張雪敏， 王 峰， 谷 力

(1.西安思源學(xué)院基礎(chǔ)部， 陜西 西安 710038； 2.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710126)

0 前 言

進(jìn)行材料加工處理時，可以利用選區(qū)激光熔融(SLM)的方法來實(shí)現(xiàn)快速成型加工，也可以采用上述方法制備具有致密組織結(jié)構(gòu)的零部件[1－4]。 部件使用過程中會逐漸發(fā)生疲勞損傷，此時將會在部件基體上發(fā)生微缺陷拓展的現(xiàn)象，從而造成零部件損毀。 為了能夠?qū)σ陨先毕輰?shí)現(xiàn)精確判斷，有研究人員設(shè)計(jì)了無損檢測方法來識別疲勞損傷發(fā)生的部位與程度。 隨著研究的深入，目前已有學(xué)者開發(fā)出了超聲監(jiān)測、X 射線、磁粉探測等多種新型技術(shù)[5]，以實(shí)現(xiàn)對材料內(nèi)部空隙、裂紋、雜質(zhì)成分的精確判斷，但并不能達(dá)到準(zhǔn)確判斷金屬疲勞損傷的效果。

隨著近些年越來越多學(xué)者對材料缺陷開展聲學(xué)測試[6]，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬部件在使用過程中形成疲勞損傷時便會導(dǎo)致基體中產(chǎn)生微缺陷，并在超聲波作用下生成明顯的特征信號，形成了具有非線性規(guī)律的聲學(xué)響應(yīng)結(jié)果，現(xiàn)階段還有一些學(xué)者在信號分析方面通過非線性聲學(xué)響應(yīng)作用機(jī)制來判斷金屬材料疲勞損傷情況并實(shí)現(xiàn)了對缺陷特征的無損檢測[7]。 許國琛等[8]設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)︹伜辖鹌诹鸭y同時實(shí)現(xiàn)線性和非線性測試的方法，并將其與超聲相控陣測試情況開展對比研究。 此外，學(xué)者徐顯勝等[9]在疲勞載荷作用下研究了以選區(qū)激光熔融GH4169 鎳基合金層進(jìn)行超聲非線性測試疲勞壽命的結(jié)果，結(jié)果顯示在超聲波檢測期間產(chǎn)生了大幅變化的二次諧波，而且增加疲勞周期后達(dá)到了更大的超聲非線性系數(shù)。 呂文瀚等[10]通過研究發(fā)現(xiàn)，測試材料在后期疲勞階段產(chǎn)生微裂紋時，相對早期疲勞損傷形成了更高比例的諧波信號。

根據(jù)具體檢測方法，可將超聲損傷檢測分為混頻調(diào)制與高次諧波等形式。 通過設(shè)置不同工況條件測試選區(qū)激光熔融GH4169 鎳基合金層力學(xué)性能時，都會造成疲勞損傷的情況，結(jié)合非線性超聲作用機(jī)制，利用高次諧波檢測方法實(shí)現(xiàn)GH4169 鎳基合金層缺陷特征的非線性超聲判斷，能夠根據(jù)超聲非線性系數(shù)來分析試件發(fā)生的疲勞損傷，從而實(shí)現(xiàn)快速檢測的要求。

1 非線性超聲理論

根據(jù)超聲測試結(jié)果可知，造成金屬組織非線性變化的因素主要包括位錯拓展、晶格變化與裂紋變化等，上述因素都可以與特定頻率超聲波發(fā)生相互作用而產(chǎn)生高次諧波特征。

對于非線性介質(zhì)內(nèi)形成一維縱波的情況，可以將小應(yīng)變運(yùn)動函數(shù)表示成以下的形式[11]:

建立一維縱波非線性超聲波動函數(shù)，如下所示:

式中，A1為超聲波幅度；ω為振動頻率；k為波數(shù)；β為非線性系數(shù)。 通過分析式(3)可以發(fā)現(xiàn)，非線性波動二階近似解與幅值都跟基波幅值存在顯著關(guān)聯(lián)，因此可以推導(dǎo)出二次諧波幅值A(chǔ)2為:

通過式(4)計(jì)算超聲非線性系數(shù)β:

試樣疲勞損傷后，會在其內(nèi)部產(chǎn)生晶格畸變，微裂紋等缺陷[12]。 式(5)顯示，可根據(jù)基波與二次諧波強(qiáng)度來確定β，其以此判斷試樣疲勞損傷狀態(tài)。

