鈦合金中微裂紋的超聲紅外熱像檢測(cè)技術(shù)研究①

敦 怡，周兆英，伍 玲，王栓杰

(1.清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京 100084;2.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003)

鈦合金中微裂紋的超聲紅外熱像檢測(cè)技術(shù)研究①

敦 怡1，2，周兆英1，伍 玲1，王栓杰2

(1.清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京 100084;2.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003)

研究了超聲紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的原理，利用有限元分析方法，建立了鈦合金刀具樣件和裂紋的二維熱傳導(dǎo)有限元模型，通過有限元數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)超聲波在裂紋處激發(fā)的熱源引起的瞬態(tài)溫度場進(jìn)行分析，然后對(duì)含有微裂紋的鈦合金刀具樣件進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)。結(jié)果表明，超聲紅外熱像檢測(cè)技術(shù)對(duì)鈦合金材料中的微裂紋定性檢測(cè)快速有效，且是無損檢測(cè)。對(duì)微裂紋檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與利用有限元方法計(jì)算結(jié)果基本一致，證明有限元模型的正確性，并為鈦合金材料中微裂紋的定量檢測(cè)提供了新的方法和參考依據(jù)。

紅外熱像;超聲檢測(cè);鈦合金;微裂紋;有限元

0 引言

鈦合金材料具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于航空航天等領(lǐng)域。但其切削加工困難，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，故在鈦合金材料制備、機(jī)械加工及設(shè)備服役過程中，往往會(huì)產(chǎn)生各種微缺陷。微缺陷多數(shù)存在于機(jī)械設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞損傷初期階段，占結(jié)構(gòu)材料整個(gè)疲勞壽命的80% ～90%，是造成機(jī)械設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)的重大事故隱患［1］。目前，針對(duì)鈦合金材料和構(gòu)件的無損檢測(cè)，主要是應(yīng)用超聲波檢測(cè)方法，國內(nèi)外都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。但標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的缺陷尺寸都較大，對(duì)微缺陷的檢測(cè)還未有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)。隨著技術(shù)進(jìn)步，用于檢測(cè)金屬材料的微缺陷的方法得以發(fā)展，即有非線性超聲檢測(cè)方法和紅外熱像檢測(cè)方法。非線性超聲檢測(cè)方法是利用超聲與微缺陷相互作用產(chǎn)生的非線性響應(yīng)，如高次諧波、非線性系數(shù)等參量來表征缺陷的存在;而紅外熱像檢測(cè)方法則是利用材料或構(gòu)件表面的溫度場變化來表征缺陷的存在。目前，非線性超聲檢測(cè)方法由于技術(shù)限制，僅能用于實(shí)驗(yàn)室研究，而紅外熱像檢測(cè)技術(shù)已可進(jìn)行工程應(yīng)用，而常規(guī)的紅外熱像檢測(cè)技術(shù)信噪比較差，為了提高信噪比和靈敏度可采用鎖相技術(shù)，但會(huì)造成成像時(shí)間較長。

為了研究鈦合金材料中微裂紋的檢測(cè)問題，本文以某鈦合金刀具為樣件，將超聲波檢測(cè)與紅外熱像檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，研究利用超聲紅外熱像技術(shù)進(jìn)行微裂紋的檢測(cè)。

1 超聲紅外熱像檢測(cè)原理

超聲紅外熱像無損檢測(cè)技術(shù)是將超聲技術(shù)和紅外熱像技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮了超聲和紅外檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。它是將低頻率的超聲波(20～40 kHz)作用在被檢測(cè)材料或制件表面或內(nèi)部，超聲波在被檢材料或制件中傳播，形成聲場。如果被檢測(cè)材料或制件內(nèi)部存在裂紋、末熔合、層析等缺陷時(shí)，在缺陷部位由于摩擦作用和熱彈效應(yīng)、遲滯效應(yīng)等作用，引起機(jī)械能顯著衰減，并產(chǎn)生熱量，從而在缺陷處及相鄰區(qū)域的溫度明顯升高［2-10］。這種效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間一般在毫秒量級(jí)，在超聲源激發(fā)開始后的幾個(gè)到幾十個(gè)毫秒范圍內(nèi)現(xiàn)象最明顯，然后由于熱擴(kuò)散，這種現(xiàn)象會(huì)變得很模糊。不過使用大功率的超聲發(fā)生器和紅外熱像儀就可非常清楚地檢測(cè)到這種溫度的變化。

