基于涂層材料分布狀態(tài)的超聲-應(yīng)力反演模型構(gòu)建

柯慶鏑 羅俊友 蔣守志 黃海鴻

1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工業(yè)綠色設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥,2300092.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,合肥,230009

0 引言

當(dāng)前,增材制造技術(shù)逐漸被應(yīng)用到機(jī)械制造領(lǐng)域中,其工藝原理主要為利用高能離子束或激光束熔化金屬合金粉末或金屬絲材,根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將金屬粉末按照一定規(guī)律堆積在基體材料上,實(shí)現(xiàn)金屬零件的增材制造[1]。在增材制造過(guò)程中,由于存在金屬液固相變過(guò)程,導(dǎo)致增材涂層結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻,會(huì)形成涂層結(jié)構(gòu)缺陷,并可能影響到所制造零件的力學(xué)性能及可靠性,因此,在金屬增材制造過(guò)程中,檢測(cè)與評(píng)估成形結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài),對(duì)保障涂層結(jié)構(gòu)及其零件的服役性能和可靠性具有重要意義。

針對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的檢測(cè)與評(píng)估問(wèn)題,相關(guān)學(xué)者已利用超聲[2]、磁信號(hào)[3]、渦流[4]等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。由于超聲檢測(cè)技術(shù)具有成本、探測(cè)深度及適應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)[5-6],因此部分研究集中于利用超聲檢測(cè)技術(shù)分析成形結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。WANG等[7]推導(dǎo)了正交各向異性材料中的超聲傳播時(shí)間與主應(yīng)力間的改進(jìn)方程;DEMCENKO等[8]通過(guò)對(duì)剛度矩陣的改進(jìn),分析了一維多層彈性材料的超聲波速與外加應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系;ZHAN等[9]基于激光超聲技術(shù)獲得的聲彈性系數(shù)評(píng)估了鈦合金焊接板中的殘余應(yīng)力。針對(duì)增材制造中涂層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性,LEMLIKCHI等[10]將最大似然估計(jì)法與Levenberg-Marquardt算法結(jié)合對(duì)涂層中的超聲信號(hào)進(jìn)行了估計(jì),結(jié)果表明超聲波速度和信號(hào)衰減速度會(huì)隨著涂層材料的硬度增大而變大。YAN等[11-12]利用瑞利波和臨界折射縱波(LCR波)評(píng)估了激光熔覆層的表面應(yīng)力;WANG等[13]提出了一種基于參數(shù)的等效建模方法來(lái)預(yù)測(cè)涂層結(jié)構(gòu)的殘余熱應(yīng)力場(chǎng)。

以上研究均是利用應(yīng)力場(chǎng)中超聲傳播變化規(guī)律構(gòu)建對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與超聲信號(hào)映射模型,進(jìn)而分析各類金屬結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力狀態(tài)的。但以上映射模型均基于所檢測(cè)結(jié)構(gòu)的材料聲彈性系數(shù),在增材制造成形過(guò)程中,涂層結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的成形過(guò)程并不一致,其聲彈性特征也會(huì)隨材料分布狀態(tài)而產(chǎn)生變化,并直接影響其超聲無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的精度與可靠性[14],而現(xiàn)有的針對(duì)涂層區(qū)域材料分布下聲彈性特征及其對(duì)聲信號(hào)傳播影響的相關(guān)研究較少,因此,本文基于金屬材料聲彈性特征與超聲信號(hào)之間的映射關(guān)系,通過(guò)分析涂層結(jié)構(gòu)中材料分布狀態(tài),討論涂層結(jié)構(gòu)的聲彈性特征表達(dá),建立面向涂層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力反演模型。隨后,開(kāi)展不同應(yīng)力狀態(tài)下涂層結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證并分析所提出的涂層結(jié)構(gòu)聲彈性特征表達(dá)的有效性及可行性。

1 涂層結(jié)構(gòu)中聲彈性特征表達(dá)

1.1 超聲傳播及聲彈性理論基礎(chǔ)

在初始無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的固體彈性材料中,超聲縱波的初始速度僅與材料性質(zhì)有關(guān),關(guān)系如下[15]:

(1)

式中,v0為零應(yīng)力狀態(tài)下的超聲波傳播速度;ρ0為初始無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下固體彈性介質(zhì)的密度;λ、μ均為固體彈性介質(zhì)的一階、二階Lame常數(shù)。

應(yīng)力狀態(tài)下的超聲縱波傳播速度v與初始速度v0的關(guān)系式為

(2)

式中,k為聲彈性系數(shù);σ為應(yīng)力值(正數(shù)表示拉伸應(yīng)力,負(fù)數(shù)表示壓縮應(yīng)力)。

對(duì)于均勻分布簡(jiǎn)單一維應(yīng)力的固體彈性介質(zhì),其材料不變,即聲彈性系數(shù)k視為不變,則應(yīng)力分布均勻,應(yīng)力值σ為常數(shù)。由式(2)可知當(dāng)超聲傳播方向與應(yīng)力方向垂直或者平行時(shí),超聲波的傳播時(shí)間為

(3)

式中,S0為超聲波的傳播路程。

由于超聲縱波與應(yīng)力之間方向不同,因此可將聲彈性系數(shù)k分為超聲傳播方向與應(yīng)力方向垂直時(shí)的kc和超聲傳播方向與應(yīng)力方向平行時(shí)的kp。

1.2 涂層結(jié)構(gòu)中聲彈性特征分布

在金屬增材制造過(guò)程中,涂層是由金屬粉末以熔融、噴射等方式在基體結(jié)構(gòu)上逐層堆積而成形的,可以視其為一種“自下而上”的層狀結(jié)構(gòu)。圖1所示為等離子噴焊涂層3D激光顯微組織。通過(guò)3D激光顯微鏡(型號(hào):VK-X250)對(duì)試件材料表面輪廓與形狀進(jìn)行三維測(cè)試和定量分析,可以觀察到基體材料(C45E4)和涂層材料(Cu)的涂層結(jié)構(gòu)試件的結(jié)合處界面結(jié)構(gòu)組織。

圖1 涂層結(jié)構(gòu)截面3D激光顯微組織Fig.1 3D laser microstructure of coating structure section

(1)基體與涂層區(qū)域。涂層結(jié)構(gòu)中,基體區(qū)域是已成形的固體金屬材料,涂層區(qū)域的成形過(guò)程可看作是金屬粉末的堆積及固化過(guò)程,該區(qū)域的主體材料為固化狀態(tài)的金屬粉末,所以基體與涂層區(qū)域可看作是均質(zhì)材料,其聲彈性系數(shù)可通過(guò)材料的Lame常數(shù)和Murnaghan常數(shù)根據(jù)聲彈性系數(shù)公式得出。

(2)結(jié)合區(qū)域。在加工過(guò)程中并非只有涂層材料熔化,基體材料也會(huì)熔化,這也導(dǎo)致了涂層和基體之間存在不均勻熔合區(qū)域,且熔合線低于原始的基體表面[16-17]。由試件的截面組織圖可以看出,該結(jié)合區(qū)域處于涂層區(qū)域和基體區(qū)域之間的過(guò)渡區(qū)域,且其厚度一般較小,約為0.18～0.22 mm。在該結(jié)合區(qū)域內(nèi)存在的是非均質(zhì)材料,其材料性質(zhì)與涂層材料和基體材料均有所不同,結(jié)合功能梯度材料相關(guān)研究[18],可近似將基體、涂層與結(jié)合區(qū)域的材料看成不同的材料分布在各層中,即沿基體到涂層之間過(guò)渡的結(jié)合區(qū)域,基體材料成分漸漸變少,涂層材料成分漸漸變多,如圖2所示。

圖2 結(jié)合區(qū)域材料分布模型Fig.2 Material distribution model of combined area

由于涂層材料和制造工藝技術(shù)的不同,結(jié)合區(qū)域形成過(guò)程及其對(duì)應(yīng)成分材料往往是不均勻的,從而導(dǎo)致局部區(qū)域的材料性質(zhì)也是不同的[19]。結(jié)合區(qū)域的材料成分是沿著厚度方向連續(xù)變化的,因此材料屬性也隨著厚度方向連續(xù)變化,那么可以對(duì)結(jié)合區(qū)域材料屬性提出假設(shè),即由各成分材料屬性和分布函數(shù)對(duì)結(jié)合區(qū)域材料屬性進(jìn)行建模。