2 材料與試樣制備

2.1 材 料

選擇具有微觀球形結(jié)構(gòu)的GH4169 鎳基合金層顆粒構(gòu)成加工原料，通過SLM 加工方法形成試樣。 經(jīng)微觀形貌測試得到粉末粒徑尺寸為10～55 μm，結(jié)果如圖1所示，對其表觀密度進(jìn)行測試得到的結(jié)果為4.3 g/cm3。

圖1 GH4169 鎳基合金層顆粒SEM 形貌Fig.1 SEM image of GH4169 nickel-base alloy particles

2.2 試樣制備

本試驗(yàn)選擇AM400SLM 增材系統(tǒng)進(jìn)行測試。 各項(xiàng)參數(shù)如下:激光功率250 W，掃描速度750 mm/s，掃描間距70 μm，層厚30 μm，激光光束直徑80 μm，氧氣≤0.03%。 根據(jù)GB/T 3075－2008 要求制作疲勞測試樣品。

3 試驗(yàn)分析

超聲檢測原理見圖2 所示，測試系統(tǒng)包括MTS810疲勞測試與非線性超聲檢測2 個部分[13]。 非線性超聲波測試系統(tǒng)由衰減器、信號測試器、檢測儀、高能低通濾波器、功率信號放大器、信號示波器與分析計(jì)算系統(tǒng)構(gòu)成。

圖2 超聲檢測原理示意Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic detection principle

結(jié)合疲勞測試狀態(tài)，分析選區(qū)激光熔融GH4169 鎳基合金層以不同循環(huán)次數(shù)開展疲勞測試獲得的非線性系數(shù)；再以MTS810 疲勞測試儀測定試樣疲勞特性，測試過程中將應(yīng)力比設(shè)定在0.1，并按照10 Hz 頻率調(diào)節(jié)疲勞載荷，獲得500 MPa 的最大加載應(yīng)力。 在疲勞測試期間完成非線性超聲測試，在各周期中開展5 000 次測試。 當(dāng)達(dá)到疲勞周期設(shè)定值時，可在測試過程中自動停止并對試件進(jìn)行非線性超聲測試得到圖3 所示的區(qū)域分布結(jié)果。 圖中測點(diǎn)a，b，c 是檢測位置。

圖3 拉伸試樣尺寸Fig.3 Tensile sample size

通過下述步驟開展檢測[13]:先通過信號發(fā)生器產(chǎn)生5 MPa 和周期為10 的正弦波，再以功率放大器對信號放大后，同時利用RITCE 高能低通濾波器消除高頻信號，設(shè)置了發(fā)射傳感器來實(shí)現(xiàn)發(fā)射激勵波的功能，對其他信號利用衰減器處理并傳導(dǎo)至示波器，以此達(dá)到監(jiān)控目的，也可以控制激勵信號形成特定的波動幅值，在厚度方向上發(fā)生超聲波信號傳播時，如果受內(nèi)部微缺陷影響會形成明顯的二次諧波，可根據(jù)試件信號檢測器來實(shí)現(xiàn)超聲波參數(shù)的采集，保持中心頻率為10 MPa，經(jīng)過傅里葉轉(zhuǎn)換得到基波與二次諧波，根據(jù)以上方式計(jì)算相對超聲非線性系數(shù)。 最終測試到試件斷裂的程度。

4 結(jié)果與討論

4.1 接收信號的時域和頻域分析

以圖3 位置對初始試樣開展非線性超聲檢測，圖4給出了接收探頭測試得到的時域和頻域信號情況。 經(jīng)過20 000 次疲勞加載處理后再對試樣進(jìn)行非線性超聲測試，通過探頭測試得到圖5 中的時域和對應(yīng)的頻域信號曲線。 圖4 和圖5 顯示，本次形成了穩(wěn)定的時域信號波形，此時無法繼續(xù)通過時域信號來實(shí)現(xiàn)疲勞損傷程度的精確判斷。 分析可以發(fā)現(xiàn)，在頻率5 MPa 的條件下產(chǎn)生了基波變化幅值，隨著頻率增加到10 MPa時可以檢測出明顯的二次諧波，通過對比可知，二次諧波形成了低于基波的幅值。 相對初始試件，疲勞測試20 000次后，在試樣中產(chǎn)生了幅值更明顯的信號。

圖4 疲勞加載前信號時域和頻域Fig.4 Signal time domain and frequency domain diagram before fatigue loading

圖5 疲勞加載后信號時域和頻域Fig.5 Signal time domain and frequency domain diagrams after fatigue loading

