郭佩文，盧 超，何方成，史亦韋，梁 菁，唐思熠

(1.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

0 引言

激光直接沉積技術(shù)是基于激光熔覆技術(shù)發(fā)展起來的先進(jìn)增材制造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)金屬材料逐層沉積，進(jìn)而產(chǎn)生出具有任意形狀的金屬零件，近年來在航空航天、汽車生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。與選擇性激光燒結(jié)等增材制造技術(shù)不同，激光直接沉積技術(shù)經(jīng)常作為在現(xiàn)有零件上制備出其他材質(zhì)零件的方法[3-4]。因此，原有零件與增材制造零件之間的界面可能成為制備后整體零件的薄弱環(huán)節(jié)[5-6]。對于航空航天用的關(guān)鍵或重要零件，需要對其界面進(jìn)行無損檢測，以保證零件的整體質(zhì)量[7-8]。

超聲檢測是檢測連接界面的最常用方法[9-10]，但是，超聲檢測的依據(jù)是材料內(nèi)缺陷產(chǎn)生的回波，而激光直接沉積產(chǎn)生的界面即使沒有缺陷同樣可能產(chǎn)生超聲回波，干擾檢測[11-13]。通過對鎳基雙合金整體葉盤中FGH96粉末高溫合金盤體及激光直接沉積制造的K441高溫合金葉片之間界面超聲回波的研究，結(jié)合力學(xué)性能及晶粒取向的電子背散射衍射(Electron Backscattered Diffraction，EBSD)測試，分析界面回波與力學(xué)性能之間的關(guān)系，并從晶粒取向的角度解釋回波信號變化的原因。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 激光直接沉積試樣制備

利用激光直接沉積技術(shù)在一塊FGH96粉末高溫合金上制備出K441高溫合金。試樣長、寬均為40 mm，沉積方向?yàn)楦叨确较颍現(xiàn)GH96粉末高溫合金高度為32 mm，沉積的K441高溫合金高度也為32 mm，試樣總高度64 mm，F(xiàn)GH96粉末高溫合金/K441高溫合金界面處于試樣高度中心位置，如圖1所示。

圖1 激光直接沉積制造的FGH96粉末高溫合金/K441高溫合金試樣 Fig.1 FGH96 powder metallurgy superalloy/K441 alloy sample manufactured by laser direct deposition

1.2 試驗(yàn)方法

采用5 MHz水浸平探頭，水距25 mm，從FGH96粉末高溫合金一側(cè)入射，按照φ1.2 mm平底孔調(diào)整檢測靈敏度后進(jìn)行掃查。然后沿沉積方向取拉伸試樣，取樣位置如圖2所示，該取樣位置圖與本研究中C掃描圖的方向一致。

圖2 取樣位置Fig.2 Sampling location

取得的試樣如圖3所示，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫單向拉伸，測量其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、伸長率和斷面收縮率。

圖3 不同位置取得的拉伸試樣Fig.3 Tensile specimens taken from different position

在斷裂后的試樣上K441高溫合金一側(cè)取樣，采用SiO2懸濁拋光液進(jìn)行拋光，不經(jīng)電解腐蝕直接利用EBSD測量其取向分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 界面超聲回波

FGH96粉末高溫合金/K441高溫合金界面的超聲回波C掃描結(jié)果如圖4所示?？梢钥吹?，界面上存在一個非常明顯的面積型缺陷。同時，除該缺陷外，不同位置的界面回波呈現(xiàn)出明顯變化，最低回波和最高回波位置的A掃描信號如圖5所示?？梢钥吹?，在大范圍缺陷外，界面回波高度由滿屏幕的25%變化到80%，最大相差約10 dB。其中最高回波所對應(yīng)的缺陷超過了1.2 mm平底孔當(dāng)量，按照常規(guī)超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)，該位置有較大可能存在一個超過1.2 mm的缺陷。

圖4 界面回波C掃描圖Fig.4 C-scan of interface reflection

圖5 界面C掃描圖中除大缺陷外的最低和最高回波信號 Fig.5 Maximum and minimum echo singles in interface C-scan beside the big defect

