賈廣輝 袁留奎 常 浩 張 昊

（①河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南 鄭州 450000；②東風(fēng)越野車有限公司整車開發(fā)部，湖北 武漢 430056；③東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

進行車輕量化用材料加工處理時，可以利用選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）的方法來達到快速成型的效果，也可以通過該方法制備得到結(jié)構(gòu)致密的部件[1?2]。隨著人們對SLM加工技術(shù)的研究不斷深入，該加工技術(shù)已從最初被應(yīng)用于概念模具拓展到了對技術(shù)要求更高的高精度設(shè)備、醫(yī)學(xué)儀器等領(lǐng)域[3?4]。為了提升SLM部件的使用可靠性并延長服役壽命，要求SLM部件還沒有產(chǎn)生缺陷狀態(tài)下就準(zhǔn)確診斷初始損傷。當(dāng)部件在使用階段出現(xiàn)疲勞損傷時，將會造成微缺陷的明顯拓展，最終導(dǎo)致零部件發(fā)生損毀。為了對上述缺陷問題進行準(zhǔn)確檢測，有學(xué)者開發(fā)了無損檢測的技術(shù)來實現(xiàn)疲勞損傷位置和程度的綜合判斷。目前已經(jīng)形成了滲透、X射線檢測等多種處理方法[5]，能夠同時滿足對裂紋、微孔和夾雜物等缺陷的檢測需求，但無法實現(xiàn)準(zhǔn)確判斷金屬材料疲勞損傷缺陷狀態(tài)。

近些年來，已有許多研究人員開展了材料缺陷的聲學(xué)檢測分析[6]，結(jié)果顯示當(dāng)金屬部件使用階段產(chǎn)生疲勞損傷后將會引起微缺陷，之后在超聲波環(huán)境中產(chǎn)生相應(yīng)的特征信號，表現(xiàn)為非線性變化的聲學(xué)響應(yīng)效果，目前已有許多學(xué)者利用非線性聲學(xué)響應(yīng)的原理來表征金屬材料的疲勞損傷程度并被廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域[7]。許國琛[8]開發(fā)了一種可以對鈦合金疲勞裂紋進行線性與非線性檢測的新方法，并將該方法測試的結(jié)果跟超聲相控陣檢測結(jié)果進行了比較分析。徐顯勝[9]通過設(shè)計實驗測試了疲勞加載工況下對選區(qū)激光熔融316L不銹鋼進行超聲非線性測試疲勞壽命的結(jié)果。發(fā)現(xiàn)進行超聲波檢測時會形成變化幅度很大的二次諧波，并且當(dāng)疲勞周期延長后獲得了更大的超聲非線性系數(shù)。將選區(qū)激光熔融GH4169鎳基合金置于不同工況下進行測試時會導(dǎo)致疲勞損傷問題[10?11]。目前關(guān)于這方面的研究多是通過材料微觀機理開展研究，從機械力學(xué)疲勞信號角度研究方面尚有不足。本文根據(jù)非線性超聲的原理，選擇高次諧波的檢測方式對完成疲勞加載測試后的選區(qū)激光熔融制備的GH4169鎳基合金開展非線性超聲測試，結(jié)果顯示，可以根據(jù)超聲非線性系數(shù)精確判斷試件的疲勞損傷狀態(tài)，可以通過高次諧波檢測技術(shù)快速測定選區(qū)激光熔融GH4169鎳基合金的疲勞損傷。

1 非線性超聲基本理論

根據(jù)超聲檢測結(jié)果可知[12]，金屬材料產(chǎn)生非線性變化特征的因素包括晶格滑移、材料組織位錯和微裂紋等，上述各類缺陷分別跟相應(yīng)頻率超聲波作用而形成明顯的高次諧波[13]。

一維縱波在非線性介質(zhì)中傳播時，對應(yīng)小應(yīng)變狀態(tài)下的運動過程表達式如下[14]:

以下給出了一維縱波非線性超聲波動計算式：

式中：t表示傳播時間；c是聲波速度；x表示傳播距離。

按照攝動法作用機制，可以得到波動方程（1）二階近似解如下:

式中：A1表示超聲波振動幅度；ω表示頻率；k表示波數(shù)；β表示非線性系數(shù)。

二次諧波幅值A(chǔ)2如下[15]：

結(jié)合式（4）得到超聲非線性系數(shù)β：

試樣收到疲勞損傷后，會在其內(nèi)部產(chǎn)生晶格畸變，微裂紋等缺陷。此時有超聲波通過是會產(chǎn)生高次諧波，導(dǎo)致基波和二次諧波的幅值均發(fā)生變化。式（5）表明，通過基波和二次諧波的幅值可以計算出β，其能夠用于表征試樣的疲勞損傷程度。

2 材料及試樣制備

2.1 材料

本次使用的原料為球形GH4169鎳基合金顆粒，以SLM加工制得試樣。通過微觀形貌表征確定粉末粒徑介于10～55 μm，具體形貌見圖1。

圖1 GH4169鎳基合金顆粒SEM圖像

2.2 試樣制備

本實驗選擇圖2所示的AM400SLM增材系統(tǒng)作為測試設(shè)備。表1給出了實驗的各項參數(shù)，用于疲勞測試的樣品按照GB/T 3075-2008表征進行制備。

圖2 實驗設(shè)備

表1 主要加工參數(shù)

3 實驗系統(tǒng)與測量方法

超聲檢測原理如圖3所示，測試系統(tǒng)裝置包括MTS810疲勞測試機與非線性超聲測試系統(tǒng)兩部分。

圖3 超聲檢測原理示意圖

根據(jù)疲勞測試結(jié)果判斷選區(qū)激光熔融合金經(jīng)過不同次數(shù)循環(huán)疲勞載荷測試后得到的超聲非線性系數(shù)。以MTS810疲勞測試機對合金材料實施拉伸疲勞測試，設(shè)置了三角結(jié)構(gòu)的疲勞波形，控制應(yīng)力比為0.1，以10 Hz頻率進行疲勞施加載荷，加載應(yīng)力最高可以達到500 MPa。對試樣進行疲勞測試期間完成非線性超聲測試，設(shè)定5 000次疲勞載荷作為一個周期。到達設(shè)定疲勞周期時，測試過程自動停止并保持恒定拉伸載荷，利用非線性超聲檢測設(shè)備對試件實施檢測。從試件上選擇3個部位作為非線性超聲檢測區(qū)域，拉伸試樣尺寸和各區(qū)域分布位置見圖4，圖中123是檢測位置,1是縮頸處，2是左喇叭口處，3是右喇叭口處；圖5給出了拉伸設(shè)備照片。

圖4 拉伸試樣尺寸

圖5 拉伸設(shè)備照片

按照以下各項步驟進行檢測：首先，信號發(fā)生器形成5 MPa與周期為10的正弦波；然后，通過發(fā)射傳感器完成激勵波的發(fā)射過程，并調(diào)節(jié)激勵信號達到不同幅值；隨后，超聲波信號沿厚度進行傳播的過程中遇到內(nèi)部微缺陷將會形成二次諧波，通過安裝于試件上的信號探測器實現(xiàn)超聲波信號采集過程；最后，中心頻率設(shè)定為10 MPa，經(jīng)快速傅里葉轉(zhuǎn)換獲得基波與二次諧波信號，由此計算出超聲非線性系數(shù)的相對值。測試直到試件發(fā)生斷裂時為止。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 接收信號的時域和頻域分析

對沒有經(jīng)過疲勞加載測試的試樣實施非線性超聲測試，圖6為疲勞加載前信號時域和頻域圖。在疲勞加載周期18 000次后，圖7為疲勞加載后信號時域和頻域圖。比較圖6與圖7可知，對比疲勞加載前后，時域信號表現(xiàn)為穩(wěn)定的波形狀態(tài)，在這種情況并不能根據(jù)時域信號準(zhǔn)確判斷試件發(fā)生疲勞損傷的程度。分析頻率信號可知，位于頻率4.2 MHz部位形成了基波幅值，當(dāng)頻率達到9.6 MHz時檢測獲得二次諧波幅值，可以明顯發(fā)現(xiàn)二次諧波與基波相比形成了更低幅值。與初始試件相比，經(jīng)過18 000次疲勞測試后，試樣形成了更大變化幅值的信號。相比較時域信號，頻域信號能夠更為準(zhǔn)確地反映試件疲勞損傷程度。

