300M 鋼熱損傷的巴克豪森檢測

王樹志，任學(xué)冬，喬海燕，葛子亮，趙 夢

（北京航空材料研究院檢測研究中心，北京 100095）

當通有交變電流的線圈靠近零件表面時，零件表面被交變磁化，由于材料磁疇的不可逆跳躍而在線圈中感應(yīng)出一系列的電壓脈沖信號稱為巴克豪森噪聲（簡稱BN）［1］。其主要影響因素分為兩類，即硬度和殘余應(yīng)力。

300M 鋼是一種超高強度鋼，用于飛機起落架等關(guān)鍵承力部件。該材料在機械加工特別是磨削加工過程中，容易造成工件表面熱損傷［2－3］。表面熱損傷亦稱燒傷，會影響材料的力學(xué)性能和抗腐蝕能力等。材料的強度越高，其疲勞壽命對表面的燒傷程度越敏感［4－5］。因此需要對燒傷及其燒傷程度進行檢測，而以往主要利用酸浸蝕法對表面燒傷進行檢測，酸浸蝕對零件表面有一定的破壞性，且工序繁瑣檢測效率低。目前在國外已開始對航空超高強度鋼的表面燒傷進行無損檢測，例如齒輪、起落架以及軸承等零件的熱損傷檢測［6－7］。近年來，我國開始逐步利用巴克豪森檢測法對磨削燒傷進行在線無損檢測，但缺少相關(guān)的標準規(guī)范以及靈敏度試樣。而采用激光快速加熱和空冷的方法制作不同燒傷程度的試樣是目前模擬熱損傷最可靠的方法，此方法對燒傷的溫度控制比較準確、方便［8］。通過調(diào)節(jié)不同激光功率對300M 鋼試樣表面進行不同程度的燒傷，然后利用BN 方法和酸浸蝕法進行檢測，確定燒傷級別和檢測靈敏度，為300M 鋼的磨削燒傷BN檢測對比試塊的制作提供依據(jù)。

1 使用設(shè)備及試樣的制作

1.1 設(shè)備

設(shè)備有芬蘭產(chǎn)的Rollscan 200型巴克豪森測試儀（亦稱磁彈儀），包括通用點探頭1套。磁化增益MAGN 為0～99倍可調(diào)。激光器設(shè)備為德國通快激光器TRUMPF6000，選用原始光斑積分鏡，光斑能量呈正太分布，離焦量200 mm，掃描速度400mm／min，光斑直徑8mm?？烧{(diào)節(jié)激光功率的大小以得到不同燒傷程度的燒傷斑。

1.2 試樣的制備

選擇最終熱處理狀態(tài)300M 鋼試樣，試樣尺寸如圖1 所示，厚度15 mm，試樣加工成型后，進行200 ℃回火，時間8h，空冷，以消除機械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，然后進行人工拋光以除去表面氧化層。由于在激光燒傷時，光滑的表面對激光的反射較大，造成激光能量的吸收率較低，同一功率在不同的表面狀態(tài)下的燒傷程度也會不同。因此，必須降低表面激光的反射率，傳統(tǒng)方法是采用刷涂吸光涂層的方法，該方法對吸光涂層的厚度以及均勻性較難控制，此處特采用吹砂的方法使試樣表面形成穩(wěn)定而均勻的漫反射表面，效果較好，因此燒傷試樣的熱損傷程度可以較為精確地得到控制。

對于激光功率大小的確定，可從0開始逐漸增加激光功率，直到試樣表面有燒傷的痕跡，記錄此時功率值P1。而后繼續(xù)增加激光功率值直到試樣表面剛剛出現(xiàn)重熔現(xiàn)象，記錄此時的功率值P2。重新選擇一塊等同的試樣，從功率P1開始燒傷，每次增加的量值不大于（P2－P1）×20%，直到功率P2為止。經(jīng)過試驗P1值為920 W，P2值為2 700 W，對圖1所示試塊的虛線部分進行激光模擬燒傷，從左到右功率分別設(shè)定為920 W，1 190 W，1 450 W，1 700 W，2 020 W，2 200 W，2 460 W，2 700 W。圖2所示為實際的燒傷試樣形貌，可以看出從左到右燒傷程度越來越嚴重，且燒傷斑表面出現(xiàn)氧化皮。

