王 倩,楊 宇,肖迎春,李閔行

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所, 西安 710065)

TC18鈦合金是20世紀(jì)60年代末蘇聯(lián)開發(fā)出來(lái)的一種α+β型鈦合金，具有高強(qiáng)度、高塑性、高硬度和焊接性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1]，同時(shí)也是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的高強(qiáng)度鈦合金之一[2]，特別適用于航空武器裝備大型承力結(jié)構(gòu)件的制造[3]，其中僅在某型軍用運(yùn)輸飛機(jī)上，TC18鈦合金零件質(zhì)量就超過(guò)3 000 kg[2]。與其他鈦合金相比，TC18鈦合金在退火狀態(tài)能獲得較高的強(qiáng)度水平，特別適用于制造飛機(jī)機(jī)身、起落架結(jié)構(gòu)中的大型鍛件[4]。因此研究TC18鈦合金低周疲勞試驗(yàn)的裂紋在線監(jiān)測(cè)具有一定的意義。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性直接決定了飛機(jī)的安全和可靠飛行[5]，而飛機(jī)結(jié)構(gòu)往往工作于較惡劣的載荷和工作環(huán)境下，這對(duì)傳感器的耐久性、穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)相容性等提出了很高的要求，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很難做到長(zhǎng)壽命、高可靠性和經(jīng)濟(jì)性[6]。銀粉涂層傳感器作為結(jié)構(gòu)損傷裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)的有效手段之一，具有原理簡(jiǎn)單、適合各種形狀的裂紋監(jiān)測(cè)、適用于惡劣的工作環(huán)境、具有很高的監(jiān)測(cè)效率等優(yōu)點(diǎn)，因此在飛機(jī)結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè)的應(yīng)用上有較大潛力[7]。文中的銀粉涂層損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]，包括銀粉涂層傳感器和采集設(shè)備。銀粉涂層傳感器布置在被測(cè)對(duì)象表面，與采集設(shè)備連接形成回路。通過(guò)比較回路中輸入電平信息與采集到的電平信息的差異，來(lái)判斷被監(jiān)測(cè)對(duì)象上是否存在裂紋。

筆者針對(duì)TC18鈦合金試件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，全程利用銀粉涂層損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并記錄了裂紋的擴(kuò)展過(guò)程，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，證明了該系統(tǒng)對(duì)裂紋在線監(jiān)測(cè)的有效性，同時(shí)也證明了該系統(tǒng)用于TC18鈦合金構(gòu)件的裂紋在線監(jiān)測(cè)的可靠性。

1 銀粉涂層損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

銀粉涂層損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括銀粉涂層傳感器以及采集設(shè)備。銀粉涂層傳感器布置在被監(jiān)測(cè)對(duì)象的表面，采集設(shè)備與銀粉涂層傳感器連接形成回路。銀粉涂層傳感器有32個(gè)，采集設(shè)備能夠與每個(gè)銀粉涂層傳感器形成單獨(dú)的回路。采集設(shè)備為安裝有PCI-1735U板卡、報(bào)警器和應(yīng)用軟件的工程控制機(jī)。應(yīng)用軟件使用C++語(yǔ)言，并且基于通用的軟件編程環(huán)境Visual C++ 6.0編寫。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效率高，原理簡(jiǎn)單，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)32通道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、位置信息顯示以及聲光報(bào)警等功能，從而能準(zhǔn)確判斷被監(jiān)測(cè)對(duì)象是否產(chǎn)生了裂紋以及裂紋所在位置。圖1為銀粉涂層傳感器結(jié)構(gòu)示意，圖2為采集設(shè)備實(shí)物照片。

圖1 銀粉涂層傳感器結(jié)構(gòu)示意

圖2 采集設(shè)備實(shí)物照片

銀粉涂層損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理為：采集設(shè)備與布置在被監(jiān)測(cè)對(duì)象表面的銀粉涂層傳感器形成回路，采集設(shè)備輸出一低電平信號(hào)(邏輯電平0)，當(dāng)被監(jiān)測(cè)對(duì)象出現(xiàn)裂紋時(shí)，具有隨附損傷特性[9]的銀粉涂層傳感器出現(xiàn)裂紋且裂紋裂穿銀粉涂層傳感器，銀粉涂層傳感器斷開，此時(shí)采集設(shè)備采集到的信號(hào)變?yōu)楦唠娖叫盘?hào)(邏輯電平1)；當(dāng)采集設(shè)備采集到的信號(hào)由低電平向高電平發(fā)生改變時(shí)，報(bào)警指示燈和與斷開銀粉涂層傳感器對(duì)應(yīng)的通道指示燈均由綠色變?yōu)榧t色，同時(shí)報(bào)警器蜂鳴報(bào)警，表示對(duì)應(yīng)的回路中有裂紋的存在。

