鄭雪鵬， 吳 偉

(南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室, 南昌 330063)

GH4169合金環(huán)鍛件是該材料經(jīng)過熱加工制而成的一種冶金產(chǎn)品，再經(jīng)過熱處理和機械加工就可以制造成新型航空和航天發(fā)動機中應(yīng)用的各種關(guān)鍵零件，在發(fā)動機全程服役過程中，不能發(fā)生任何故障。

殘余應(yīng)力對機械制造過程有著重要的影響。例如，零件機械加工過程中出現(xiàn)的零件尺寸變形問題，零件使用時產(chǎn)生的斷裂、應(yīng)力疲勞失效問題，零件焊接時產(chǎn)生的應(yīng)力變形導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生等問題[1]。

目前傳統(tǒng)殘余應(yīng)力的無損檢測方法主要為納米壓痕法、納米壓痕法、磁測法、超聲波法、X射線衍射法、中子衍射法。對比幾種不同的檢測方法[2]，針對工廠檢測的便捷性、高效性、大規(guī)模性、高性價比性的要求，由于GH4169材料對聲速較為敏感的材料特性及超聲檢測檢測方式便捷、檢測不會造成污染、檢測成本較低、檢測效率高、檢測操作簡單等特性。

殘余應(yīng)力的超聲波法檢測是以聲彈性理論為基礎(chǔ)，利用彈性介質(zhì)中聲速或者頻譜的變化與彈性介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力之間理想的線性關(guān)系來進(jìn)行測量[3]。早于1953年，固體中同性材料聲彈性理論就已經(jīng)被提出，美國田納西大學(xué)物理系教授Hughes研究了聲波在固體中傳播時其傳播聲速與所受應(yīng)力的關(guān)系，建立了早期的超聲橫縱波與應(yīng)力大小間的關(guān)系表達(dá)式，奠定了超聲應(yīng)力檢測的理論基礎(chǔ)[4]。隨后，Vangi等[5]開發(fā)了一種基于臨界折射縱波(longitudinal critical refracted wave，LCR波)的聲速測量裝置，實現(xiàn)了LCR波直接應(yīng)力測量。在中國，關(guān)于LCR波應(yīng)力檢測技術(shù)方面的研究也取得了顯著進(jìn)展。李勇攀等[6]研究了鋼試樣中LCR波聲速和應(yīng)力之間的關(guān)系，結(jié)果表明二者之間具有較高的相關(guān)性，實現(xiàn)了鋼試樣中LCR波聲速與應(yīng)力之間關(guān)系的建立。南昌航空大學(xué)的盧超等[7]對LCR波探頭聲束的特性進(jìn)行了邊界元分析與測量，探究了LCR波傳遞時其聲波能量的分布場，為LCR波檢測提供了理論依據(jù)。

1 LCR波應(yīng)力檢測理論

超聲波屬于聲波，屬于機械波的一種。因其方向性好、能量高、穿透力強、能在界面上反射，折射和轉(zhuǎn)換波型等特點在無損檢測方面得到了廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)縱波由壓電效應(yīng)激發(fā)從聲速較慢的介質(zhì)1斜入射到聲速較快的介質(zhì)2中時，由斯涅耳定律可知，折射過程中存在著兩個入射臨界角，在大于或等于第一臨界角入射下，所有縱波將被反射或是轉(zhuǎn)換成界面波(一種較快衰減的爬波)，介質(zhì)2內(nèi)體縱波消失，只存在橫波。當(dāng)入射角接近第一臨界角時，縱波將會在介質(zhì)2表面激發(fā)出縱波場，該縱波場中包含折射縱波和頭波。這兩種波都滿足固體自由表面上傳播的邊界條件，即所有應(yīng)力分量之和為0，且兩種波都以介質(zhì)2中縱波波速傳播。頭波的位移幅度隨傳播距離的增加急劇衰減，而折射縱波的衰減系數(shù)與體波接近，能傳播較遠(yuǎn)距離。該折射縱波即為臨界折射縱波，它沿介質(zhì)2表面方向以縱波速度能傳播較遠(yuǎn)距離[8]。LCR波的聲束示意圖如圖1所示。

圖1 LCR波聲束示意圖Fig.1 LCR wave sound beam schematic

依照非線性聲學(xué)理論，有應(yīng)力的超聲縱波聲速表達(dá)式如式(1)所示[9]：

(1)

