基于非線性超聲的SLM制備車用合金疲勞損傷檢測＊

賈廣輝 袁留奎 常 浩 張 昊

（①河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南 鄭州 450000；②東風(fēng)越野車有限公司整車開發(fā)部，湖北 武漢 430056；③東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

進(jìn)行車輕量化用材料加工處理時(shí)，可以利用選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）的方法來達(dá)到快速成型的效果，也可以通過該方法制備得到結(jié)構(gòu)致密的部件[1?2]。隨著人們對SLM加工技術(shù)的研究不斷深入，該加工技術(shù)已從最初被應(yīng)用于概念模具拓展到了對技術(shù)要求更高的高精度設(shè)備、醫(yī)學(xué)儀器等領(lǐng)域[3?4]。為了提升SLM部件的使用可靠性并延長服役壽命，要求SLM部件還沒有產(chǎn)生缺陷狀態(tài)下就準(zhǔn)確診斷初始損傷。當(dāng)部件在使用階段出現(xiàn)疲勞損傷時(shí)，將會(huì)造成微缺陷的明顯拓展，最終導(dǎo)致零部件發(fā)生損毀。為了對上述缺陷問題進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，有學(xué)者開發(fā)了無損檢測的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)疲勞損傷位置和程度的綜合判斷。目前已經(jīng)形成了滲透、X射線檢測等多種處理方法[5]，能夠同時(shí)滿足對裂紋、微孔和夾雜物等缺陷的檢測需求，但無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷金屬材料疲勞損傷缺陷狀態(tài)。

近些年來，已有許多研究人員開展了材料缺陷的聲學(xué)檢測分析[6]，結(jié)果顯示當(dāng)金屬部件使用階段產(chǎn)生疲勞損傷后將會(huì)引起微缺陷，之后在超聲波環(huán)境中產(chǎn)生相應(yīng)的特征信號，表現(xiàn)為非線性變化的聲學(xué)響應(yīng)效果，目前已有許多學(xué)者利用非線性聲學(xué)響應(yīng)的原理來表征金屬材料的疲勞損傷程度并被廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域[7]。許國琛[8]開發(fā)了一種可以對鈦合金疲勞裂紋進(jìn)行線性與非線性檢測的新方法，并將該方法測試的結(jié)果跟超聲相控陣檢測結(jié)果進(jìn)行了比較分析。徐顯勝[9]通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試了疲勞加載工況下對選區(qū)激光熔融316L不銹鋼進(jìn)行超聲非線性測試疲勞壽命的結(jié)果。發(fā)現(xiàn)進(jìn)行超聲波檢測時(shí)會(huì)形成變化幅度很大的二次諧波，并且當(dāng)疲勞周期延長后獲得了更大的超聲非線性系數(shù)。將選區(qū)激光熔融GH4169鎳基合金置于不同工況下進(jìn)行測試時(shí)會(huì)導(dǎo)致疲勞損傷問題[10?11]。目前關(guān)于這方面的研究多是通過材料微觀機(jī)理開展研究，從機(jī)械力學(xué)疲勞信號角度研究方面尚有不足。本文根據(jù)非線性超聲的原理，選擇高次諧波的檢測方式對完成疲勞加載測試后的選區(qū)激光熔融制備的GH4169鎳基合金開展非線性超聲測試，結(jié)果顯示，可以根據(jù)超聲非線性系數(shù)精確判斷試件的疲勞損傷狀態(tài)，可以通過高次諧波檢測技術(shù)快速測定選區(qū)激光熔融GH4169鎳基合金的疲勞損傷。

1 非線性超聲基本理論

根據(jù)超聲檢測結(jié)果可知[12]，金屬材料產(chǎn)生非線性變化特征的因素包括晶格滑移、材料組織位錯(cuò)和微裂紋等，上述各類缺陷分別跟相應(yīng)頻率超聲波作用而形成明顯的高次諧波[13]。

一維縱波在非線性介質(zhì)中傳播時(shí)，對應(yīng)小應(yīng)變狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)過程表達(dá)式如下[14]:

以下給出了一維縱波非線性超聲波動(dòng)計(jì)算式：

式中：t表示傳播時(shí)間；c是聲波速度；x表示傳播距離。

按照攝動(dòng)法作用機(jī)制，可以得到波動(dòng)方程（1）二階近似解如下:

式中：A1表示超聲波振動(dòng)幅度；ω表示頻率；k表示波數(shù)；β表示非線性系數(shù)。

二次諧波幅值A(chǔ)2如下[15]：

結(jié)合式（4）得到超聲非線性系數(shù)β：

試樣收到疲勞損傷后，會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生晶格畸變，微裂紋等缺陷。此時(shí)有超聲波通過是會(huì)產(chǎn)生高次諧波，導(dǎo)致基波和二次諧波的幅值均發(fā)生變化。式（5）表明，通過基波和二次諧波的幅值可以計(jì)算出β，其能夠用于表征試樣的疲勞損傷程度。

2 材料及試樣制備

2.1 材料

本次使用的原料為球形GH4169鎳基合金顆粒，以SLM加工制得試樣。通過微觀形貌表征確定粉末粒徑介于10～55 μm，具體形貌見圖1。

圖1 GH4169鎳基合金顆粒SEM圖像

2.2 試樣制備

本實(shí)驗(yàn)選擇圖2所示的AM400SLM增材系統(tǒng)作為測試設(shè)備。表1給出了實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)，用于疲勞測試的樣品按照GB/T 3075-2008表征進(jìn)行制備。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

表1 主要加工參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與測量方法

超聲檢測原理如圖3所示，測試系統(tǒng)裝置包括MTS810疲勞測試機(jī)與非線性超聲測試系統(tǒng)兩部分。

圖3 超聲檢測原理示意圖

根據(jù)疲勞測試結(jié)果判斷選區(qū)激光熔融合金經(jīng)過不同次數(shù)循環(huán)疲勞載荷測試后得到的超聲非線性系數(shù)。以MTS810疲勞測試機(jī)對合金材料實(shí)施拉伸疲勞測試，設(shè)置了三角結(jié)構(gòu)的疲勞波形，控制應(yīng)力比為0.1，以10 Hz頻率進(jìn)行疲勞施加載荷，加載應(yīng)力最高可以達(dá)到500 MPa。對試樣進(jìn)行疲勞測試期間完成非線性超聲測試，設(shè)定5 000次疲勞載荷作為一個(gè)周期。到達(dá)設(shè)定疲勞周期時(shí)，測試過程自動(dòng)停止并保持恒定拉伸載荷，利用非線性超聲檢測設(shè)備對試件實(shí)施檢測。從試件上選擇3個(gè)部位作為非線性超聲檢測區(qū)域，拉伸試樣尺寸和各區(qū)域分布位置見圖4，圖中123是檢測位置,1是縮頸處，2是左喇叭口處，3是右喇叭口處；圖5給出了拉伸設(shè)備照片。

圖4 拉伸試樣尺寸

圖5 拉伸設(shè)備照片

按照以下各項(xiàng)步驟進(jìn)行檢測：首先，信號發(fā)生器形成5 MPa與周期為10的正弦波；然后，通過發(fā)射傳感器完成激勵(lì)波的發(fā)射過程，并調(diào)節(jié)激勵(lì)信號達(dá)到不同幅值；隨后，超聲波信號沿厚度進(jìn)行傳播的過程中遇到內(nèi)部微缺陷將會(huì)形成二次諧波，通過安裝于試件上的信號探測器實(shí)現(xiàn)超聲波信號采集過程；最后，中心頻率設(shè)定為10 MPa，經(jīng)快速傅里葉轉(zhuǎn)換獲得基波與二次諧波信號，由此計(jì)算出超聲非線性系數(shù)的相對值。測試直到試件發(fā)生斷裂時(shí)為止。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 接收信號的時(shí)域和頻域分析

對沒有經(jīng)過疲勞加載測試的試樣實(shí)施非線性超聲測試，圖6為疲勞加載前信號時(shí)域和頻域圖。在疲勞加載周期18 000次后，圖7為疲勞加載后信號時(shí)域和頻域圖。比較圖6與圖7可知，對比疲勞加載前后，時(shí)域信號表現(xiàn)為穩(wěn)定的波形狀態(tài)，在這種情況并不能根據(jù)時(shí)域信號準(zhǔn)確判斷試件發(fā)生疲勞損傷的程度。分析頻率信號可知，位于頻率4.2 MHz部位形成了基波幅值，當(dāng)頻率達(dá)到9.6 MHz時(shí)檢測獲得二次諧波幅值，可以明顯發(fā)現(xiàn)二次諧波與基波相比形成了更低幅值。與初始試件相比，經(jīng)過18 000次疲勞測試后，試樣形成了更大變化幅值的信號。相比較時(shí)域信號，頻域信號能夠更為準(zhǔn)確地反映試件疲勞損傷程度。