2.2 力學(xué)性能測試結(jié)果

圖3所示的拉伸試樣中，2號、3號試樣取自大面積缺陷位置，其中3號試樣在制樣過程中直接斷裂，2號試樣雖未斷裂，但界面可見圖6所示的明顯裂紋。

各試樣的室溫拉伸性能如表1所示。其中，2

號試樣在低應(yīng)力下直接脆斷，其余試樣的各項(xiàng)指標(biāo)均具有較好的穩(wěn)定性。

圖6 界面有明顯裂紋的拉伸試樣Fig.6 Tensile specimen with obvious crack表1 室溫拉伸性能Table 1 Tensile properties at room temperature

SpecimennumberYieldstrength/MPaTensilestrength/MPaElasticmodulus/GPaElongation/%Sectionshrinkage/%192011332125.511.623650.36.53492711482144.710.3592011132103.513.4691211152074.310.4794012852158.013.5893312362146.913.5993911412143.811.01092911862135.913.51193711992146.210.41292111652094.411.6

除2、3號試樣外，10個試樣室溫拉伸各項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。由表2可見，各試樣拉伸性能指標(biāo)差異不大，特別是屈服強(qiáng)度的離散系數(shù)僅為0.01，可以認(rèn)為各試樣的拉伸性能一致。

表2 室溫拉伸性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical analysis of tensile properties at room temperature

2.3 斷口分析結(jié)果

圖7為所有試樣中兩類典型的斷口照片。圖7a是帶有裂紋的試樣斷口，其余試樣斷口均為圖7b的形式。

圖7 拉伸試樣的兩種典型斷口Fig.7 Two typical fractures of tensile specimen

從斷口可以明顯看到，帶有裂紋試樣的斷口起伏小，斷口呈現(xiàn)帶狀，保留了激光直接沉積時的沉積路徑，這是由于該處在沉積時未充分熔合所致。其余試樣均呈現(xiàn)典型的塑性斷口，斷口起伏較大，斷裂形式基本一致。

雖然試樣取自超聲檢測時不同回波高度的位置，回波高度變化范圍可達(dá)10 dB，但各試樣的拉伸性能基本一致。這說明，界面回波高度的變化與室溫拉伸性能無明顯對應(yīng)關(guān)系，界面上不應(yīng)存在明顯缺陷;因此，超聲C掃描圖上除了大面積缺陷外，其余位置的回波應(yīng)為偽顯示。

2.4 晶粒取向檢測結(jié)果

EBSD檢測顯示的垂直于超聲傳播方向平面中K441高溫合金晶粒取向分布如圖8所示?？梢钥吹剑琄441高溫合金的晶粒取向不隨機(jī)，一些區(qū)域的晶粒取向基本一致，這些區(qū)域可以長達(dá)幾mm，寬度也能達(dá)到mm級。這已經(jīng)與超聲聲束直徑接近?？紤]到單晶的聲各向異性，界面回波的變化可能是由于晶粒取向不同所造成的。

圖8 K441高溫合金的晶粒取向分布Fig.8 Grain orientation distribution of K441 alloy

2.5 單晶取向差異造成反射回波變化的理論分析

界面對超聲波的反射率由界面兩側(cè)材料的聲阻抗共同決定，如式(1)所示。聲阻抗是密度與聲速的乘積。FGH96粉末高溫合金/K441高溫合金界面兩側(cè)材料的密度均不隨位置發(fā)生變化，并且，F(xiàn)GH96粉末高溫合金晶粒細(xì)小，超聲傳播路徑上經(jīng)過大量的晶粒，超聲在其中的傳播速度不會因位置改變而發(fā)生變化，因此其聲阻抗不隨位置變化。而K441高溫合金屬于粗晶粒材料，晶粒尺寸可達(dá)1～3 mm，與聲束直徑相近，當(dāng)超聲由FGH96粉末高溫合金一側(cè)入射時，可能只有幾個甚至一個K441高溫合金的晶粒產(chǎn)生反射，而界面附近K441高溫合金的晶粒存在各種取向，沿不同取向傳播時，超聲速度的差異可能是造成其聲阻抗變化的原因，從而引起不同位置界面回波高度的變化。

(1)

其中：Zi=ρici，R為超聲反射率，Z為聲阻抗，ρ為密度，c為聲速。

2.6 K441高溫合金單晶不同取向聲速差異的理論計(jì)算

單晶不同方向傳播的超聲速度可以由Christoffel方程決定。

(Γim-ρc2δim)um=0

(2)