圖6 疲勞加載前信號時域和頻域圖

圖7 疲勞加載后信號時域和頻域圖

圖8是對選區(qū)激光熔融制備合金進行掃描電鏡表征獲得的圖像，根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)變化特征對試樣發(fā)生疲勞加載前進行非線性超聲測試信號形成的二次諧波進行分析。SLM加工方式是通過高能激光束來實現(xiàn)加熱效果，能夠以極快速度完成升、降溫得到凝固態(tài)組織，達到以常規(guī)手段不能滿足的非平衡狀態(tài)，從而形成了具有明顯各向異性特點的組織。

圖8 疲勞加載前后試樣的SEM像

對圖8進行分析可知，此時在試樣微觀組織中形成了等軸晶形態(tài)的組織。大部分柱狀晶都表現(xiàn)出較強的方向性，位于相同熔池中的柱狀晶形成了幾乎一樣的排列方向，并跟熔合線之間形成了特定的角度。進行加工處理時，激光功率以及掃描過程的間距和方式都會對最終材料加工性能產(chǎn)生影響，由此造成缺陷產(chǎn)生。具有各向異性分布的柱狀晶、微缺陷與熔合線都會引起試樣在非線性超聲檢測過程中形成二次諧波。對經(jīng)過18 000個周期加載測試后的試件通過非線性超聲測試發(fā)現(xiàn)，也會引起頻域信號內(nèi)形成基波與二次諧波的情況，并產(chǎn)生了更大幅值的二次諧波。發(fā)現(xiàn)此時形成了大量疲勞裂紋。當(dāng)試樣中形成疲勞損傷裂紋時將會造成二次諧波幅值的明顯上升。各個加載工況下的超聲非線性系數(shù)，以此表征SLM加工方法制備的試樣中出現(xiàn)的疲勞損傷。

4.2 測量位置對實驗結(jié)果的影響

針對不同測量位置引起的非線性超聲檢測差異性，對圖4中3個不同試樣部位進行檢測數(shù)據(jù)分析。計算β/β0再對其實施歸一化。根據(jù)循環(huán)加載周次和疲勞壽命比值判斷疲勞損傷情況。

圖9顯示在圖4中測試區(qū)域1的部分形成了很小的橫截面，而在測試點2與3則了形成了很大的橫截面，同時發(fā)現(xiàn)測試點2、3在點1兩邊呈現(xiàn)對稱分布的特征，施加同樣外部載荷時，測試點1相對2、3表現(xiàn)出更明顯應(yīng)力集中的狀態(tài)。從圖9中可以看到分別對3個部分測試部位進行非線性超聲測試并計算得到的β/β0變化趨勢，增加疲勞周期后，都表現(xiàn)為比值不斷增大的變化規(guī)律，形成了相近的變化特征。測量點1在不同疲勞周期中發(fā)生了超聲非線性系數(shù)的較大改變，與測試點1相比，測試點2、3超聲非線性系數(shù)跟疲勞周數(shù)之間雖然也呈現(xiàn)正相關(guān)的特點，但只發(fā)生了小幅增長。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是進行疲勞加載時，測試點1區(qū)域發(fā)生了內(nèi)部大幅變形的情況，從而引起超聲非線性系數(shù)也出現(xiàn)較大改變。

圖9 3個測點的疲勞測試結(jié)果

5 結(jié)語

（1）二次諧波與基波相比形成了更低幅值。與初始試件相比，經(jīng)過18 000次疲勞測試后，試樣形成了更大變化幅值的信號。

（2）試樣組織中形成了等軸晶形態(tài)，大部分柱狀晶表現(xiàn)出較強的方向性，位于相同熔池中的柱狀晶形成了幾乎一樣的排列方向。周期疲勞試樣形成了大量疲勞裂紋。

（3）增加疲勞周期后，非線性超聲測試變化不斷增大，形成了相近的變化特征。與測試點1相比，測試點2、3超聲非線性系數(shù)跟疲勞周數(shù)之間雖然也呈現(xiàn)正相關(guān)的特點，但只發(fā)生了小幅增長。