離心輪內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展及其無損定量表征

吳英龍 宣海軍 單曉明 付汝龍

1.浙江大學(xué)航空航天學(xué)院，杭州，310027 2.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，株洲,412002 3.廣東汕頭超聲電子股份有限公司，汕頭,515065

0 引言

疲勞斷裂是發(fā)動機(jī)輪盤結(jié)構(gòu)最常見的失效機(jī)制之一，疲勞破壞對缺陷或不連續(xù)區(qū)域會有明顯的影響，而鈦合金輪盤在冶煉過程中常出現(xiàn)硬α夾雜缺陷。根據(jù)《航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定》(CCAR-33R2)中33.70條款的要求，需對發(fā)動機(jī)限壽件進(jìn)行損傷容限評估[1]，因此，有必要通過開展內(nèi)部夾雜缺陷、疲勞裂紋擴(kuò)展的高精度檢測工作來研究離心輪疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律以及進(jìn)行損傷容限評估[2]。

鈦合金離心輪試驗條件惡劣，型面復(fù)雜，動力無損檢測困難，理論分析誤差大，疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律較難掌握。而斷口真實地記錄了在載荷與環(huán)境作用下材料斷裂前的不可逆變形，斷口分析開辟了一個了解材料內(nèi)部夾雜缺陷特征、斷裂類型、疲勞裂紋擴(kuò)展過程特征的途徑。通過對4種扭轉(zhuǎn)疲勞試驗斷口進(jìn)行形貌觀察，文獻(xiàn)[3]研究了內(nèi)部疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展行為隨缺陷特性的變化。由于這一途徑具有破壞性，且基本只能定性、事后分析，因此無法即時獲得疲勞裂紋產(chǎn)生、發(fā)展的路徑信息。而開展損傷容限分析時首先需確定內(nèi)部夾雜缺陷或疲勞裂紋的位置，并選定初始疲勞裂紋長度，進(jìn)而進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展分析。相控陣全聚焦超聲掃描等無損檢測則提供了另一種間接地、無損地、全面地觀察內(nèi)部夾雜缺陷/疲勞裂紋擴(kuò)展特征，以及掌握疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的途徑[4-5]。由此可知，還亟需開展無損檢測定量研究。文獻(xiàn)[6]選取一維線陣相控陣探頭，采用絕對傳播時間法進(jìn)行了裂紋高度定量研究，分析了探頭參數(shù)、模塊參數(shù)及檢測狀態(tài)等對最終定量結(jié)果的影響。通過超聲相控陣有限元仿真和實驗相結(jié)合的方式，文獻(xiàn)[7] 進(jìn)行了缺陷的定性和定量分析。文獻(xiàn)[8]提出了基于多特征提取的金屬裂紋檢測方法，顯著提高了金屬裂紋識別率。文獻(xiàn)[9]通過有限元仿真及試驗分析了振動和超聲在裂紋面上的相互作用，并提出了用于裂紋檢測的定量方法。文獻(xiàn)[10]采用振動聲調(diào)制法進(jìn)行了金屬微裂紋的檢測研究。

針對某離心輪低循環(huán)、內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展問題，本文通過開展高速旋轉(zhuǎn)、低循環(huán)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗，進(jìn)行多種無損檢測工作以及斷口分析、仿真分析工作，研究了離心輪內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展及其無損定量表征。

1 試驗概況

1.1 低循環(huán)疲勞試驗概況

通過切開、挖孔、熱等靜壓焊合切割面等工序，在鈦合金棒材內(nèi)部指定位置預(yù)埋了一個圓柱體硬α夾雜種子。該種子由金屬鈦與氮化鈦粉末按比例混合、經(jīng)熱壓而形成(氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.4%)。之后，鈦合金棒材經(jīng)胎模鍛、粗加工、機(jī)加工成為離心輪，如圖1所示。該輪盤在高速旋轉(zhuǎn)試驗器上開展高溫、交變旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速低循環(huán)疲勞試驗，其上下限轉(zhuǎn)速分別為39 215 r/min、1500 r/min。受鍛壓影響，夾雜缺陷種子會發(fā)生變形、流動，并與基體部分融合形成離心輪的人工夾雜缺陷，其尺寸、位置、性質(zhì)均發(fā)生了較為明顯的變化。