2 結(jié)合區(qū)域的應(yīng)力反演方法

2.1 結(jié)合區(qū)域的聲彈性特征

SAYYAD等[20]提出采用成分屬性的體積加權(quán)平均值近似描述功能梯度材料部分屬性;洪軻[21]和張小明[22]等結(jié)合功能梯度材料的分布狀態(tài)和屬性研究了超聲波傳播過(guò)程。結(jié)合上述研究,為描述結(jié)合區(qū)域的材料屬性,本文提出基于結(jié)合區(qū)域材料分布狀態(tài)的材料屬性模型,并基于材料屬性模型提出結(jié)合區(qū)域材料分布函數(shù)y(r)和結(jié)合區(qū)域材料聲速分布函數(shù)z(r)假設(shè),由此建立結(jié)合區(qū)域聲彈性系數(shù)模型和聲速模型。其中,結(jié)合區(qū)域材料屬性模型為

F=f2+(f1-f2)g(r)

(4)

式中,f1表示基體材料屬性;f2表示涂層材料屬性;g(r)表示材料屬性分布函數(shù);r表示基體材料在結(jié)合區(qū)域中的體積占比。

結(jié)合區(qū)域材料的聲彈性系數(shù)為

k1-2=k2+(k1-k2)y(r)

(5)

式中,k1為基體材料的聲彈性系數(shù);k2為涂層材料的聲彈性系數(shù)。

結(jié)合區(qū)域材料的聲速為

v1-2=v2+(v1-v2)z(r)

(6)

式中,v1為基體材料的聲速;v2為涂層材料的聲速。

由于結(jié)合區(qū)域是兩種材料的混合區(qū)域,結(jié)合區(qū)域的材料屬性介于兩種材料之間,所以結(jié)合區(qū)域的聲速是隨著結(jié)合區(qū)域材料的分布狀態(tài)而變化的,取z(r)=y(r)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 涂層結(jié)構(gòu)中聲彈性特征表達(dá)

按照上述思路可以將單涂層結(jié)構(gòu)推廣到多涂層結(jié)構(gòu),根據(jù)各個(gè)涂層與基體材料的聲彈性特征和分布函數(shù)構(gòu)建結(jié)合區(qū)域材料屬性的一般表達(dá)式:

ki-i+1=ki+1+(ki-ki+1)y(ri)

(7)

式中,ki、ki+1分別為相鄰兩層材料的聲彈性系數(shù);ki-i+1為第i層和第i+1層之間的結(jié)合區(qū)域的聲彈性系數(shù);ri為第i層材料在結(jié)合區(qū)域中的體積占比。

結(jié)合區(qū)域材料的聲速為

vi-i+1=vi+1+(vi-vi+1)z(ri)

(8)

式中,vi、vi+1分別為相鄰兩層材料的聲速。

在多層涂層結(jié)構(gòu)中,會(huì)形成多層涂層和多種結(jié)合區(qū)域,通常這種結(jié)構(gòu)具有1層基體材料和n層涂層材料。涂層結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)沿著厚度方向發(fā)生變化。為方便描述涂層結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì),以材料表面為零點(diǎn),沿厚度方向建立軸坐標(biāo)系,用k(x)表示沿厚度方向的材料聲彈性系數(shù)函數(shù),用v(x)表示沿厚度方向的材料聲速函數(shù)。由于涂層結(jié)構(gòu)是分層結(jié)構(gòu),所以k(x)、v(x)并不是連續(xù)函數(shù),而是分段函數(shù),具體表示如下:

(9)

(10)

對(duì)于均勻分布的簡(jiǎn)單一維應(yīng)力的涂層結(jié)構(gòu),當(dāng)超聲豎直進(jìn)入到該涂層結(jié)構(gòu)中時(shí),θ=0°。考慮到結(jié)合區(qū)域的影響,由式(3)可知,超聲波在固定聲程中傳播的總時(shí)間t為

