金屬材料表面涂層損傷的非線性超聲評價①

稅國雙，汪越勝

(北京交通大學(xué)力學(xué)系，北京 100044)

0 引言

表面涂層技術(shù)越來越廣泛地用于國防、航空、航天等領(lǐng)域，如固體火箭發(fā)動機中的密封層、防熱涂層。但由于涂層與基體材料不同，難免存在涂層與基體材料的局部分離、剝落，從而影響涂層的使用性能。又如在固體火箭發(fā)動機的生產(chǎn)過程中，為保證推進劑與絕熱層或殼體牢固地粘接在一起，在兩者之間設(shè)計了過渡涂層。為了保證固體火箭的使用性能，要求這一過渡涂層與基體材料間的界面粘接牢固可靠，并要求在長期的貯存后涂層性能仍滿足使用要求［1－2］。因此，需要一定的技術(shù)手段對上述涂層的性能狀況進行檢測。目前，超聲無損檢測技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用。雖然在固體火箭發(fā)動機的超聲無損檢測中，已經(jīng)可實現(xiàn)對于各界面完全空氣脫粘類缺陷的檢測，但對界面中存在的弱粘接缺陷及涂層內(nèi)部出現(xiàn)的損傷，目前仍無特別有效的檢測方法。

近年來的研究表明，表面涂層的損傷及涂層與基體材料間的界面粘接狀況與超聲信號的非線性效應(yīng)密切相關(guān)［3－5］。隨著表面涂層內(nèi)部及涂層與基體材料間的粘接界面損傷的產(chǎn)生和演化，單一頻率的超聲波在傳播時，由于材料的非線性將產(chǎn)生高頻諧波，即2倍、3倍等整數(shù)倍頻率的高階諧波［3］。本文利用Rayleigh波對AZ31鎂鋁合金試件表面的鎳合金涂層在拉伸載荷作用下的損傷演化進行非線性超聲無損評價研究，以期對該技術(shù)在固體火箭結(jié)構(gòu)中涂層損傷檢測的工程應(yīng)用積累一些基礎(chǔ)知識和技術(shù)。

1 Rayleigh波的非線性系數(shù)

設(shè)Rayleigh波沿半空間自由表面的x方向傳播，其中z坐標指向半空間物質(zhì)的內(nèi)部。縱波和橫波的位移勢函數(shù)為

在具有弱二次非線性的材料中，Rayleigh波傳播一定距離后，其二次諧波可近似表示為

對各向同性的材料來說，由于其三階彈性常數(shù)的對稱性，只有縱波與高階Rayleigh波有關(guān)。因此，在自由表面附近，Rayleigh波中基頻位移ux(ω;x，z)和倍頻位移ux(2ω;x，z)之間的關(guān)系與縱波的對應(yīng)關(guān)系一致。Rayleigh波的基頻和倍頻幅值滿足:

其中，β為Rayleigh波中縱波成分的非線性系數(shù);x為Rayleigh波的傳播距離。于是，由式(4)、式(6)和式(7)可得在z=0的自由表面Rayleigh波基頻與倍頻的位移關(guān)系。進一步可得Rayleigh波的非線性系數(shù)為

2 非線性超聲試驗裝置與實驗方法

2.1 試驗裝置

利用Rayleigh波進行金屬材料表面涂層損傷測試的試驗裝置如圖 1 所示。利用 Ritec SNAP－0.25－7－G2非線性超聲測試系統(tǒng)主機產(chǎn)生16個周期、頻率為2 MHz的正弦脈沖串超聲信號，該信號經(jīng)過50 Ω的阻抗匹配、衰減器和低通濾波器后，激勵粘接在有機玻璃斜楔上的鈮酸鋰(LiNbO3)晶片換能器，從而在試件表面激發(fā)Rayleigh波。在另一端，同樣利用鈮酸鋰晶片換能器和傾角相同的有機玻璃斜楔接收Rayleigh波，接收超聲信號的鈮酸鋰晶片換能器中心頻率為4 MHz。測試中，采用常規(guī)醫(yī)用超聲耦合劑對有機玻璃斜楔和金屬試件進行耦合。

由于接收到的Rayleigh波信號中，二次及以上的高次諧波一般都很微弱，所以將接收到的超聲信號的一路直接接入非線性超聲測試系統(tǒng)的主機Input 1端，另一路信號經(jīng)高通濾波、前置放大后接入非線性超聲測試系統(tǒng)的主機Input 2端。將主機接收到的兩路信號選取不同的增益，對接收信號中的低頻、高頻信號成分進行不同程度的放大，從而便于探測接收信號中微弱的高次諧波成分。

2.2 Rayleigh 波的激發(fā)

在實際應(yīng)用中，可利用多種不同的方法激發(fā)Rayleigh波，常見的方法有斜楔法和叉指換能器法。利用斜楔法激發(fā)Rayleigh波的原理為超聲換能器激發(fā)的縱波，通過斜楔入射至半無限大的固體介質(zhì)表面，根據(jù)Snell定理:

其中，c1為斜楔材料的縱波波速;c2為試件材料的Rayleigh波波速;φ1和φ2分別為入射角和折射角，如圖2所示。在試件中激發(fā)Rayleigh波的條件是φ2=90°。因此，斜楔中的縱波入射角為