式(1)中：C為有應(yīng)力作用超聲波縱波聲速；CL無應(yīng)力作用無限大介質(zhì)超聲波縱波聲速；σ為應(yīng)力(拉應(yīng)力為正號，壓應(yīng)力為負(fù)號)；ρ0為介質(zhì)密度；λ、μ為材料的拉曼常數(shù)；J、m為材料的三階彈性常數(shù)。

根據(jù)聲彈性原理，LCR波沿近表面以縱波特性傳播，當(dāng)物體介質(zhì)均勻且在簡單的方向固定的應(yīng)力加載下時，其聲速與應(yīng)力傳播方向應(yīng)力大小有如下關(guān)系[10]：

(2)

式(2)中：ρ0為零應(yīng)力狀態(tài)下材料的密度；V代表縱波聲速；σ代表施加的單向應(yīng)力的大小(正方向表示拉伸應(yīng)力，負(fù)方向表示壓縮應(yīng)力)；λ和μ表示材料的二階聲彈性系數(shù)；m、n、l表示材料的三階聲彈性系數(shù)。由于λ、μ、m、n、l為材料固有的聲彈性系數(shù)，因此對上述公式可作近似簡化，進(jìn)而可得出LCR波與沿其傳播方向的應(yīng)力關(guān)系為

(3)

式(3)中：Δσ為應(yīng)力變化量；Δv為LCR波聲速的變化量。分析該公式可知，均勻介質(zhì)中LCR波聲速的變化與傳播方向上的應(yīng)力呈近似線性的關(guān)系，當(dāng)介質(zhì)受到拉應(yīng)力作用時，隨著所受拉應(yīng)力的增加，LCR波聲速降低；當(dāng)介質(zhì)受到壓應(yīng)力作用時，隨著所受到壓應(yīng)力的增加，LCR波聲速降低，因此，理論上當(dāng)LCR波在變形GH4169環(huán)鍛件中傳播時聲速增加，即代表其檢測點沿LCR波傳播方向的應(yīng)力減小，而當(dāng)LCR波在變形GH4169環(huán)鍛件中傳播時聲速減小，即意味著其檢測點沿LCR波傳播方向的應(yīng)力增加。

令：

(4)

則可得出：

Δσ=KΔt

(5)

式中：Δt為LCR波傳播時的聲時差變化；T0為無應(yīng)力時LCR波在AB兩點間傳播時所需時間；K為超聲應(yīng)力系數(shù)，當(dāng)介質(zhì)的材料相同，傳播距離固定時，其超聲應(yīng)力系數(shù)K固定，為一常數(shù)。K可通過對材料進(jìn)行超聲應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定試驗計算得出。

而當(dāng)已知材料在固定傳播距離的超聲應(yīng)力系數(shù)K及該材料零應(yīng)力狀態(tài)下的聲速V0，則可通過測量到的測量點兩側(cè)超聲LCR波傳播聲時與零應(yīng)力時相同距離下超聲LCR波傳播聲時之差Δt，進(jìn)而反推出該測量點沿測量方向上的應(yīng)力σ。

2 實驗系統(tǒng)及應(yīng)力聲時系數(shù)測定

2.1 超聲應(yīng)力檢測系統(tǒng)

搭建的LCR波應(yīng)力檢測系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)由超聲LCR波收發(fā)探頭，超聲脈沖發(fā)射和接受儀器，數(shù)據(jù)采集卡及分析計算機組成。

結(jié)合LCR波檢測應(yīng)力的理論基礎(chǔ)，對LCR波試驗系統(tǒng)及探頭進(jìn)行了設(shè)計，通過仿真試驗利用控制變量法對試驗的檢測頻率、折射角度、探頭間距進(jìn)行了優(yōu)選，通過對GH4169實際試樣LCR波進(jìn)行檢測對比試驗，最終確定LCR波入射角為28°、超聲探頭頻率為10 MHz、探頭間距離為10 mm。其LCR波形圖如圖3所示。由于LCR波沿介質(zhì)表面以縱波聲速傳播，因此為第一個收到的波型信號。激發(fā)同步信號與LCR波信號之間的距離為LCR波渡越距離。

