GH4169合金環(huán)鍛件殘余應力超聲檢測

鄭雪鵬， 吳 偉

(南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室, 南昌 330063)

GH4169合金環(huán)鍛件是該材料經過熱加工制而成的一種冶金產品，再經過熱處理和機械加工就可以制造成新型航空和航天發(fā)動機中應用的各種關鍵零件，在發(fā)動機全程服役過程中，不能發(fā)生任何故障。

殘余應力對機械制造過程有著重要的影響。例如，零件機械加工過程中出現(xiàn)的零件尺寸變形問題，零件使用時產生的斷裂、應力疲勞失效問題，零件焊接時產生的應力變形導致裂紋產生等問題[1]。

目前傳統(tǒng)殘余應力的無損檢測方法主要為納米壓痕法、納米壓痕法、磁測法、超聲波法、X射線衍射法、中子衍射法。對比幾種不同的檢測方法[2]，針對工廠檢測的便捷性、高效性、大規(guī)模性、高性價比性的要求，由于GH4169材料對聲速較為敏感的材料特性及超聲檢測檢測方式便捷、檢測不會造成污染、檢測成本較低、檢測效率高、檢測操作簡單等特性。

殘余應力的超聲波法檢測是以聲彈性理論為基礎，利用彈性介質中聲速或者頻譜的變化與彈性介質內部應力之間理想的線性關系來進行測量[3]。早于1953年，固體中同性材料聲彈性理論就已經被提出，美國田納西大學物理系教授Hughes研究了聲波在固體中傳播時其傳播聲速與所受應力的關系，建立了早期的超聲橫縱波與應力大小間的關系表達式，奠定了超聲應力檢測的理論基礎[4]。隨后，Vangi等[5]開發(fā)了一種基于臨界折射縱波(longitudinal critical refracted wave，LCR波)的聲速測量裝置，實現(xiàn)了LCR波直接應力測量。在中國，關于LCR波應力檢測技術方面的研究也取得了顯著進展。李勇攀等[6]研究了鋼試樣中LCR波聲速和應力之間的關系，結果表明二者之間具有較高的相關性，實現(xiàn)了鋼試樣中LCR波聲速與應力之間關系的建立。南昌航空大學的盧超等[7]對LCR波探頭聲束的特性進行了邊界元分析與測量，探究了LCR波傳遞時其聲波能量的分布場，為LCR波檢測提供了理論依據。

1 LCR波應力檢測理論

超聲波屬于聲波，屬于機械波的一種。因其方向性好、能量高、穿透力強、能在界面上反射，折射和轉換波型等特點在無損檢測方面得到了廣泛的應用。

當縱波由壓電效應激發(fā)從聲速較慢的介質1斜入射到聲速較快的介質2中時，由斯涅耳定律可知，折射過程中存在著兩個入射臨界角，在大于或等于第一臨界角入射下，所有縱波將被反射或是轉換成界面波(一種較快衰減的爬波)，介質2內體縱波消失，只存在橫波。當入射角接近第一臨界角時，縱波將會在介質2表面激發(fā)出縱波場，該縱波場中包含折射縱波和頭波。這兩種波都滿足固體自由表面上傳播的邊界條件，即所有應力分量之和為0，且兩種波都以介質2中縱波波速傳播。頭波的位移幅度隨傳播距離的增加急劇衰減，而折射縱波的衰減系數(shù)與體波接近，能傳播較遠距離。該折射縱波即為臨界折射縱波，它沿介質2表面方向以縱波速度能傳播較遠距離[8]。LCR波的聲束示意圖如圖1所示。

圖1 LCR波聲束示意圖Fig.1 LCR wave sound beam schematic

依照非線性聲學理論，有應力的超聲縱波聲速表達式如式(1)所示[9]：

(1)

式(1)中：C為有應力作用超聲波縱波聲速；CL無應力作用無限大介質超聲波縱波聲速；σ為應力(拉應力為正號，壓應力為負號)；ρ0為介質密度；λ、μ為材料的拉曼常數(shù)；J、m為材料的三階彈性常數(shù)。

根據聲彈性原理，LCR波沿近表面以縱波特性傳播，當物體介質均勻且在簡單的方向固定的應力加載下時，其聲速與應力傳播方向應力大小有如下關系[10]：

(2)

式(2)中：ρ0為零應力狀態(tài)下材料的密度；V代表縱波聲速；σ代表施加的單向應力的大小(正方向表示拉伸應力，負方向表示壓縮應力)；λ和μ表示材料的二階聲彈性系數(shù)；m、n、l表示材料的三階聲彈性系數(shù)。由于λ、μ、m、n、l為材料固有的聲彈性系數(shù)，因此對上述公式可作近似簡化，進而可得出LCR波與沿其傳播方向的應力關系為

(3)