圖6 疲勞加載前信號時(shí)域和頻域圖

圖7 疲勞加載后信號時(shí)域和頻域圖

圖8是對選區(qū)激光熔融制備合金進(jìn)行掃描電鏡表征獲得的圖像，根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)變化特征對試樣發(fā)生疲勞加載前進(jìn)行非線性超聲測試信號形成的二次諧波進(jìn)行分析。SLM加工方式是通過高能激光束來實(shí)現(xiàn)加熱效果，能夠以極快速度完成升、降溫得到凝固態(tài)組織，達(dá)到以常規(guī)手段不能滿足的非平衡狀態(tài)，從而形成了具有明顯各向異性特點(diǎn)的組織。

圖8 疲勞加載前后試樣的SEM像

對圖8進(jìn)行分析可知，此時(shí)在試樣微觀組織中形成了等軸晶形態(tài)的組織。大部分柱狀晶都表現(xiàn)出較強(qiáng)的方向性，位于相同熔池中的柱狀晶形成了幾乎一樣的排列方向，并跟熔合線之間形成了特定的角度。進(jìn)行加工處理時(shí)，激光功率以及掃描過程的間距和方式都會(huì)對最終材料加工性能產(chǎn)生影響，由此造成缺陷產(chǎn)生。具有各向異性分布的柱狀晶、微缺陷與熔合線都會(huì)引起試樣在非線性超聲檢測過程中形成二次諧波。對經(jīng)過18 000個(gè)周期加載測試后的試件通過非線性超聲測試發(fā)現(xiàn)，也會(huì)引起頻域信號內(nèi)形成基波與二次諧波的情況，并產(chǎn)生了更大幅值的二次諧波。發(fā)現(xiàn)此時(shí)形成了大量疲勞裂紋。當(dāng)試樣中形成疲勞損傷裂紋時(shí)將會(huì)造成二次諧波幅值的明顯上升。各個(gè)加載工況下的超聲非線性系數(shù)，以此表征SLM加工方法制備的試樣中出現(xiàn)的疲勞損傷。

4.2 測量位置對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

針對不同測量位置引起的非線性超聲檢測差異性，對圖4中3個(gè)不同試樣部位進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)分析。計(jì)算β/β0再對其實(shí)施歸一化。根據(jù)循環(huán)加載周次和疲勞壽命比值判斷疲勞損傷情況。

圖9顯示在圖4中測試區(qū)域1的部分形成了很小的橫截面，而在測試點(diǎn)2與3則了形成了很大的橫截面，同時(shí)發(fā)現(xiàn)測試點(diǎn)2、3在點(diǎn)1兩邊呈現(xiàn)對稱分布的特征，施加同樣外部載荷時(shí)，測試點(diǎn)1相對2、3表現(xiàn)出更明顯應(yīng)力集中的狀態(tài)。從圖9中可以看到分別對3個(gè)部分測試部位進(jìn)行非線性超聲測試并計(jì)算得到的β/β0變化趨勢，增加疲勞周期后，都表現(xiàn)為比值不斷增大的變化規(guī)律，形成了相近的變化特征。測量點(diǎn)1在不同疲勞周期中發(fā)生了超聲非線性系數(shù)的較大改變，與測試點(diǎn)1相比，測試點(diǎn)2、3超聲非線性系數(shù)跟疲勞周數(shù)之間雖然也呈現(xiàn)正相關(guān)的特點(diǎn)，但只發(fā)生了小幅增長。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是進(jìn)行疲勞加載時(shí)，測試點(diǎn)1區(qū)域發(fā)生了內(nèi)部大幅變形的情況，從而引起超聲非線性系數(shù)也出現(xiàn)較大改變。

圖9 3個(gè)測點(diǎn)的疲勞測試結(jié)果

5 結(jié)語

（1）二次諧波與基波相比形成了更低幅值。與初始試件相比，經(jīng)過18 000次疲勞測試后，試樣形成了更大變化幅值的信號。

（2）試樣組織中形成了等軸晶形態(tài)，大部分柱狀晶表現(xiàn)出較強(qiáng)的方向性，位于相同熔池中的柱狀晶形成了幾乎一樣的排列方向。周期疲勞試樣形成了大量疲勞裂紋。

（3）增加疲勞周期后，非線性超聲測試變化不斷增大，形成了相近的變化特征。與測試點(diǎn)1相比，測試點(diǎn)2、3超聲非線性系數(shù)跟疲勞周數(shù)之間雖然也呈現(xiàn)正相關(guān)的特點(diǎn)，但只發(fā)生了小幅增長。