圖1 離心輪示意圖Fig.1 Dimensions of centrifugal wheel

1.2 無損檢測概況

由圖1可知，離心輪厚度大、內(nèi)徑小、C面形狀復(fù)雜、B面徑向長度小，夾雜缺陷埋藏深，停機(jī)檢測時疲勞裂紋閉合。這使得離心輪內(nèi)部夾雜缺陷/疲勞裂紋擴(kuò)展無損檢測的定性、定量分析困難。為此，在0、6000、9000、12 000、20 000循環(huán)時，分別采用全聚焦法 (total focusing method,TFM)超聲檢測、衍射時差(time of flight diffraction,TOFD)超聲檢測識別夾雜缺陷/疲勞裂紋擴(kuò)展的內(nèi)部擴(kuò)展特征(位置、尺寸、形狀)。TFM檢測采用汕超CTS-PA22T型實時3D超聲全聚焦檢測系統(tǒng)。該檢測方式基于全矩陣數(shù)據(jù)采集的相控陣全聚焦超聲成像檢測技術(shù)，具有圖像聚焦精度高、夾雜缺陷/疲勞裂紋成像分辨力高、表面盲區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)?？紤]成像維度(用2D、3D分別表示線陣二維成像、面陣三維成像)、入射位置(B面或C面，見圖1)、入射角度(用P和S分別表示垂直入射和斜角入射)及探頭頻率(5 MHz和10 MHz)，開展了以下條件下的TFM檢測：TFM/2D/B/P(5 MHz)、TFM/2D/B/P(10 MHz)、TFM/3D/B/P(10 MHz)、TFM/3D/C/S(5 MHz)。檢測現(xiàn)場如圖2所示。TOFD檢測采用汕超CTS-PA22A相控陣超聲檢測系統(tǒng)，使用頻率為10 MHz的一發(fā)一收雙探頭，入射位置為C面。該檢測方式依據(jù)聲波經(jīng)過缺陷時產(chǎn)生的衍射波計算缺陷尺寸和位置，具有缺陷檢出率高、缺陷垂直方向的定量和定位精準(zhǔn)等特點(diǎn)。在21 500、21 700、21 789循環(huán)時，采用熒光滲透法(用于大范圍快速識別裂紋)、復(fù)型法(用于準(zhǔn)確測量裂紋長度)識別疲勞裂紋表面擴(kuò)展特征(位置、尺寸、形狀)。

