

温度、压力和保温时间还可以由以下方式获得：通过正交试验获得最佳试验参数。正交试验的优势在于，契合三个试验参数的数量，并且工作量较低。

在以上两种方式中，可以获得压力的具体范围，在实施例中，压力可以为5～60Mpa，例如，15Mpa、25Mpa、35Mpa、45Mpa以及55Mpa。因此，热压步骤可以直接依据以上两种方式进行实施。

此外，压力也可以直接以以下方式施加：在压头600与对两个试块中的第一者完全接触后，压头600向着两个试块中的第二者的所在的方向进行1mm位移后停止。此外，温度和保温时间以如上的范围进行设置，这使得热压步骤也可以依据这种方式进行实施。例如，在温度满足0.5～0.8T时，位于上方的压头600在与无缺陷试块100完全接触后，下行位移1mm后停止，并设定保温时间为40～100min。这同样也能满足热压过程中需求，并有利于提高效率。

在执行热压步骤之前还包括顺次执行的材料选择步骤、表面处理步骤和缺陷制备步骤，以下将分别进行说明。

在实施例中，试块的基体的材料形成为金属材料，材料选择步骤包括：根据金属材料的声学特性(例如超声特性)、物理特性和金属材料的应用，选择经过无损探伤的金属原材料作为形成试块的基体的材料。这些被选定的金属原材料可以例如为低碳钢、钛合金、铝合金、高温合金、高速钢、不锈钢和工模具钢等材料。材料选择步骤特别有利于后续缺陷制备步骤中对缺陷的尺寸和位置的设计。

进一步地，本方法还包括如上提及的表面处理步骤，表面处理步骤包括：将待连接表面加工至表面粗糙度Ra小于0.5μm，平行度小于或者等于0.3°。其中，表面粗糙度和平行度可以通过机加工获取。此外，这里所说的粗糙度Ra小于0.5μm是指平行于加工方向和垂直于加工方向的粗糙度。表面处理步骤的意义在于，使试块的待连接表面更适应热压工艺，避免因粗糙度过大而出现连接不良以及因平行度过大而出现模拟试块过大的形变。如图1、图2、图4和图5中示出的各个试块，正如以上所提及的，均形成为圆柱体形状，它们的待连接表面为各自的上、下表面，也就是说，表面处理步骤可以是对这些试块的上、下表面进行上述处理的步骤。

进一步地，如果是无氧化膜的基体，那么以上的表面处理步骤已经足够，但如果基体存在氧化膜，则表面处理步骤还包括：在基体的表面存在氧化膜的情况下，在上述机加工后，对基体进行化学表面处理，以去除氧化膜。以下将列举具有氧化膜的基体的氧化膜去除的三类情况作为示例进行说明。

第一种类别是钢铁类：适用于不锈钢、高温合金等钢铁类氧化膜的去除。具体的步骤为，有机溶剂除油→阳极电解除油(如需)→酸洗→去离子水冲洗→干燥。其中，酸洗配方：氢氟酸(45-60ml/L)、硝酸(50-60ml/L)、硫酸(40-50ml/L)、六次甲基四胺(0.5-1.2g/L)。此外酸洗：室温下1-3min。

第二种类别是钛合金类，具体的步骤为，有机溶剂除油→电化学除油(如需)→酸洗→去离子水冲洗→干燥。酸洗配方：40％氢氟酸(100ml/L)、硝酸(100ml/L)。此外，酸洗：室温下30-60s。

第三种类别是铝合金类，具体步骤为，有机溶剂除油→碱洗→出光→去离子水冲洗→干燥。其中，碱洗配方：氢氧化钠(30-50g/L)，碱洗：室温下5-10s，出光配方：硝酸210-350ml/L。

此外，还需要说明的是，以上去除氧化膜的工艺过程可以仅针对试块的上、下表面(即待连接表面)实施，也可以针对试块的全部表面实施。

在此基础上，以下将进一步描述缺陷制备步骤。缺陷制备步骤包括：依据压力(即试块所承受的轴向压力)、模拟缺陷与形成有模拟缺陷的待连接表面的预定的相对位置关系，确定模拟缺陷的方位；进行模拟缺陷的制备，模拟缺陷包括空腔类缺陷、夹杂类缺陷、裂纹类缺陷以及气孔、疏松类缺陷310中的一者或多者。