(11)

式中,S0i為各分層材料的厚度;S0i-i+1為各結(jié)合區(qū)域材料的厚度;v0i為超聲波在各材料介質(zhì)零應(yīng)力下的傳播速度;v0i-i+1為超聲波在各結(jié)合區(qū)域介質(zhì)零應(yīng)力下的傳播速度。

2.3 涂層結(jié)構(gòu)應(yīng)力反演模型

由式(3)可以看出,在固體彈性介質(zhì)中,超聲縱波傳播時(shí)間t會(huì)隨著應(yīng)力σ的變化而變化,同時(shí)能夠推導(dǎo)出超聲傳播時(shí)間差值Δt與應(yīng)力σ之間的關(guān)系模型:

(12)

式中,Δt為由于應(yīng)力的影響造成的聲時(shí)差;t0為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下,超聲穿過(guò)涂層結(jié)構(gòu)的聲時(shí)值。

將式(12)變形可得

(13)

超聲波的聲彈性效應(yīng)是一種弱效應(yīng),即超聲波對(duì)應(yīng)力變化不敏感。一般而言,應(yīng)力變化量為100 MPa時(shí),超聲波在鋁和鋼中的傳播速度變化量分別約為0.1%和0.01%,所以Δt?t0,因此式(13)可表示為

(14)

將式(14)推廣至涂層結(jié)構(gòu),由于涂層結(jié)構(gòu)每層的材料性質(zhì)是不一樣的,所以其每層材料的聲彈性系數(shù)也不一樣,因此需要將其看作是一個(gè)整體,涂層結(jié)構(gòu)整體的聲彈性系數(shù)Ki是由多層材料共同決定的,其中

(15)

r1+r2+…+rn=1

所以涂層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力反演模型為

(16)

3 超聲應(yīng)力檢測(cè)理論模型驗(yàn)證試驗(yàn)

基于聲彈性特征表達(dá)和材料屬性模型推導(dǎo)應(yīng)力反演模型(式(16)),設(shè)定結(jié)合區(qū)域分布函數(shù)yi(r)并計(jì)算涂層結(jié)構(gòu)整體聲彈性系數(shù)Ki,結(jié)合拉/壓試驗(yàn)所得的聲時(shí)值,根據(jù)上述涂層結(jié)構(gòu)應(yīng)力反演模型(式(16))可驗(yàn)證結(jié)合區(qū)域分布狀態(tài)的準(zhǔn)確性?；谕繉咏Y(jié)構(gòu)分布狀態(tài)的超聲-應(yīng)力反演流程如圖3所示。

圖3 基于涂層結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)的超聲-應(yīng)力反演流程圖Fig.3 Ultrasound-stress inversion flow chart based on the distribution state of coating structure

3.1 超聲檢測(cè)的試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1.1試件的制備

本文選用C45E4作為涂層結(jié)構(gòu)的基體材料,Cu粉末作為涂層結(jié)構(gòu)中的涂層材料,材料的主要成分如表1所示。

表1 試件材料的化學(xué)成分

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分:室溫試驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)試件的尺寸,如表2所示。利用PTA-400E4-ST型數(shù)控粉末等離子噴焊機(jī)制作涂層原始試件時(shí),將涂層厚度制作為4 mm,試驗(yàn)試件的涂層和基材厚度利用線切割機(jī)加工方式均勻加工至2 mm,如圖4所示。試件加工成形后,經(jīng)熱處理保證其內(nèi)部處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。

表2 試件的尺寸數(shù)值

圖4 試件的形狀尺寸Fig.4 Shape and dimension drawing of test piece

3.1.2試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的超聲應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)主要由靜力加載試驗(yàn)臺(tái)和DOPPLER相控陣超聲檢測(cè)儀兩部分組成,靜力加載試驗(yàn)臺(tái)對(duì)試件施加梯度載荷,使用超聲檢測(cè)設(shè)備獲取應(yīng)力狀態(tài)下的超聲信號(hào),具體的試驗(yàn)裝置、試件加載過(guò)程如圖5、圖6所示。