式(3)中：Δσ為應力變化量；Δv為LCR波聲速的變化量。分析該公式可知，均勻介質中LCR波聲速的變化與傳播方向上的應力呈近似線性的關系，當介質受到拉應力作用時，隨著所受拉應力的增加，LCR波聲速降低；當介質受到壓應力作用時，隨著所受到壓應力的增加，LCR波聲速降低，因此，理論上當LCR波在變形GH4169環(huán)鍛件中傳播時聲速增加，即代表其檢測點沿LCR波傳播方向的應力減小，而當LCR波在變形GH4169環(huán)鍛件中傳播時聲速減小，即意味著其檢測點沿LCR波傳播方向的應力增加。

令：

(4)

則可得出：

Δσ=KΔt

(5)

式中：Δt為LCR波傳播時的聲時差變化；T0為無應力時LCR波在AB兩點間傳播時所需時間；K為超聲應力系數(shù)，當介質的材料相同，傳播距離固定時，其超聲應力系數(shù)K固定，為一常數(shù)。K可通過對材料進行超聲應力系數(shù)標定試驗計算得出。

而當已知材料在固定傳播距離的超聲應力系數(shù)K及該材料零應力狀態(tài)下的聲速V0，則可通過測量到的測量點兩側超聲LCR波傳播聲時與零應力時相同距離下超聲LCR波傳播聲時之差Δt，進而反推出該測量點沿測量方向上的應力σ。

2 實驗系統(tǒng)及應力聲時系數(shù)測定

2.1 超聲應力檢測系統(tǒng)

搭建的LCR波應力檢測系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)由超聲LCR波收發(fā)探頭，超聲脈沖發(fā)射和接受儀器，數(shù)據采集卡及分析計算機組成。

結合LCR波檢測應力的理論基礎，對LCR波試驗系統(tǒng)及探頭進行了設計，通過仿真試驗利用控制變量法對試驗的檢測頻率、折射角度、探頭間距進行了優(yōu)選，通過對GH4169實際試樣LCR波進行檢測對比試驗，最終確定LCR波入射角為28°、超聲探頭頻率為10 MHz、探頭間距離為10 mm。其LCR波形圖如圖3所示。由于LCR波沿介質表面以縱波聲速傳播，因此為第一個收到的波型信號。激發(fā)同步信號與LCR波信號之間的距離為LCR波渡越距離。

圖2 LCR波應力檢測系統(tǒng)Fig.2 LCR wave stress detection system

圖3 LCR波波形Fig.3 LCR waveform

2.2 應力聲時系數(shù)測定

GH4169環(huán)鍛件應力聲時系數(shù)測定系統(tǒng)由已建立的LCR波應力檢測系統(tǒng)和拉伸壓縮試驗系統(tǒng)兩部分組成。拉伸壓縮試驗系統(tǒng)所用拉伸壓縮試驗機為WDW—600E微機控制電子式萬能試驗機，其最大試驗力為600 kN。

根據標準《金屬力學性能試驗》(GB/T 24182—2009)，設計制作材料牌號為GH4169的拉伸試樣[圖4(a)]與壓縮試樣[圖4(b)]。試樣取樣于某型航空發(fā)動機GH4169壓氣機盤原料。其屈服強度約為1 100 MPa，拉伸試樣有效拉伸區(qū)域尺寸為70 mm×20 mm×4 mm，壓縮試樣尺寸為50 mm×25 mm×20 mm。

圖4 GH4169應力標定試驗試樣Fig.4 GH4169 stress calibration test sample

為避免試樣內部殘余應力影響試驗結果的準確性，對拉伸及壓縮試樣進行700 ℃，保溫1.5 h，隨爐冷卻的去應力退火處理，既保證實現(xiàn)GH4169試樣的去應力處理，又保證試樣內部組織不受熱處理的影響。

對拉伸試驗拉力與LCR波回波關系進行記錄，從0 N時開始，拉力每增加10 kN時，記錄LCR波回波，直至拉斷。對壓縮試驗壓力值與LCR波回波進行對應關系記錄，從0 kN時開始，壓力每增加10 kN時，對LCR波回波進行記錄，直至壓力為500 kN時停止記錄。

對采集卡所記錄的LCR波回波聲時參數(shù)取均值，建立拉應力、壓應力變化量Δσ與聲時差Δt之間的關系如圖5所示，并分別對二者之間的關系進行擬合。得到拉應力與聲時差擬合線性關系表達式為Δt=0.04ΔσF+0.002 47，其擬合相關系數(shù)為0.960 1，得到壓應力與聲時差擬合線性關系表達式為Δt=-0.039ΔσF+0.002 183，其擬合相關系數(shù)為0.904 8。

圖5 應力-聲時關系曲線Fig.5 Stress-acoustic relationship curve

由擬合結果可知，應力增加量ΔσP和聲時差Δt之間存在明顯線性關系。將拉應力、壓應力聲時相關系數(shù)分別定義為KF與KP，易得KF與KP的值，兩者極為接近，可得出GH4169超聲應力標定試驗結果準確，對二者取均值，記為

K=25.3 MPa/ns

(6)

即為探頭間距為10 mm時，GH4169環(huán)鍛件的超聲應力系數(shù)。結果表明在GH4169環(huán)鍛件LCR波應力檢測時，聲時差每增加1 ns，則存在25.3 MPa的拉應力，聲時差每減少1 ns，則存在25.3 MPa的壓應力。此結論可直接用于GH4169環(huán)鍛件超聲應力檢測中來判斷其殘余應力大小及分布。