圖2 LCR波應(yīng)力檢測系統(tǒng)Fig.2 LCR wave stress detection system

圖3 LCR波波形Fig.3 LCR waveform

2.2 應(yīng)力聲時系數(shù)測定

GH4169環(huán)鍛件應(yīng)力聲時系數(shù)測定系統(tǒng)由已建立的LCR波應(yīng)力檢測系統(tǒng)和拉伸壓縮試驗系統(tǒng)兩部分組成。拉伸壓縮試驗系統(tǒng)所用拉伸壓縮試驗機為WDW—600E微機控制電子式萬能試驗機，其最大試驗力為600 kN。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《金屬力學(xué)性能試驗》(GB/T 24182—2009)，設(shè)計制作材料牌號為GH4169的拉伸試樣[圖4(a)]與壓縮試樣[圖4(b)]。試樣取樣于某型航空發(fā)動機GH4169壓氣機盤原料。其屈服強度約為1 100 MPa，拉伸試樣有效拉伸區(qū)域尺寸為70 mm×20 mm×4 mm，壓縮試樣尺寸為50 mm×25 mm×20 mm。

圖4 GH4169應(yīng)力標(biāo)定試驗試樣Fig.4 GH4169 stress calibration test sample

為避免試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，對拉伸及壓縮試樣進(jìn)行700 ℃，保溫1.5 h，隨爐冷卻的去應(yīng)力退火處理，既保證實現(xiàn)GH4169試樣的去應(yīng)力處理，又保證試樣內(nèi)部組織不受熱處理的影響。

對拉伸試驗拉力與LCR波回波關(guān)系進(jìn)行記錄，從0 N時開始，拉力每增加10 kN時，記錄LCR波回波，直至拉斷。對壓縮試驗壓力值與LCR波回波進(jìn)行對應(yīng)關(guān)系記錄，從0 kN時開始，壓力每增加10 kN時，對LCR波回波進(jìn)行記錄，直至壓力為500 kN時停止記錄。

對采集卡所記錄的LCR波回波聲時參數(shù)取均值，建立拉應(yīng)力、壓應(yīng)力變化量Δσ與聲時差Δt之間的關(guān)系如圖5所示，并分別對二者之間的關(guān)系進(jìn)行擬合。得到拉應(yīng)力與聲時差擬合線性關(guān)系表達(dá)式為Δt=0.04ΔσF+0.002 47，其擬合相關(guān)系數(shù)為0.960 1，得到壓應(yīng)力與聲時差擬合線性關(guān)系表達(dá)式為Δt=-0.039ΔσF+0.002 183，其擬合相關(guān)系數(shù)為0.904 8。

圖5 應(yīng)力-聲時關(guān)系曲線Fig.5 Stress-acoustic relationship curve

由擬合結(jié)果可知，應(yīng)力增加量ΔσP和聲時差Δt之間存在明顯線性關(guān)系。將拉應(yīng)力、壓應(yīng)力聲時相關(guān)系數(shù)分別定義為KF與KP，易得KF與KP的值，兩者極為接近，可得出GH4169超聲應(yīng)力標(biāo)定試驗結(jié)果準(zhǔn)確，對二者取均值，記為

K=25.3 MPa/ns

(6)

即為探頭間距為10 mm時，GH4169環(huán)鍛件的超聲應(yīng)力系數(shù)。結(jié)果表明在GH4169環(huán)鍛件LCR波應(yīng)力檢測時，聲時差每增加1 ns，則存在25.3 MPa的拉應(yīng)力，聲時差每減少1 ns，則存在25.3 MPa的壓應(yīng)力。此結(jié)論可直接用于GH4169環(huán)鍛件超聲應(yīng)力檢測中來判斷其殘余應(yīng)力大小及分布。

3 GH4169環(huán)鍛件殘余應(yīng)力檢測及分析

3.1 仿真模擬分析

試驗均使用變形GH4169制某型航空發(fā)動機壓氣機四級盤，其材料化學(xué)組成成分如表1所示。

該GH4169環(huán)鍛件冶煉方法為真空感應(yīng)熔煉+真空自耗重熔，熱加工工藝過程為加溫—鐓粗—模鍛，如圖6所示。

工藝采用螺旋壓力機鐓粗和模鍛工藝路線，其熱加工參數(shù)如表2所示。

試驗對該GH4169壓氣機四級盤成型過程進(jìn)行模擬，設(shè)定其變形溫度為990 ℃，設(shè)置使用模具溫度為300 ℃。變形速度：10 mm/s。

餅坯與鍛件的熱力參數(shù)分布如圖7所示。餅坯大部分區(qū)域等效應(yīng)變在0.25～0.75之間，溫度在995～1 030 ℃之間。最大等效應(yīng)變和最高溫度位于餅坯心部，最大等效應(yīng)變?yōu)?.9，最高溫度為1 030 ℃。上下端面存在小變形區(qū)，約占厚度的1/2。下端面溫度較低。鼓肚表面等效應(yīng)變在0.4左右，溫度在940 ℃左右。鍛件大部分區(qū)域等效應(yīng)變在1.0～1.6之間，溫度在995～1 020 ℃之間。最大等效應(yīng)變位于心部連皮。最小等效應(yīng)變及最低溫度位于輪轂上端面。應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型如圖8所示。