圖5 試驗(yàn)裝置圖Fig.5 Test setup diagram

圖6 試件加載示意圖Fig.6 Specimen loading diagram

為了降低溫度對(duì)超聲傳播速度的影響,本試驗(yàn)在恒溫環(huán)境中進(jìn)行,相關(guān)參數(shù)設(shè)定如表3所示。在試驗(yàn)過(guò)程中,為獲取不同應(yīng)力加載下的超聲信號(hào),需要保證拉力或壓力保持不變,獲取超聲信號(hào)后再施加載荷。

表3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及統(tǒng)計(jì)

針對(duì)單一材料試件和涂層結(jié)構(gòu)試件,按照上述試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定對(duì)試件單軸梯度加載的應(yīng)力(-240～240 MPa),以試件厚度作為聲程進(jìn)行超聲檢測(cè),獲取不同應(yīng)力狀態(tài)下的超聲傳播信號(hào)。試驗(yàn)中使用的超聲波儀器的采樣頻率是探頭頻率的25倍,可以獲取超聲傳播的完整信號(hào),因此可以根據(jù)不同的檢測(cè)范圍截取相對(duì)應(yīng)的超聲波形圖。如圖6所示,在試件中心劃定一個(gè)檢測(cè)區(qū)域,探頭位置浮動(dòng)在該區(qū)域中,獲取4組超聲信號(hào)數(shù)據(jù),最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),取試驗(yàn)平均值,形成超聲傳播時(shí)間試驗(yàn)測(cè)量平均值表(表4)。

表4 試驗(yàn)測(cè)量平均值(Cu涂層)

4 理論驗(yàn)證及分析

由于試件的厚度在應(yīng)力加載過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化,所以該聲時(shí)變化由兩部分組成:應(yīng)力大小變化對(duì)聲時(shí)的影響和試件厚度變化對(duì)聲時(shí)的影響。因此在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和反演數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比的過(guò)程中,需要考慮試件厚度的變化引起的聲時(shí)變化。

基于試驗(yàn)所用的試件材料C45E4和Cu粉末,根據(jù)聲彈性系數(shù)表達(dá)式、材料屬性和彈性常數(shù),可計(jì)算得到兩種材料的聲彈性系數(shù),如表5所示,其中,l、m為固體彈性介質(zhì)的三階彈性常數(shù)(Murnaghan常數(shù))。

表5 試驗(yàn)試件的材料常數(shù)[15]

根據(jù)表5給出的基體材料和涂層材料的聲彈性系數(shù)值和式(5),可計(jì)算結(jié)合區(qū)域的聲彈性系數(shù),其相關(guān)設(shè)定如下:①由于本文是對(duì)橫截面進(jìn)行分析,故體積占比可間接采用材料的厚度占比表示。結(jié)合功能梯度材料的分布狀態(tài)[21],預(yù)設(shè)了3種聲彈性特征函數(shù)表達(dá)(表6)。②由于涂層結(jié)構(gòu)內(nèi)各區(qū)域厚度有波動(dòng),結(jié)合區(qū)域的厚度可通過(guò)電鏡掃描的方式獲得(圖1),約為0.18～0.22 mm,所以在計(jì)算涂層結(jié)構(gòu)聲彈性系數(shù)時(shí),取結(jié)合區(qū)域的平均厚度0.2 mm。③當(dāng)不考慮結(jié)合區(qū)域時(shí),涂層與基材厚度可視為2.0 mm,聲彈性系數(shù)值與函數(shù)y1(r)計(jì)算值相等,因此,可將基于y1(r)函數(shù)的應(yīng)力反演值等效為未考慮結(jié)合區(qū)域的應(yīng)力反演值。④ 在加載應(yīng)力時(shí)涂層結(jié)構(gòu)厚度也會(huì)變化,基于形變量公式,每加載60 MPa,Cu涂層區(qū)域厚度變化為0.338 μm,C45E4基材區(qū)域厚度變化為0.176 μm,僅占涂層結(jié)構(gòu)總厚度的0.064%,會(huì)產(chǎn)生聲彈性系數(shù)變化為0.023%。因此,為簡(jiǎn)化計(jì)算,忽略加載應(yīng)力時(shí)涂層結(jié)構(gòu)厚度變化對(duì)涂層結(jié)構(gòu)整體聲彈性系數(shù)值的影響。