基于銀粉涂層傳感器的裂紋監(jiān)測(cè)的操作步驟如下：① 打開采集設(shè)備，運(yùn)行應(yīng)用軟件；② 設(shè)置裂紋監(jiān)測(cè)裝置的初始化狀態(tài)，包括選用通道、輸入通道對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置信息、初始化設(shè)置通道指示燈、報(bào)警指示燈和報(bào)警器、創(chuàng)建配置文件以及創(chuàng)建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；③ 開始監(jiān)測(cè)，采集設(shè)備向步驟②中選用通道輸入低電平信號(hào)，同時(shí)采集選用通道的電平信息，并將采集到的電平信息保存至步驟②中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件中；④ 根據(jù)步驟③的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行差異化顯示，包括判斷步驟③中采集的電平信息，如果為低電平，即通道正常，則步驟②中的通道指示燈和報(bào)警指示燈顯示為綠色；如果為高電平，即通道異常，則步驟②中通道指示燈和報(bào)警指示燈顯示為紅色，同時(shí)報(bào)警器蜂鳴報(bào)警；⑤ 關(guān)閉采集設(shè)備，結(jié)束監(jiān)測(cè)，包括關(guān)閉配置文件、通道指示燈、報(bào)警指示燈、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件以及報(bào)警器。

圖3所示為銀粉涂層損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)流程圖。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)流程圖

圖4 試件形狀及尺寸

2 試件及傳感器布置

2.1 試件

試件材料為TC18鈦合金，表面采用剛玉砂吹砂處理，表面粗糙度為3.2 μm。試件形狀及尺寸如圖4所示，其長(zhǎng)為300 mm，寬為40 mm，厚為2 mm，中心位置有直徑為6 mm的圓孔。采用500 kN Instron8801型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)最大載荷(Pmax)為807 MPa，常幅疲勞，試驗(yàn)應(yīng)力比R為0.06，加載頻率f為3 Hz。

2.2 傳感器布置

試驗(yàn)過(guò)程中，傳感器布置的合理性嚴(yán)重影響到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和真實(shí)性，因此，應(yīng)嚴(yán)格按照以下步驟進(jìn)行傳感器的布置：① 將監(jiān)測(cè)區(qū)域清潔,打磨光滑,干燥，以去除掉監(jiān)測(cè)區(qū)域的雜質(zhì)，保證下一步刷涂的絕緣漆與監(jiān)測(cè)區(qū)域緊密貼合；② 在監(jiān)測(cè)區(qū)域刷涂絕緣漆，其厚度應(yīng)<0.1 mm，在60 ℃溫度下烘烤24 h；③ 絕緣漆徹底干透后，按照步驟②進(jìn)行第二和第三次刷涂絕緣漆，絕緣漆一方面可實(shí)現(xiàn)傳感器與監(jiān)測(cè)區(qū)域的有效隔離，另一方面可保證傳感器與監(jiān)測(cè)區(qū)域的緊密貼合；④ 將A、B兩個(gè)柔性接線端子用快干膠固定在適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)位置上(見(jiàn)圖1)；⑤ 將已制成的模具黏貼于監(jiān)測(cè)區(qū)域絕緣漆表面上；⑥ 將銀粉溶液涂抹在監(jiān)測(cè)區(qū)域的模具上，銀粉涂層厚度<0.1 mm，寬度≤1 mm，然后在60 ℃溫度下烘烤24 h；⑦ 重復(fù)步驟⑥兩次，保證A、B兩個(gè)柔性端子之間的線路電阻值<50 Ω，即獲得所述銀粉涂層傳感器；⑧ 去掉黏貼于監(jiān)測(cè)區(qū)域絕緣漆表面的模具；⑨ 在A、B兩個(gè)柔性接線端子的下端頭分別焊接上兩條導(dǎo)線；⑩ 將兩條導(dǎo)線的另一端分別與銀粉涂層損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接。試件外觀、傳感器布置及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖5所示。

圖5 試件外觀、傳感器布置和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)4件試件進(jìn)行了裂紋在線監(jiān)測(cè)。每件試件圍繞中心圓孔分別布置了6個(gè)銀粉涂層傳感器，從孔的最左端到最右端依次標(biāo)記為A、B、C、D、E和F，如圖6所示。其中，試件2、3和4在銀粉溶液的刷涂過(guò)程中出現(xiàn)間斷而導(dǎo)致傳感器斷裂，因此只顯示記錄了部分傳感器的監(jiān)測(cè)信息。表1記錄了4件試件在裂紋在線監(jiān)測(cè)過(guò)程中，循環(huán)數(shù)與傳感器斷裂順序的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表中“-”表示該試件未記錄循環(huán)數(shù))。