其中：Γim是聲張量，Γim=Ciklmnknl；um是表征超聲傳播方向的方向向量。該方程若有解，其系數(shù)行列式應(yīng)為0，展開如下：

(3)

其中：

2C15nxnz+2C16nxny

2C46nxnz+2C26nxny

2C55nxnz+2C45nxny

(C46+C25)nynz+(C14+C56)nxnz+

(C12+C66)nxny

(C45+C36)nynz+(C15+C55)nxnz+

(C14+C56)nxny

(C44+C23)nynz+(C36+C45)nxnz+

(C25+C46)nxny

式中，nx，ny，nz是um的3個分量，Cij為單晶剛度矩陣。

K441高溫合金的剛度矩陣可近似采用純鎳的剛度矩陣表示如下[14]：

由此可計(jì)算出K441高溫合金單晶慢度面如圖9所示。

圖9 K441高溫合金單晶的縱波慢度面 Fig.9 Slowness surface of longitudinal wave in K441 alloy single crystal

由于試驗(yàn)采用縱波，因此僅考慮K441高溫合金的縱波慢度面，可以看到，其具有較高的對稱性。采用任一坐標(biāo)平面與慢度面相截獲得的慢度曲線可完全表達(dá)慢度面所涵蓋的信息(圖10)。

圖10 K441高溫合金單晶的慢度曲線Fig.10 Slowness curve of K441 alloy single crystal

從圖10中可以看到，超聲縱波在K441高溫合金單晶中傳播時，沿<101>方向速度最快，沿<100>方向速度最慢，最大、最小速度可由式(4)計(jì)算。代入彈性常數(shù)后可得：Vmax=6 377 m/s，Vmin=5 565 m/s。

(4)

2.7 反射波高的理論范圍

根據(jù)手冊，取K441高溫合金的密度8 800kg/m3，F(xiàn)GH96粉末高溫合金的密度8 330kg/m3，F(xiàn)GH96粉末高溫合金的聲速取6 300m/s，則

R最小=(ZFGH96-ZK441最大)/

(ZFGH96+ZK441最大)=-3.35%

(5)

R最大=(ZFGH96-ZK441最小)/

(ZFGH96+ZK441最小)=3.46%

(6)

因此，理論上，當(dāng)K441高溫合金的晶粒處于特定取向時，可能使得K441高溫合金和FGH96粉末高溫合金的聲阻抗相等，不會出現(xiàn)回波，但實(shí)際檢測時，即使在回波高度最低的位置，仍會有一定的界面回波(圖5)。這是因?yàn)槁暿睆铰源笥贙441高溫合金的晶粒尺寸，幾個取向略有差異的晶粒同時反射，使得界面回波可能較低但不會為0。同樣，當(dāng)相鄰的幾個K441高溫合金晶粒處于有利于反射的取向時，將造成較高的回波，并不說明界面該位置存在缺陷。

通過回波相位可以識別一部分界面信號和缺陷信號，因?yàn)槿毕莸穆曌杩剐∮贔GH96粉末高溫合金的聲阻抗；而K441高溫合金因取向造成的聲阻抗變化可能高于也可能低于FGH96粉末高溫合金的聲阻抗，所以，高于FGH96粉末高溫合金聲阻抗而造成的反射只能由取向差異造成，未出現(xiàn)相位翻轉(zhuǎn)的回波一定是晶粒取向引起的，但相位翻轉(zhuǎn)的回波尚不能判斷。

3 結(jié)論

1)增材制造的FGH96粉末高溫合金/K441高溫合金界面可能產(chǎn)生φ1.2 mm平底孔當(dāng)量左右的缺陷顯示，室溫拉伸試驗(yàn)證明，該缺陷顯示與室溫拉伸性能之間無明顯相關(guān)性。

2)K441高溫合金晶粒尺寸較大且取向隨機(jī)分布是造成缺陷顯示的主要原因。

3)未出現(xiàn)相位翻轉(zhuǎn)的FGH96粉末高溫合金/K441高溫合金界面處的回波一定是由母材聲阻抗差異引起的，而非缺陷回波，但相位翻轉(zhuǎn)的信號不能確定。

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