(a) TFM 2D/B/P

2 疲勞裂紋擴(kuò)展無損表征

2.1 疲勞裂紋表面擴(kuò)展無損表征

20 000循環(huán)及之前各階段，采用目視和熒光滲透法時，未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋表面擴(kuò)展；21 500循環(huán)時(階段1)，A、D面首次發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋；21 700循環(huán)時(階段2)，A、D面的疲勞裂紋分別增長3.75 mm、0.9 mm；21 789循環(huán)時(階段3)，A、D面的疲勞裂紋分別又增長4.73 mm、2.66 mm，C面首次出現(xiàn)疲勞裂紋，B面未出現(xiàn)疲勞裂紋，此時，振動超限，離心輪接近破壞，試驗結(jié)束。圖3為21 789循環(huán)時，輪盤A、D、C面的熒光檢查照片。圖1中黑點(diǎn)及其標(biāo)識顯示了各檢測面在各檢測階段時裂紋前緣的位置，其中O0為裂紋最先到達(dá)輪盤內(nèi)表面的位置。采用復(fù)型法測量入口側(cè)、出口側(cè)輪盤表面的疲勞裂紋長度a(以O(shè)0為測量起點(diǎn))。令20 000～21 500循環(huán)為檢測區(qū)間Ⅰ；21 500～21 700循環(huán)為檢測區(qū)間Ⅱ；21 700～21 789循環(huán)為檢測區(qū)間Ⅲ；Δa/ΔN為各區(qū)間平均疲勞裂紋表面擴(kuò)展速率(使用下標(biāo)I、O分別標(biāo)識輪盤入口側(cè)、出口側(cè)，T、S分別標(biāo)識無損表征值、仿真值)。對于區(qū)間Ⅲ、輪盤入口側(cè)，受上端蓋約束，疲勞裂紋未擴(kuò)展至B面，但裂紋貫穿輪盤、直接擴(kuò)展至C面,令Δa為A2與C3的直線距離；對于其他區(qū)間及位置，Δa為疲勞裂紋長度a在該區(qū)間、輪盤入口側(cè)或出口側(cè)表面的增量。ΔN為各檢測區(qū)間的循環(huán)數(shù)。各區(qū)間的(Δa/ΔN)IT、(Δa/ΔN)OT對比如圖4所示。

(a) A面

圖4 Δa/ΔN試驗與仿真比較Fig.4 Test and simulation comparison of Δa/ΔN

由圖4可知：(Δa/ΔN)IT從12.3 μm/cycle增大至23.5 μm/cycle，后快速增大至142.7 μm/cycle；(Δa/ΔN)OT則受結(jié)構(gòu)影響，先從約24.5 μm/cycle減小至13 μm/cycle，后增大至26.1 μm/cycle；在區(qū)間Ⅰ，(Δa/ΔN)IT明顯小于(Δa/ΔN)OT；但在區(qū)間Ⅱ、Ⅲ，(Δa/ΔN)IT明顯大于(Δa/ΔN)OT。

2.2 疲勞裂紋內(nèi)部擴(kuò)展表征

令夾雜缺陷/疲勞裂紋與輪盤B面、C面中心的距離分別為LB、LC；夾雜缺陷/疲勞裂紋的最大高度為H，最大徑向長度為LR。

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，LB、LC無損表征值均未隨疲勞裂紋內(nèi)部擴(kuò)展發(fā)生明顯變化。TFM 3D/C/S、TOFD檢測均從復(fù)雜型面C面入射，其入射位置較低且未經(jīng)型面修正，由其獲得的LC表征值比從B面入射、由TFM 2D/B/P及TFM 3D/B/P檢測獲得的LB表征值小。

圖5～圖8所示為離心輪主要階段的TFM 3D/C/S(5 MHz)檢測結(jié)果。圖9、圖10所示分別為離心輪主要階段的TFM 2D/B/P(5 MHz)、TFM 2D/B/P(10 MHz)檢測結(jié)果。受試驗條件限制，部分檢測方法僅在部分階段實施。根據(jù)上述檢測結(jié)果可得夾雜缺陷或疲勞裂紋特征(H、LR)的無損表征值，如圖11所示，其中，超聲信號較強(qiáng)區(qū)域用實心標(biāo)識，超聲信號較弱區(qū)域用空心標(biāo)識；由于B面徑向尺寸小，因此TFM超聲檢測無法獲得LR。

秦鐵崖來京城之前，翻閱舊案卷宗，去了趟證物庫房，翻出這個煙花筒帶在身邊。秦鐵崖道：“你不叫喬十二郎，你是陸楓橋?！?/p>

圖5 TFM 3D/C/S檢測結(jié)果(5 MHz，20 000循環(huán))Fig.5 TFM 3D/C/S result(5 MHz,20 000 cycles)

(a) 9000循環(huán)

(a) 9000循環(huán)

(a) 9000循環(huán)

(a) 0循環(huán)

(a) 0循環(huán)