圖6 傳感器編號(hào)

表1 試件裂紋在線監(jiān)測(cè)結(jié)果

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，在中心圓孔孔邊沿著試件寬度方向，圓孔兩側(cè)逐漸出現(xiàn)裂紋，并依次裂穿布置的銀粉涂層傳感器。從表1可以看出，隨著循環(huán)數(shù)的增加，編號(hào)為1-1、1-2和1-3的3件試件離圓孔最近的銀粉涂層傳感器C或D最先報(bào)警，接著是離孔較近的傳感器B或E報(bào)警，最后是離孔最遠(yuǎn)的傳感器A或F報(bào)警。試驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果一致，而試件1-4除去試驗(yàn)前已經(jīng)斷裂的傳感器B和C，距離圓孔左側(cè)最遠(yuǎn)的A傳感器最先報(bào)警，然后才是離圓孔右側(cè)距離逐漸增加的D、E和F傳感器，與理論結(jié)果不一致。試驗(yàn)過(guò)程中，筆者目視檢查試件發(fā)現(xiàn)，編號(hào)為1-4的試件的圓孔左側(cè)最先出現(xiàn)裂紋，同時(shí)直到圓孔左側(cè)裂紋達(dá)到一定長(zhǎng)度且裂穿最遠(yuǎn)的A傳感器后，圓孔右側(cè)才開始出現(xiàn)裂紋，于是該側(cè)所布置的傳感器D、E和F(按照離圓孔距離逐漸增加的順序)依次斷裂并報(bào)警。筆者分析這是試件在試驗(yàn)機(jī)上固定時(shí)，受力不均所導(dǎo)致的。

同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中，隨著加載的進(jìn)行，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示界面上的指示燈在徹底變紅之前，會(huì)呈現(xiàn)一段時(shí)間的時(shí)而變紅時(shí)而變綠的狀態(tài)。觀察并分析認(rèn)為，在循環(huán)載荷的作用下，當(dāng)裂紋沒(méi)有徹底裂穿銀粉涂層傳感器之前，裂紋是一張一合逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展的。當(dāng)裂紋張開時(shí)，銀粉涂層傳感器裂開，系統(tǒng)采集到的信號(hào)為高電平信號(hào)，指示燈顯示紅色；當(dāng)裂紋閉合時(shí)，銀粉涂層傳感器閉合，系統(tǒng)采集到的信號(hào)為低電平信號(hào)，這時(shí)指示燈呈現(xiàn)綠色。而隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，銀粉涂層傳感器終于徹底斷裂，系統(tǒng)采集到的高電平信號(hào)不再變化，指示燈始終顯示紅色。

4 結(jié)論

通過(guò)自制的銀粉涂層傳感器，應(yīng)用自主開發(fā)研制的銀粉涂層損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)TC18鈦合金進(jìn)行了低周疲勞試驗(yàn)的裂紋在線監(jiān)測(cè)，得出以下結(jié)論。

(1) 銀粉涂層損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效檢測(cè)出TC18鈦合金材料試件在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋，為TC18鈦合金構(gòu)件的裂紋監(jiān)測(cè)提供了一種可靠有效的監(jiān)測(cè)方法。

(2) 如果在設(shè)計(jì)制備銀粉涂層傳感器時(shí)，能夠確定傳感器距離初始裂紋的距離，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞裂紋長(zhǎng)度的有效監(jiān)測(cè)。

(3) 在試驗(yàn)未開始之前，一些銀粉涂層傳感器就出現(xiàn)了脫落，導(dǎo)致傳感器自身斷裂而無(wú)法監(jiān)測(cè)裂紋，因此銀粉涂層傳感器的制備還有待研究改進(jìn)，以提高成功率。

(4) 由于銀粉涂層傳感器與監(jiān)測(cè)區(qū)域是絕緣的，所以其適用于所有的金屬結(jié)構(gòu)。

此外，在對(duì)裂紋的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，由于只有當(dāng)裂紋裂穿銀粉涂層傳感器導(dǎo)致傳感器斷裂時(shí)，采集設(shè)備采集到的電位信息才會(huì)發(fā)生改變，因此，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)裂紋的萌生態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，這也是該系統(tǒng)不足的地方，有待進(jìn)一步改進(jìn)。