與其他紅外熱像無損檢測(cè)技術(shù)，如光熱紅外成像技術(shù)相比，超聲紅外熱像技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于它可對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行“選擇性加熱”，使缺陷局部溫度升高，從而大大提高靈敏度和信噪比。

2 超聲紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)組成

超聲紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)主要由超聲激勵(lì)系統(tǒng)、紅外熱像儀、計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)樣件(超聲刀具)組成，如圖1所示。

超聲信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生連續(xù)超聲波和脈沖超聲波兩種超聲激勵(lì)。超聲刀具包含超聲換能器、聚能桿及手術(shù)刀頭。超聲換能器主要完成電信號(hào)到超聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換，聚能桿主要是進(jìn)行超聲功率放大，手術(shù)刀頭是實(shí)驗(yàn)樣件。紅外熱像儀為德國生產(chǎn)的VarioCAM Research VCr-480，其光譜范圍7.5 ～14 μm ，幀頻50 Hz，熱靈敏度在優(yōu)化模式下可達(dá)0.05℃ (在30℃時(shí))，圖像分辨率為384×288像素。

在超聲信號(hào)發(fā)生器發(fā)射超聲激勵(lì)的同時(shí)，由計(jì)算機(jī)控制的紅外熱像儀開始采集數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)樣件表面局部的溫度變化情況被熱像儀捕捉到。同時(shí)熱像儀將所采集到的熱圖反饋給計(jì)算機(jī)，然后利用專用軟件對(duì)時(shí)序熱圖進(jìn)行處理分析，并顯示檢測(cè)結(jié)果，從而判別材料中缺陷的存在和位置信息。

圖1 超聲紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Illustration of sonic IR imaging system

3 超聲紅外熱像檢測(cè)結(jié)果及分析

將上述超聲紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)超聲刀具的質(zhì)量檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，首先調(diào)整紅外熱像儀使視場中試件位置盡量居中，之后調(diào)整熱像儀的焦距，采用均勻黑體對(duì)其進(jìn)行溫場標(biāo)定，確保熱像儀視場均勻。

調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件，包括超聲激勵(lì)的振幅、作用時(shí)間等參數(shù)。設(shè)定采樣時(shí)間長20 s，頻率為50 Hz，紅外熱像儀實(shí)時(shí)記錄超聲刀具表面溫度場變化，計(jì)算機(jī)對(duì)紅外熱像圖進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和存貯。最后通過紅外熱像儀自帶的專用紅錢圖像處理軟件得到紅外熱圖序列。實(shí)驗(yàn)得到的紅外熱圖序列如圖2所示。

圖2 鈦合金刀具試樣的紅外熱像序列圖Fig.2 Time-ordered infrared images of titanium alloy sample

圖2(a)所示為完好超聲刀具的紅外熱圖序列，可見溫度升高的部位是超聲換能器所在的位置。在施加超聲激勵(lì)后，超聲換能器在將電能轉(zhuǎn)化成聲能的同時(shí)，會(huì)伴有一定的能量損失。損失的能量會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能，因而引起換能器表面溫度的升高，在紅外熱像圖中可以明顯地看到。

圖2(b)所示為表面有微裂紋的超聲刀具的紅外熱圖序列，可見超聲換能器所在的位置也有明顯的溫度升高。但隨著超聲激勵(lì)加載，僅僅在2 s后，刀具底部靠近刀頭的部位開始出現(xiàn)異常發(fā)熱，且隨著超聲加載時(shí)間的增加，異常發(fā)熱現(xiàn)象更加明顯，說明此處存在缺陷。由于缺陷處的熱量集中，溫度開始升高，在超聲激勵(lì)加載之后熱量逐漸向周圍擴(kuò)散，直至達(dá)到熱平衡狀態(tài)為止。

將在實(shí)驗(yàn)中有異常發(fā)熱現(xiàn)象的鈦合金超聲刀具樣件進(jìn)行標(biāo)記，在200倍的顯微鏡下觀察其異常發(fā)熱部位，發(fā)現(xiàn)異常發(fā)熱處存在著微裂紋，裂紋開口寬度約為10 m，如圖3所示。

圖3 鈦合金刀具試樣的自然光圖像、紅外熱像圖及缺陷處的200倍的顯微圖像Fig.3 Image under natural light，infrared image，and image under microscope(×200)of TC4 sample

4 溫度場的有限元分析

對(duì)含有缺陷的三維物體，其瞬態(tài)溫度場T(x，y，z，t)在直角坐標(biāo)系中應(yīng)滿足熱擴(kuò)散方程［11］:

式中ρ為材料密度;c為材料比熱容;kx，ky，kz分別為材料的熱導(dǎo)率k沿x，y，z方向的分量;Q=Q(x，y，z)為物體內(nèi)部的體熱源密度;t為時(shí)間。

假設(shè)物體初始溫度均勻，且為環(huán)境溫度T0，即T|t=0=T0(x，y，z)?？紤]空氣對(duì)流對(duì)物體溫度場的影響，其對(duì)流傳熱邊界條件可表示為［12］

式中nx，ny，nz為邊界外法線的方向余弦;h為對(duì)流系數(shù);T0為外界環(huán)境溫度。

通常，缺陷處的局部溫度升高比較小，熱輻射影響可忽略。

由于樣品和缺陷的形狀往往是不規(guī)則的，對(duì)以上問題求其解析解很困難，所以采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。為了使分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有可比性，按照刀頭的實(shí)物結(jié)構(gòu)建立有限元模型。首先建立實(shí)物的幾何模型，在刀具的表面模擬一條寬度為10 μm，長度為3 mm的裂紋，如圖4(a)所示。將鈦合金刀具簡化為一個(gè)二維模型，然后劃分有限元網(wǎng)格，如圖4(b)所示。由于微缺陷尺寸很小，所以缺陷區(qū)域附近的網(wǎng)格要?jiǎng)澐值锰貏e細(xì)密，如圖4中白色區(qū)域所示，這樣才能得到較精確的解。

建立鈦合金刀具的幾何模型后，根據(jù)初始條件為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)施加初始溫度20℃;邊界上與空氣接觸的節(jié)點(diǎn)施加自由對(duì)流邊界條件，其對(duì)流系數(shù)h為3.0 W/(m2·K);加載的熱流密度為1×105W/(m2·K)，對(duì)裂紋區(qū)域加載持續(xù)時(shí)間為20 s。由于裂紋尺寸與刀具的尺寸相比很小，裂紋可以看作一個(gè)點(diǎn)源。計(jì)算所用到的鈦合金刀具的相關(guān)參數(shù):k=7 W/(m·K)，c=678 J/(kg·K)，ρ=4 450 kg/m3。

圖4 鈦合金刀具試樣的實(shí)體模型及有限元模型Fig.4 Solid model and FE model of TC4 sample

加載后計(jì)算鈦合金刀具在超聲激發(fā)開始后溫度分布圖，截取了超聲激勵(lì)1 s后的溫度云圖、超聲激勵(lì)5 s后的溫度云圖和超聲激勵(lì)10 s后的溫度云圖，如圖5所示。從圖5可看出，隨著超聲激勵(lì)時(shí)間的增長，裂紋處的發(fā)熱越來越明顯，且溫度升高很快。隨著時(shí)間的推移，裂紋處的熱量開始向周圍擴(kuò)散。如果超聲激勵(lì)持續(xù)下去，由于熱量向周圍擴(kuò)散的緣故，裂紋處變得不夠清晰。此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象完全一致。

利用有限元分析軟件還得到了裂紋中心溫度數(shù)據(jù)，其變化曲線如圖6所示，可見裂紋中心溫度隨著超聲加載時(shí)間的增加而升高，這與在實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象一致。

圖5 鈦合金刀具的溫度場分布云圖Fig.5 Temperature distribution of TC4 sample

圖6 缺陷中心溫度升高的有限元仿真曲線Fig.6 Graph of theoretically-computed temperature change in the center of the defected area

為定量分析超聲作用下缺陷中心溫度升高隨時(shí)間的進(jìn)展情況，利用紅外熱像儀記錄每幀紅外圖像的最高溫度點(diǎn)及其數(shù)值，并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)(表1)。由表1可見，計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，但數(shù)值略微偏高。分析其原因如下:(1)超聲刀具的刀頭雖然很薄，但仍有一定的厚度，若缺陷并非完全的表面缺陷，有一部分延伸至亞表面或內(nèi)部時(shí)，表面溫度會(huì)比缺陷中心溫度低;(2)在有限元分析中，在考慮邊界條件時(shí)，未考慮到刀具表面與空氣的熱交換效應(yīng);未考慮超聲換能器，將它做為理想熱源會(huì)引起誤差。

表1 有限元模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 FE simulation data and experiment data

5 結(jié)論

(1)超聲紅外熱像檢測(cè)技術(shù)針對(duì)鈦合金中微缺陷的定性檢測(cè)是有效的，利用超聲紅外熱像技術(shù)，可快速有效地檢測(cè)出鈦合金試件中的微裂紋。