表1 某型GH4169壓氣機盤化學(xué)成分Table 1 Chemical composition table of a certain type of GH4169 compressor disk

圖6 高溫合金環(huán)鍛件熱加工過程Fig.6 Hot working process diagram of superalloy ring forgings

圖7 熱力參數(shù)分布Fig.7 Cake embryo and forgings thermal parameter distribution

表2 熱加工工藝參數(shù)Table 2 Thermal processing parameters

圖8 GH4169鍛件應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型Fig.8 GH4169 forgings stress structure model diagram

3.2 環(huán)鍛件整體應(yīng)力超聲法檢測過程及結(jié)果

使用超聲LCR波法對整盤進(jìn)行應(yīng)力數(shù)據(jù)采集，對粗加工狀態(tài)的壓氣機四級盤整體沿周向進(jìn)行十八等分，整圈進(jìn)行距離相等的十八個點位采集，分別對盤面外圈(記為Z1)、盤周向(記為Y1)、盤面內(nèi)圈(記為Z2)共進(jìn)行三圈的點位采集。采集示意圖如圖9所示，采集過程如圖10所示，試驗使用了3D打印機對不同位置進(jìn)行不同對應(yīng)夾具的打印，該組夾具保證了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性、可靠性。其應(yīng)力分布圖如圖11所示。

圖9 采集點位示意Fig.9 Collection point

圖10 采集過程Fig.10 Acquisition process

3.3 GH4169環(huán)鍛件噴丸前后應(yīng)力比對

GH4169鍛件由棒材經(jīng)過加溫、鐓粗、模鍛加工至環(huán)鍛件后，會在整環(huán)產(chǎn)生大量的周向殘余拉應(yīng)力，該周向殘余應(yīng)力會對對材料的疲勞強度產(chǎn)生極大的影響，大幅度降低其工作壽命，針對該類問題，引入了噴丸強化技術(shù)。

噴丸強化后，材料的表面及表面層發(fā)生以下三種變化：表層引入殘余應(yīng)力場、 表層形成塑性變形組織、表層粗糙度發(fā)生變化。而適當(dāng)?shù)乜刂票韺託堄鄳?yīng)力場的引入?yún)s可以使材料的應(yīng)力腐蝕應(yīng)力變形等問題得到一定程度的改善。

圖11 應(yīng)力分布Fig.11 Stress distribution

對四級盤進(jìn)行沿周向區(qū)域劃分，在盤面定位沿周向等距同圓心的8個點并標(biāo)記。每個點進(jìn)行橫向和縱向兩次測量超聲殘余應(yīng)力測量，分別記為X軸和Y軸，檢測示意如圖12所示。對工件進(jìn)行噴丸處理，對噴丸后的相同點位進(jìn)行X軸及Y軸的超聲應(yīng)力測量。其結(jié)果如圖13所示。

圖12 噴丸件應(yīng)力檢測示意圖Fig.12 Schematic diagram of stress detection of shot blasting

圖13 噴丸前后應(yīng)力對比Fig.13 Stress comparison before and after shot peening

4 結(jié)論

(1)通過超聲LCR波檢測壓氣機四級盤殘余應(yīng)力，可以明顯發(fā)現(xiàn)渦輪盤的周向存在不均勻的拉應(yīng)力(高達(dá)500～600 MPa)，且殘余應(yīng)力大小和仿真計算結(jié)果接近，殘余應(yīng)力的存在，會導(dǎo)致加工變形和降低渦輪盤的疲勞壽命。

(2)為降低拉應(yīng)力應(yīng)力和使得渦輪盤的應(yīng)力均勻化，對渦輪盤進(jìn)行噴丸處理，通過LCR波殘余應(yīng)力測量發(fā)現(xiàn)，噴丸施加沖擊力降低了部分渦輪盤存在的縱向軸向壓應(yīng)力，降低渦輪盤加工變形的風(fēng)險，并提高了疲勞強度。

試驗證明LCR波超聲測應(yīng)力方法所測得應(yīng)力分布及變化與實際情況基本一致，可以實現(xiàn)對實際GH4169環(huán)鍛件進(jìn)行應(yīng)力檢測，檢測準(zhǔn)確度較高。