【行业动态】早期腐蚀损伤无所遁形

  来自杨百翰大学的一个研究团队认为光谱法（也被称为二次谐波发生）可被用于探测金属或其他材料中存在的内部损伤迹象。

  但此项研究目前尚处于初步阶段，该研究团队认为根据其研究发现二次谐波发生法（通过使用绿色激光来发现损伤处）较传统的无损检测法能更早地检测到损伤迹象，同时其拥有易于携带和价格更廉价的优点。根据不同的表面条件和位错密度，二次谐波发生法将部分激光转换为紫外线，同时紫外线能被金属弹回，该转换能帮助确定受高应力影响的表面区域。

  杨百翰大学的学生助理研究员Scott Smith提到“商业无损检测法中使用的成像形式通常十分依赖于技术人员来解释图像结果或寻找微裂缝。这些缝隙是由于在一段时间内受应力影响而形成的。这种缝隙也可能以孔洞的形式出现，这些小孔是材质发生严重损伤失效前的最后预警。因此目前如x光成像或磁粉探伤等方法只能告诉你材质在发生严重损伤失效前是否有可能遭受损伤。而通过采用我们的方式，我们能在损伤发生前很久就注意到这些变化。”

  无损检测之外的其他方法也一直被用于预测各种材料的失效情况。但非无损检测法一般是等材料在某种条件下（如与低温接触或遭受反复弯曲）发生失效后对材料进行检测。

  Smith还说道“工程师会对建筑材料进行测试并确定其预期寿命。但在确定不同材料的预期寿命前，他们需要对材料进行许多次破坏性试验。当然，我们希望能在不破坏材料的情况下来对其进行测试，这样我们就能继续使用这些材料。”

  绿色激光

  二次谐波发生法的第一步是将绿色激光照射在金属样品上，金属能将部分激光转换为紫外线，紫外线会被金属所反弹。

  领导该研究的杨百翰大学教授JamesE. Patterson说“被转换激光的数量取决于金属的特性，若这些特性已被某些应力所改变，我们能在被转换的紫外线中检测到。”

  具体来讲，被转换为紫外线的绿色激光数量受金属表面情况的影响，尤其受位错密度的影响。由于位错在应力下会进行移动，因此该研究团队能够确定受到高应力影响的表面区域。

  Smith提到“这些微裂缝与位错密度的增加存在关联，这些位错在材料晶格中具有不规则性。在应力施加后，它们会朝着表面进行移动。该检测程序中会使用到一根标准的光电倍增管。在光子进入后，我们就可以建立起一个反馈环路，其将通过一部标准示波器来运行。”

  总的来说，该研究团队认为该探测系统体积足够小，能够被随身携带并在实地中使用。

  另一名参与该研究的杨百翰大学学生Alex Farnsworth说“我们需要足够强的激光，但激光在当今具有十足的压缩性。”

  Farnsworth提到其团队使用的激光高度一般约为508毫米，但这个尺寸仍大于研究人员所需要的尺寸。他解释说道“但你若想把它变为技术人员能够携带的移动设备，这简直是轻而易举。”

  目前为止，已进行过的试验已显示该检测方式能成功区分目前尚为完好无损的金属部件和已受到不可逆损伤并需要修复的金属部件。

  行业应用

  海洋和航天工业可能成为该检测方法的直接受益者。该研究团队目前也正在探究该检测方法在美国海军中的实际应用（美国海军为其提供部分研究经费）。例如，用于美海军军舰的铝镁合金常常会在其经历从最初α相到β相的过渡期期间遭受腐蚀影响。若材料能快速冷却（由于美海军舰船与水接触），β相的过度就能发生。

  Farnsworth 解释道，镁将会在晶格中移动并聚集在晶界上。此类聚集现象将使铝的局部类型变为β相。β相有不同的电化电势，对于α相作为阳极，使其更容易发生腐蚀。此外。该β相能使总体结构脆性更强。

  Patterson说“一些故事会这样讲述——有人沿着金属板行走，踩错了地方，接着一大块区域就发生了塌陷。孔洞也会在墙上形成，一旦有可见的孔洞形成，想要弥补已发生的损伤就为时已晚了。”

  而美海军已发明了可控制该腐蚀的方法，如可在早期探测腐蚀的激光法之类的方法都可在腐蚀变得无法控制之前对腐蚀进行控制。

  Farnsworth说道“我们知道腐蚀会发生，也知道该如何控制腐蚀，但我们一直缺少一种能在不破坏样本或不用切除部分样本的情况下有效探测腐蚀的方法。而绿激光系统则为我们解决了这个问题。”

  Patterson说“原则上，我们可以使用探测棒和其他光纤来探测船体区域中存在的隐形损伤。”

  此外，由于二次谐波发生法的探测结果更为精确，我们可以通过它来确定某一部件是否真的已经被完全损耗或其还有额外的使用寿命。这样一来，我们就避免了不必要替换件的资源浪费。例如说，飞机部件经常性会在被使用一段时间后对其进行替换来避免失效情况的发生。而替换时间频率取决于同种部件的平均性能而不是单个部件的实际情况。

   后续工作

  该研究团队表示他们对其研究的初步结果表示满意，但他们需要进行更多试运行来为该探测法建立统计数据。但该激光探测法具有的极强敏感性也为其探测目的造成了麻烦，原因是激光探测法能够探测到除位错以外因素引起的表面变化。因此，该研究团队面对的当务之急是提高信号变化和其精确物理成因之间的关联性。

  Smith说“二次谐波发生产生的信号中包含许多变量，而噪声因素给我们造成了很大的麻烦。而这背后的原因就是该探测法实在是太敏感了。由于试运行时间太短和噪声因素，我们无法获得统计显著性。”

  基于该设备具有轻便可携带的特点，研究人员相信他们能对大量样本进行检测以最终对此设备进行优化同时滤除统计噪声。此外，该系统具有的多功能性能提供多项优势，如其具有的极高敏感性能用于探测包括碳素纤维和工业钢在内的复合材料。Smith认为该探测法在许多应用上都具有巨大的前景。

  该研究目前由杨百翰大学和美国海军研究办公室共同提供资金资助。其最初的研究结果于本年年初在美国化学学会会议上被公布。