由于固體介質(zhì)的Rayleigh波波速比縱波波速小，所以產(chǎn)生Rayleigh波的必要條件是試件材料的縱波速度要比斜楔材料的縱波速度大，才能保證sinφR≤1，從而有效地在試件中激發(fā)出Rayleigh波。一般采用有機玻璃作為斜楔的材料，其縱波波速為cw=2 670 m/s。于是，根據(jù)斜楔和試件材料中的Rayleigh波波速，就可確定斜楔的傾角φ。根據(jù)本文實驗中選取的材料，可確定斜楔中縱波相應(yīng)的入射角為65°。

在設(shè)計激發(fā)Rayleigh波的斜楔時，雖然斜楔的傾角φ是非常重要且需要主要考慮的參數(shù)，但最后確定斜楔的其他尺寸時，還需考慮下列因素。由于鈮酸鋰壓電晶片在斜楔中所激發(fā)的不是理想的平面縱波，其中只有主瓣的入射角滿足激發(fā)Rayleigh波的條件。因此，由于旁瓣的入射角不滿足Rayleigh波的激發(fā)條件，將導(dǎo)致在試件中激發(fā)體波，這就會減少試件中所激發(fā)Rayleigh波的能量。因此，在確定斜楔的形狀尺寸時，應(yīng)盡量將斜楔中縱波的傳播距離縮短。

圖3所示為利用該方法激發(fā)Rayleigh波后接收到的Rayleigh波超聲信號。

2.3 實驗方法

本文采用的試件為在AZ31鎂鋁合金表面電鍍鎳合金涂層，如圖1所示。涂層的幾何尺寸為長100 mm，寬30 mm，厚度約為0.5 mm;涂層材料的密度為8.9 g/cm3。在實驗過程中，首先利用電子萬能實驗機，將存在涂層的AZ31鎂鋁合金試件加載到特定的應(yīng)力后，然后將試件從電子萬能實驗機上卸下，利用圖1中的實驗裝置激發(fā)，并接收Rayleigh波。對接收到的信號加Hanning窗，進行快速傅里葉變換，得到基頻幅值A(chǔ)1和倍頻幅值A(chǔ)2，如圖4所示。為減小實驗測試中隨機因素的影響(如耦合方式等)，保證實驗結(jié)果準確可靠，對上述測試過程重復(fù)3次，每次都將有機玻璃斜楔從金屬試件完全移開，然后重新耦合進行測試。

完成上述測試后，再將試件拉伸到大于前一次加載的應(yīng)力，并再次對從電子萬能實驗機上卸下的試件進行同樣的非線性超聲測試，得到試件在本次應(yīng)力作用后的超聲波基頻和倍頻幅值。重復(fù)上述步驟，直到拉應(yīng)力達到150 MPa左右，涂層局部出現(xiàn)明顯的變化為止。圖5為試件表面涂層沒有明顯變化時的情形，圖6為試件在拉伸載荷作用下，其表面的涂層局部出現(xiàn)明顯變化時的情形。

3 非線性超聲測試結(jié)果與分析

在圖4中，A1和A2分別為壓電換能器接收到的Rayleigh波信號基頻和倍頻幅值，它們分別與式(8)中Rayleigh波的基頻位移uz(ω;x，0)和倍頻位移uz(2ω;x，0)成正比。因此，在傳播距離一定的情況下，Rayleigh波的非線性系數(shù)只與A1和A2有關(guān)。這里定義并采用如下相對非線性系數(shù)［7－8］:

于是，可根據(jù)式(11)計算得到Rayleigh波的相對非線性系數(shù)β′。記試件未經(jīng)應(yīng)力加載時的相對非線性系數(shù)為β′0，對試件加載不同應(yīng)力后的相對非線性系數(shù)β′除以β′0進行正則化，最終可得AZ31存在表面涂層的鎂鋁合金試件的正則化相對非線性系數(shù) β′/β′0(ANP)與應(yīng)力間的關(guān)系。

圖7為具有表面涂層的AZ31鎂鋁合金試件的正則化相對非線性系數(shù)β′/β′0與應(yīng)力間的關(guān)系，上述實驗數(shù)據(jù)是在對5個鎂鋁合金試件進行相同條件的測試基礎(chǔ)上得到的。

由圖7可看出，正則化相對非線性系數(shù)隨應(yīng)力增加而增大。雖然在應(yīng)力小于150 MPa左右的區(qū)間段內(nèi)，從外觀看，試件表面的涂層沒有明顯變化，但通過實驗測試得到的非線性系數(shù)隨著加載應(yīng)力的增加而不斷增加。由于在不同的載荷作用后，涂層界面會產(chǎn)生一定變化，而本文的實驗結(jié)果表明了非線性系數(shù)隨加載應(yīng)力的變化而變化。因此，通過非線性系數(shù)可反映涂層損傷的演化情況，從而達到對表面涂層損傷進行非線性超聲無損評價的目的。

4 結(jié)束語

本文嘗試在不同的拉伸載荷作用下，利用Rayleigh波對金屬材料表面涂層的損傷進行非線性超聲無損評價研究。結(jié)果表明，涂層外觀沒有明顯變化，其非線性系數(shù)隨加載應(yīng)力的增加而不斷增加。本文下一步工作是進一步研究表面涂層在其他不同載荷(如疲勞載荷)作用下，其性能變化的非線性超聲檢測。

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