2 不同燒傷程度試樣的測試

2.1 巴克豪森（BN）信號測試

使用Rollscan 200巴克豪森測試儀及配套的探頭進行巴克豪森檢測，掃描方向垂直于燒傷斑方向，獲得不同燒傷程度的掃描曲線，如圖3（a），（b）所示。

2.2 酸浸蝕測試

使用為3%～6%（體積分數(shù)）的硝酸和3%～6%（體積分數(shù)）耐污染添加劑溶液，對試樣進行酸浸蝕檢測，檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 酸浸蝕后試樣燒傷形貌

2.3 試驗結(jié)果與分析

（1）由圖3的BN 信號曲線的分布情況可以看出，激光功率從920 W 至2 700 W 共計8條燒傷斑均有顯示。當功率為920 W 時，MBN 信號幅值不明顯，從1 190W 開始，信號幅值明顯增加。功率從920W 至1 700W 時，呈單峰形信號，且隨著功率增加幅值也隨之增加。當功率大于2 020 W 時，信號呈雙峰波形，且隨著功率的逐漸增加波谷值逐漸降低。

（2）由圖4 可以看出，當激光功率不大于1 190 W時，經(jīng)酸浸蝕檢測未發(fā)現(xiàn)燒傷變化，但巴克豪森檢測信號明顯，說明采用巴克豪森對300M 鋼進行檢測較酸浸蝕法靈敏度高。另外，當功率為1 450 W時，酸浸蝕檢測出現(xiàn)輕微黑色顯示，說明出現(xiàn)熱損傷缺陷，而當功率1 190 W 時所對應(yīng)的酸浸蝕檢測結(jié)果未發(fā)現(xiàn)熱損傷，因此功率為1 190 W 時所對應(yīng)的BN 值可以作為300M 鋼熱損傷巴克豪森檢測的驗收參考依據(jù)。

（3）由酸浸蝕檢測結(jié)果可以看出，當功率為920 W和1 190 W 時未出現(xiàn)顏色變化，說明此時表面未超過時效溫度，即未發(fā)生相變，但BN 信號有變化說明產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，同時也說明300M 鋼對熱比較敏感。當功率為1 450W 和1 700W 時為過回火燒傷，功率超過2 020 W 時燒傷斑中間開始出現(xiàn)亮白色邊緣發(fā)黑，說明燒傷斑中間出現(xiàn)了淬火燒傷，邊緣發(fā)黑部分則為過回火燒傷。因此，可以確定BN 信號為單峰時為過回火燒傷，而雙峰時為淬火燒傷。

（4）在不考慮殘余應(yīng)力的情況下，由BN 信號與材料的硬度關(guān)系可以解釋波形特征，過回火馬氏體由于硬度降低產(chǎn)生了較高的BN 信號。而淬火燒傷區(qū)域中間為未回火馬氏體，由于其硬度的增加使BN 信號值降低，且邊緣溫度相對中間較低，因此其仍為過回火馬氏體，產(chǎn)生較高的BN 信號值，進而產(chǎn)生了雙峰信號波形［9］。但是，燒傷對BN 值的影響主要為應(yīng)力和硬度，因此BN 信號波形實際反應(yīng)的仍然是應(yīng)力和硬度的共同作用。

3 結(jié)論

（1）采用BN 法對300M 鋼燒傷的檢測較酸浸蝕法檢測靈敏度和檢測效率更高。

（2）可通過BN 波形單峰還是雙峰來判斷是否為過回火燒傷還是淬火燒傷。

（3）通過調(diào)節(jié)激光的功率制作不同燒傷程度的巴克豪森檢測靈敏度對比試塊，制作工藝可控，可作為現(xiàn)場巴克豪森檢測系統(tǒng)校驗和驗收的參考依據(jù)。

（4）酸浸蝕法只能檢測溫度超過300M 鋼時效溫度的熱損傷，而BN 法既可以檢測熱損傷還可以檢測受熱溫度未超過時效溫度時所造成的殘余應(yīng)力集中區(qū)域。

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