激光散射技术在陶瓷构件表面及亚表面缺陷检测中的应用

氮化硅（Si₃N₄）陶瓷凭借其卓越的刚度、抗腐蚀、耐磨损特性以及出色的高温稳定性，已成为接触滚动元件，尤其是高温涡轮轴承等关键零件的核心选材。在这些应用中，最大的工作应力往往集中在深度小于 200 μm 的表面及近表面区域。然而，对这一区域内的小尺寸临界缺陷进行有效的无损检测，却是一个不小的挑战。尽管扫描声学显微镜（SAM）能提供足够的空间分辨率，但在面对曲面或复杂形状的零件时，其在缺陷检测和微观组织各向异性判定方面仍存在局限。正是在这样的背景下，激光散射技术应运而生，为解决这一难题提供了新的思路。

光与陶瓷的深层交互：激光散射的物理基础

当一束光照射到材料表面，即便是经过最高等级抛光的表面，光散射现象也无可避免。这源于材料微观结构上的不连续性，例如晶粒边界处介电常数的细微变化。对于金属材料，由于其对光的强吸收特性，光的穿透深度通常仅为几十纳米。但对于许多Si₃N₄陶瓷而言，情况则大不相同。在可见光谱范围内，根据其第二相组分的不同，光的穿透深度可轻松超过 100 μm。这一特性是激光散射技术得以“看透”陶瓷亚表层的物理基础，使其能够同时获取来自表面和皮下区域的宝贵信息。

解读散射信号：光学傅里叶分析与各向异性探测

当零件内部存在缺陷或结构不完善区域时，其微观结构会表现出各向异性。因此，一个完备的检测方案不仅要能发现缺陷的存在，更关键的是要确定其取向。光学傅里叶分析恰好能满足这一需求，它不仅能揭示各向异性的有无，还能提供表面空间频率分布的精细细节。

该方法的核心在于，使用相干光（如激光）对样品表面进行照明，并对反射的镜面光部分进行准直处理。为了实现这一点，光学系统的配置需根据样品的几何形状进行精确调整：

• 对于平坦表面，入射光束本身必须是经过准直的。
• 对于球面表面，入射光束则需会聚在表面后 r/2 的位置（其中 r 为表面的曲率半径）。

下图展示了一套专为Si₃N₄陶瓷件设计的激光散射试验装置。