由圖5～圖11可知：TFM/3D/C/S(5 MHz)能在0、6000、9000、12 000、20 000循環(huán)的檢測中獲得夾雜缺陷/疲勞裂紋的表征信號及其變化(0循環(huán)和6000循環(huán)時，其H和LR表征值未出現(xiàn)明顯變化；9000循環(huán)及之后，其H和LR表征值明顯增大)；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其寬度切片的線狀特征以及長度切片的面狀特征越來越明顯。TFM/2D/B/P(10 MHz)、TFM/3D/B/P(10 MHz)、TOFD檢測也能在較早的循環(huán)數(shù)獲得夾雜缺陷/疲勞裂紋的表征信號。TFM/2D/B/P(5 MHz)則僅在20 000循環(huán)的檢測中發(fā)現(xiàn)夾雜缺陷/疲勞裂紋的表征信號。綜上可知，不同檢測方式獲得的H和LR表征值及其變化相差較大；從C面入射或使用較高頻率探頭的檢測方式具有更高的靈敏度。

(a) H

3 疲勞裂紋擴(kuò)展斷口及仿真分析

人工打開輪盤后，其斷口形貌如圖12所示。由圖12所示斷口分析可知：疲勞裂紋在內(nèi)部夾雜缺陷所在子午面處萌生、擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致離心輪破裂；夾雜缺陷距A面9.45 mm，距B面33 mm；夾雜缺陷最大高度為2.44 mm，最大徑向長度為2.48 mm；夾雜缺陷處等效應(yīng)力、周向應(yīng)力分別為445 MPa、477 MPa。通常認(rèn)為，每一條疲勞輝紋對應(yīng)一次載荷循環(huán)，因此，可根據(jù)斷口疲勞輝紋寬度計算裂紋擴(kuò)展速率da/dN：令Δa范圍內(nèi)疲勞條紋數(shù)為n，則da/dN=Δa/n。利用疲勞輝紋寬度反推疲勞應(yīng)力的誤差在15%以下[11-13]。通過掃描電鏡(SEM)可在斷口不同位置觀察到疲勞輝紋(圖13)，進(jìn)而獲得了疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗值。

(a) 疲勞區(qū)

圖13 掃描電鏡照片F(xiàn)ig.13 SEM photo

通過在夾雜缺陷部位設(shè)置φ1.6 mm的初始疲勞裂紋，施加上下限轉(zhuǎn)速交變載荷，使用ABAQUS和FRANC3D開展疲勞裂紋擴(kuò)展聯(lián)合仿真分析，獲得了離心輪疲勞裂紋擴(kuò)展等壽命曲線(圖1)、疲勞裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子(圖14)以及疲勞裂紋擴(kuò)展速率仿真值(圖15)。其中，圖14的橫坐標(biāo)表示提取點(diǎn)相對整條裂紋前緣的位置。

圖14 疲勞裂紋前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值Fig.14 Stress intensity factor amplitude at fatigue crack front

圖15 疲勞裂紋擴(kuò)展速率Fig.15 Fatigue crack growth rate

在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，夾雜缺陷或疲勞裂紋各特征量(H、LR)的斷口分析值如圖11虛線所示。由斷口反推可知，0循環(huán)和6000循環(huán)時疲勞裂紋仍在夾雜缺陷區(qū)萌生、擴(kuò)展，無損檢測表征的是夾雜缺陷的特征量，因此，0循環(huán)和6000循環(huán)時各無損檢測表征值未出現(xiàn)明顯變化；約8000循環(huán)后,疲勞裂紋進(jìn)入基體材料區(qū)，以疲勞裂紋的特征量為該階段的斷口值，由于疲勞裂紋隨循環(huán)次數(shù)發(fā)生擴(kuò)展，故H、LR的斷口值增大；疲勞裂紋中心的軸向位置未發(fā)生明顯變化。