圖6 是在掃描電鏡下觀察選區(qū)激光熔融GH4169鎳基合金層得到的形貌，根據(jù)觀察得到微觀結(jié)構(gòu)特征分析試樣受到疲勞載荷作用時形成的非線性二次諧波。 從作用原理層面考慮，SLM 加工方法是以高能激光束達(dá)到加熱升溫效果，該方式可以在很短時間中實(shí)現(xiàn)溫度的升降并獲凝固組織，可以生成無法通過常規(guī)加工方法得到的非平衡組織[14]。 由于在成型加工期間，各區(qū)域金屬粉末會形成不同受熱狀態(tài)，由此生成各向異性顯微組織。 試樣顯微組織中存在等軸晶、熔合線、柱狀晶等組織。 可以觀察到許多柱狀晶都形成了規(guī)則的排列方向， 同一熔池內(nèi)可以觀察到相同排列形態(tài)的柱狀晶，這些柱狀晶相對熔合線保持特定角度。在加工階段，設(shè)置的激光功率參數(shù)或掃描條件發(fā)生改變后，會引起材料加工性能的明顯改變，引起缺陷產(chǎn)生。 具有各向異性特征的柱狀晶、組織缺陷與熔合線對非線性超聲檢測階段的二次諧波都會造成明顯影響。 采用非線性超聲方法測試加載20 000 個周期后的試件，結(jié)果顯示會造成頻域基波和二次諧波的變化，二次諧波幅值也明顯提高。 試樣疲勞測試20 000 個周期后再對其SEM 表征形成的微觀組織形貌，可以觀察到在基體內(nèi)存在眾多的疲勞裂紋。 受疲勞損傷裂紋的影響，二次諧波幅值也明顯增大。 計(jì)算各載荷工況下超聲非線性系數(shù)β，能夠滿足GH4169 鎳基合金層材料SLM 加工過程疲勞損傷的準(zhǔn)確檢測。

圖6 疲勞加載前后試樣的SEM 形貌Fig.6 SEM images of specimens before and after fatigue loading

4.2 測量位置對試驗(yàn)結(jié)果的影響

對各測試部位的非線性超聲檢測偏差進(jìn)行分析，得到圖3 中試樣a，b，c 部位檢測結(jié)果，見圖7。 根據(jù)β/β0計(jì)算結(jié)果完成數(shù)據(jù)的歸一化過程。 最后綜合考慮循環(huán)次數(shù)與疲勞壽命比來分析疲勞損傷情況。 從圖7中可以看到測試區(qū)域a 中產(chǎn)生了很小范圍的橫截面，測試區(qū)域b，c 處則出現(xiàn)了較大范圍橫截面，測試點(diǎn)b，c以點(diǎn)a 作為中心呈現(xiàn)對稱特征，控制外部載荷恒定的條件下，測試點(diǎn)a 達(dá)到了更大程度的應(yīng)力集中。 對3 個部位開展非線性超聲測試后獲得β/β0參數(shù)，根據(jù)以上各測試點(diǎn)數(shù)據(jù)可知，隨著疲勞周期增加后，形成了更大的比值，并且變化趨勢相近。 點(diǎn)a 在不同周期中超聲非線性系數(shù)存在明顯差異，不同于測試點(diǎn)a，點(diǎn)b 與點(diǎn)c的超聲非線性系數(shù)相對疲勞周數(shù)只呈現(xiàn)較小幅度的增長趨勢。 這是由于測試點(diǎn)a 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形程度較大，由此獲得了不同的超聲非線性系數(shù)。

圖7 3 個測點(diǎn)的疲勞測試結(jié)果Fig.7 Fatigue test results of the three measurement points

5 結(jié) 語

(1)隨著頻率增加到10 MPa 時檢測出明顯二次諧波，二次諧波形成了低于基波的幅值。 相對初始試件，疲勞測試20 000 次后試樣中產(chǎn)生了幅值更明顯的信號。

(2)試樣組織中存在等軸晶、熔合線、柱狀晶等組織，許多柱狀晶都形成了規(guī)則的排列方向。 試樣疲勞測試后在基體內(nèi)存在眾多的疲勞裂紋，二次諧波幅值也出現(xiàn)顯著升高。

(3)隨著疲勞周期延長，β/β0比值增大。 不同于測試點(diǎn)a，點(diǎn)b 與點(diǎn)c 的超聲非線性系數(shù)相對疲勞周數(shù)只呈現(xiàn)較小幅度的增長趨勢。