(2)超聲波加載后會(huì)導(dǎo)致微缺陷處異常升溫，此升溫過程是一個(gè)平穩(wěn)的物理過程。高能量超聲脈沖在試件內(nèi)傳播的過程中，加載的高能量超聲波沒有導(dǎo)致試件損傷或缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，因此超聲紅外熱像檢測(cè)是無損檢測(cè)過程。

(3)有限元的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，說明本文建立的數(shù)學(xué)模型是正確、有效的。因此利用有限元方法進(jìn)行微缺陷瞬態(tài)溫度場的數(shù)值計(jì)算，可對(duì)微缺陷的定量計(jì)算提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

(4)在下一步的工作中，為了能夠準(zhǔn)確進(jìn)行缺陷的定量計(jì)算，應(yīng)該對(duì)現(xiàn)在有限元模型進(jìn)行改進(jìn)，如在有限元分析中，將超聲換能器的模型加入，會(huì)提高有限元分析的精度。

［1］Cantrell J H.Substructural organization，dislocation plasticity and harmonic generation in cyclically stressed wavy slip metals［J］.Proc.R Soc.Lond A，2004，460:1-24

［2］Morbidini M，Cawley P.A calibration procedure for sonic infrared nondestructive evaluation［J］.Journal of Applied Physics，2009，106:023504-1-023504-9.

［3］Zheng Kai，Zhang Hui，Zhang Shu-yi，et al.A dynamical model of subharmonic generation in ultrasonic infrared thermography［J］.Ultrasonics，2006，44:1343-1347.

［4］Han Xiao-yan，F(xiàn)avro L D，Ouyang Zhong，Thomas R L.Thermosonics:detecting cracks and adhesion defects using ultrasonic excitation and infrared imaging［J］.The Journal of Adhesion，2001，76(2):151-162.

［5］Hosten B，Bacon C，Biateau C.Finite element modeling of the temperature rise due to the propagation of ultrasonic waves in viscoelastic materials and experimental validation［J］.J.Acoust.Soc.Am.，2008:3491-3496.

［6］Han Xiao-yan，Md Sarwar Islam，Newaz G，et al.Further development of the simulation of sonic IR imaging of cracks in metals with finite element models［J］.Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation，2007，26:471-477.

［7］Samir Y Marzouk.Ultrasonic and infrared measurements of copper-doped sodium phosphate glasses［J］.Materials Chemistry and Physics，2009，114:188-193.

［8］Zhang Shu-yi.Ultrasonic infrared thermography and its applications in nondestructive evaluation［J］.Applied Acoustics，2004，23(5):1-6.

［9］洪毅，繆鵬程，張仲寧，等.超聲紅外熱像技術(shù)及其在無損檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2003，39:547-552.

［10］Han Xiao-yan，Md Sarwar Islam，Newaz G，F(xiàn)avro L D，et al.Finite-element modeling of the heating of cracks in sonic infrared imaging［J］.Journal of Applied Physics，2006，99:074905-1-074905-7.

［11］王勖成，邵敏.有限元法基本原理和數(shù)值方法(第二版)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1997:421-438.

［12］繆鵬程，米小兵，張淑儀，等.超聲紅外熱像檢測(cè)中缺陷發(fā)熱的瞬態(tài)溫度場的有限元分析［J］.南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2005，41:98-104.

Sonic infrared nondestructive evaluation of microcracks in titanium alloy

DUN Yi1，2，ZHOU Zhao-ying1，WU Ling1，WANG Shuan-jie2
(1.State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments，Tsinghua University，Beijing 100084，China;2.Mechanical Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

Based on the mechanism of sonic IR imaging and finite-element computation，a finite element model(FEM)of 2D heat conduction was established and used to compute the temperature variety process on the surface of samples excited by ultrasound in the defects.An experiment setup was established to test of microcracks in the samples made of titanium alloy.The results show that sonic IR imaging technique is convenient and effective in qualitative detection of the microcracks in titanium alloy.Result of the computation results fit well with the experiment，which indicates that the FEM is correct.The significance of this study lies in the fact that it is methodologically innovative and empirically valuable for providing a reference for nondestructive evaluation of microcracks in titanium alloy.

sonic IR imaging;ultrasonic NDT;titanium alloy;microcrack;finite element

TN219

A

1006-2793(2012)04-0555-04

2011-04-19;

2012-01-11。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50805145)。

敦怡(1973—)，女，博士，研究方向?yàn)槌暉o損檢測(cè)。E-mail:dnyee@126.com

(編輯:呂耀輝)