4 對比分析

4.1 疲勞裂紋表面擴(kuò)展對比分析

雖然內(nèi)部疲勞裂紋表面擴(kuò)展壽命相對較短(約占總壽命8.2%)，但是，疲勞裂紋表面擴(kuò)展無損檢測表征值是判斷輪盤損傷狀態(tài)的直接信息，也是工程中相對容易檢獲的、準(zhǔn)確的信息。因此，本文通過疲勞裂紋表面擴(kuò)展仿真值與無損表征值的比較(圖4)來評價該階段仿真分析的準(zhǔn)確性。由圖4可知：

區(qū)間Ⅲ，(Δa/ΔN)T快速增大，且遠(yuǎn)大于(Δa/ΔN)S，特別是入口側(cè)，(Δa/ΔN)IT比(Δa/ΔN)IS大2.5倍左右。此時，因未考慮疲勞裂紋擴(kuò)展動態(tài)效應(yīng)、大范圍塑性及大變形，基于彈性力學(xué)、穩(wěn)態(tài)計算的疲勞裂紋擴(kuò)展仿真分析已不能反映該階段的疲勞裂紋擴(kuò)展。該區(qū)間壽命約占表面擴(kuò)展壽命的16.2%，占總壽命的1.3%，表明仿真計算誤差的影響相對較小。

4.2 疲勞裂紋內(nèi)部擴(kuò)展對比分析

經(jīng)檢測可知：LB、LC無損表征值與其斷口值、仿真分析值均未隨疲勞裂紋擴(kuò)展發(fā)生變化；TFM 2D/B/P、TFM 3D/B/P的LB表征值與其斷口值接近，而TFM 3D/C/S、TOFD檢測的LC表征值與其斷口值相差較大，因此，還需根據(jù)離心輪相關(guān)標(biāo)定試驗對復(fù)雜型面超聲成像算法進(jìn)行修正。

疲勞裂紋內(nèi)部擴(kuò)展階段，通過無損表征值與斷口值的對比，可以對各種無損檢測方法的定量表征能力進(jìn)行評價。由圖11可知：雖然受超聲散射、入射面、入射角度及探頭頻率等因素影響，H、LR的無損表征值與斷口值相差較大，但其具有相似的變化趨勢。0循環(huán)和6000循環(huán)時，無損表征值與斷口值均未發(fā)生明顯變化，表明無損檢測表征對象是夾雜缺陷，與斷口分析中該階段疲勞裂紋在夾雜缺陷區(qū)內(nèi)相一致。9000循環(huán)及之后，TFM 3D/C/S(5 MHz)、TFM 2D/B/P(5 MHz)的H和LR無損表征值出現(xiàn)明顯增大，變化與斷口值相似但增幅偏小，表明TFM檢測能識別疲勞裂紋的擴(kuò)展。若需定量表征，則需進(jìn)一步做好標(biāo)定工作。9000循環(huán)時離心輪的TOFD檢測結(jié)果與斷口分析一致，且該離心輪模擬盤的TOFD檢測結(jié)果也具有相同結(jié)論，因此，TOFD 檢測在垂直方向上的準(zhǔn)確定量和定位能力使其可作為TFM檢測的標(biāo)定工具之一。根據(jù)TOFD檢測的表征值，可適當(dāng)?shù)剡x擇合適的TFM檢測參數(shù)(如增益)，使用TFM檢測可較準(zhǔn)確地實現(xiàn)疲勞裂紋定量表征，結(jié)合C面夾雜缺陷位置定量表征，從而可獲得夾雜缺陷/疲勞裂紋的全部特征?；趭A雜缺陷/疲勞裂紋擴(kuò)展定量表征值即可開展離心輪的損傷容限評估及準(zhǔn)確監(jiān)測。

5 結(jié)論

為進(jìn)一步做好無損檢測定量表征工作，后續(xù)研究需結(jié)合標(biāo)塊、離心輪TOFD檢測等做好標(biāo)定工作，研制A面掃查小尺寸探頭，研究曲面對無損檢測精度的影響等。