3 GH4169環(huán)鍛件殘余應力檢測及分析

3.1 仿真模擬分析

試驗均使用變形GH4169制某型航空發(fā)動機壓氣機四級盤，其材料化學組成成分如表1所示。

該GH4169環(huán)鍛件冶煉方法為真空感應熔煉+真空自耗重熔，熱加工工藝過程為加溫—鐓粗—模鍛，如圖6所示。

工藝采用螺旋壓力機鐓粗和模鍛工藝路線，其熱加工參數(shù)如表2所示。

試驗對該GH4169壓氣機四級盤成型過程進行模擬，設定其變形溫度為990 ℃，設置使用模具溫度為300 ℃。變形速度：10 mm/s。

餅坯與鍛件的熱力參數(shù)分布如圖7所示。餅坯大部分區(qū)域等效應變在0.25～0.75之間，溫度在995～1 030 ℃之間。最大等效應變和最高溫度位于餅坯心部，最大等效應變?yōu)?.9，最高溫度為1 030 ℃。上下端面存在小變形區(qū)，約占厚度的1/2。下端面溫度較低。鼓肚表面等效應變在0.4左右，溫度在940 ℃左右。鍛件大部分區(qū)域等效應變在1.0～1.6之間，溫度在995～1 020 ℃之間。最大等效應變位于心部連皮。最小等效應變及最低溫度位于輪轂上端面。應力結構模型如圖8所示。

表1 某型GH4169壓氣機盤化學成分Table 1 Chemical composition table of a certain type of GH4169 compressor disk

圖6 高溫合金環(huán)鍛件熱加工過程Fig.6 Hot working process diagram of superalloy ring forgings

圖7 熱力參數(shù)分布Fig.7 Cake embryo and forgings thermal parameter distribution

表2 熱加工工藝參數(shù)Table 2 Thermal processing parameters

圖8 GH4169鍛件應力結構模型Fig.8 GH4169 forgings stress structure model diagram

3.2 環(huán)鍛件整體應力超聲法檢測過程及結果

使用超聲LCR波法對整盤進行應力數(shù)據采集，對粗加工狀態(tài)的壓氣機四級盤整體沿周向進行十八等分，整圈進行距離相等的十八個點位采集，分別對盤面外圈(記為Z1)、盤周向(記為Y1)、盤面內圈(記為Z2)共進行三圈的點位采集。采集示意圖如圖9所示，采集過程如圖10所示，試驗使用了3D打印機對不同位置進行不同對應夾具的打印，該組夾具保證了數(shù)據采集的穩(wěn)定性、可靠性。其應力分布圖如圖11所示。

圖9 采集點位示意Fig.9 Collection point

圖10 采集過程Fig.10 Acquisition process

3.3 GH4169環(huán)鍛件噴丸前后應力比對

GH4169鍛件由棒材經過加溫、鐓粗、模鍛加工至環(huán)鍛件后，會在整環(huán)產生大量的周向殘余拉應力，該周向殘余應力會對對材料的疲勞強度產生極大的影響，大幅度降低其工作壽命，針對該類問題，引入了噴丸強化技術。

噴丸強化后，材料的表面及表面層發(fā)生以下三種變化：表層引入殘余應力場、 表層形成塑性變形組織、表層粗糙度發(fā)生變化。而適當?shù)乜刂票韺託堄鄳龅囊雲s可以使材料的應力腐蝕應力變形等問題得到一定程度的改善。

圖11 應力分布Fig.11 Stress distribution

對四級盤進行沿周向區(qū)域劃分，在盤面定位沿周向等距同圓心的8個點并標記。每個點進行橫向和縱向兩次測量超聲殘余應力測量，分別記為X軸和Y軸，檢測示意如圖12所示。對工件進行噴丸處理，對噴丸后的相同點位進行X軸及Y軸的超聲應力測量。其結果如圖13所示。

圖12 噴丸件應力檢測示意圖Fig.12 Schematic diagram of stress detection of shot blasting

圖13 噴丸前后應力對比Fig.13 Stress comparison before and after shot peening

4 結論

(1)通過超聲LCR波檢測壓氣機四級盤殘余應力，可以明顯發(fā)現(xiàn)渦輪盤的周向存在不均勻的拉應力(高達500～600 MPa)，且殘余應力大小和仿真計算結果接近，殘余應力的存在，會導致加工變形和降低渦輪盤的疲勞壽命。

(2)為降低拉應力應力和使得渦輪盤的應力均勻化，對渦輪盤進行噴丸處理，通過LCR波殘余應力測量發(fā)現(xiàn)，噴丸施加沖擊力降低了部分渦輪盤存在的縱向軸向壓應力，降低渦輪盤加工變形的風險，并提高了疲勞強度。

試驗證明LCR波超聲測應力方法所測得應力分布及變化與實際情況基本一致，可以實現(xiàn)對實際GH4169環(huán)鍛件進行應力檢測，檢測準確度較高。