具体地，作为一种示例，以下所列举的缺陷试块均只具有一种上述类型的缺陷，然而仅仅是示例，正如以上所提及的，一个试块可以具有多种模拟缺陷，这可以根据实际情况组合和调整。如图1所示，图1示出了无缺陷试块100的示意图，其包括第一上表面110和第一下表面120，这两个表面均没有缺陷。

进一步参见图2，图2是基于无缺陷试块100制备的第一缺陷试块200，第一缺陷试块200所包括的模拟缺陷为空腔类缺陷。具体地，第一缺陷试块200包括第二上表面220和第二下表面230，空腔类缺陷可以形成于第二上表面220。其中，空腔类缺陷可以形成为经由机加工形成的异形槽210。例如，通过铣削加工预定形状的异形槽210，深度可以为0.5mm。

进一步参见图3，夹杂类缺陷可以包括在上述具有异形槽210的第一缺陷试块200的基础上，在异形槽210内设置如图3所示的夹杂物。具体地，根据异形槽210的尺寸，加工相同形状(例如整体尺寸可以小于异形槽210的整体尺寸0.025mm，以便于装配，同时获得好的夹杂效果)、不同材质并且具有与异形槽210的深度相同厚度的金属夹杂物500。金属夹杂物500例如可以为难熔硬质金属如WC-Co硬质合金(以碳化钨为主要成分的硬质合金)等，此外，夹杂物也可以为非金属材质，例如耐高温硬质非金属，如石墨、碳化硼和碳化硅等。

如图4所示，图4示出了一个模拟试块的爆炸图的示意图，其上方为无缺陷试块100，下方为第二缺陷试块300，第二缺陷试块300包括第三上表面320和第三下表面330，气孔、疏松类缺陷310可以形成于第三上表面320。气孔、疏松类缺陷310可以包括异形槽210以及填充于异形槽210的金属粉末和造孔剂。具体地，根据设计目的需要，采用于试块基体同材质金属粉末及造孔剂(尿素或碳酸氢铵等)，进行混匀并填入第一缺陷试块200的异形槽210，将混匀混合粉末压实至与第三上表面320齐高。金属粉末粒度可以范围10μm～200μm，造孔粒度可以为100～500μm，造孔剂比例范围可以为30％～70％，此外，金属粉末粒度、造孔粒度和造孔剂比例范围可以根据实际孔隙率需要进行调整。

如图5所示，图5示出了又一模拟试块，其上方的无缺陷试块100在图中被示出为几乎透明，从而示出下方的第三缺陷试块400，该第三缺陷试块400包括第四上表面420和第四下表面430，裂纹类缺陷形成于第四上表面420。在实施例中，裂纹类缺陷包括经由刻蚀加工形成的裂纹410。具体地，裂纹缺陷宽度可以小于0.6mm，裂纹缺陷可以采用铜电极火花进行刻蚀加工。

此外，夹杂类缺陷、裂纹类缺陷以及气孔、疏松类缺陷310三者还可以均包括空腔类缺陷以及置于异形槽210的获取自自然缺陷试块的缺陷部分。例如，以夹杂类缺陷为例，其可以在第一缺陷试块200所具有的空腔类缺陷的基础上，将从自然缺陷试块上形成的夹杂类缺陷取下，然后置于空腔类缺陷。这在一定程度上有利于提高制备的效率。

本方法所涉及的试块表面预处理方法能够适用于多种金属材料，本方法尤其提供了钢铁类、钛合金和铝合金类金属材料所适用的表面处理工艺流程及配方，能够较好地解决本方法所涉及的各类合金金属表面氧化膜难以去除的问题，为后续热压制备过程提供界面质量保证。

本方法列出了的四类缺陷加工工艺及步骤，覆盖了常见缺陷种类，相比较现有技术而言，能够自主确定缺陷尺寸、位置及性质种类，而现有技术仅仅是上机械压痕或化学刻蚀产生的缺陷均为空腔类缺陷，无法模拟夹杂或其他类缺陷的存在，且其尺寸、类型与真实缺陷的形状或组成差异较大(尤其是化学刻蚀，因液体的流动性，缺陷的尺寸和形状难以确定)，不能够模拟缺陷存在的真实状况。

本方法可通过制备工艺参数的控制(温度、保温时间和压力)可以较好的控制试块及试块内部的变形，避免了现有技术中试块及内部缺陷的变形而导致模拟试块的质量降低的情况出现。

本发明还提供一种模拟试块，模拟试块是由如上的无损检测模拟试块的制备方法所制备的，在此不再赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是在本发明的创新构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的保护范围内。