表6 涂層結(jié)構(gòu)材料分布函數(shù)下的聲彈性系數(shù)[21]

基于上述設(shè)定,本文提出3種結(jié)合區(qū)域的材料分布函數(shù),并結(jié)合式(15)計(jì)算涂層結(jié)構(gòu)整體的聲彈性系數(shù)Ki,如表6所示。

建立由于應(yīng)力影響造成的聲時(shí)差Δt和應(yīng)力值σ的數(shù)值關(guān)系,如圖7所示。由圖7可知,越接近實(shí)驗(yàn)值的分布函數(shù)誤差越小,表明該擬合函數(shù)更適于描述噴焊工藝所形成的涂層結(jié)合區(qū)域材料聲彈性特征。

圖7 涂層試件聲時(shí)差的理論值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.7 Comparison of theoretical and test acoustic time difference of coating specimen

對(duì)表4中試驗(yàn)值進(jìn)行線性擬合,去除試件厚度變化對(duì)聲時(shí)的影響,計(jì)算涂層結(jié)構(gòu)整體聲彈性系數(shù)為1.043,故引入結(jié)合區(qū)域分布函數(shù)y2(r)的聲彈性特征表達(dá)的反演值更接近試驗(yàn)值。由式(16)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行反演,可得到涂層結(jié)構(gòu)試件中應(yīng)力反演值,如表7所示。

表7 涂層結(jié)構(gòu)試件中應(yīng)力反演值

由表7可知,基于分布函數(shù)y2(r)下的聲彈性系數(shù)K2所得的反演值比未考慮結(jié)合區(qū)域的反演值更接近試驗(yàn)值,說(shuō)明所提出的涂層結(jié)構(gòu)超聲傳播分析方法的有效性。分布函數(shù)y2(r)使結(jié)合區(qū)域聲彈性特征偏向于涂層材料,其潛在原因可能是涂層制備過(guò)程中采用了等離子噴焊成形工藝,在熔池形成過(guò)程中金屬粉末含量較大,影響其結(jié)合區(qū)域中涂層材料的聲彈性特征占比較高。

綜上所述,基于材料分布狀態(tài)提出其對(duì)應(yīng)聲彈性特征表達(dá),可以有效修正涂層結(jié)合區(qū)域材料狀態(tài)變化所產(chǎn)生的檢測(cè)誤差。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知,基于分布函數(shù)y2(r)下的聲彈性系數(shù)K2的聲彈性特征表達(dá),其反演應(yīng)力值與實(shí)際加載應(yīng)力值之間平均誤差為4.79%,小于未考慮結(jié)合區(qū)域時(shí)的平均誤差6.90%。因此,應(yīng)結(jié)合涂層制備工藝,分析其材料-結(jié)構(gòu)成形過(guò)程,尤其是結(jié)合區(qū)域材料分布狀態(tài),構(gòu)建基于材料分布狀態(tài)的聲彈性特征表達(dá),可以有效提高超聲應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確性與可靠性。

由于本文中結(jié)合區(qū)域體積占比僅為涂層結(jié)構(gòu)試件的5%,因此分布函數(shù)y2(r)的誤差修正效果不夠明顯,相比于不考慮結(jié)合區(qū)域檢測(cè)精度提高2.11個(gè)百分點(diǎn)。因此根據(jù)上述結(jié)論推斷可得,在試驗(yàn)中施加60,120,180,240 MPa的應(yīng)力時(shí),當(dāng)結(jié)合區(qū)域體積占比變化時(shí),分布函數(shù)y2(r)相比不考慮結(jié)合區(qū)域的應(yīng)力反演差值如圖8所示。

圖8 結(jié)合區(qū)域體積變化時(shí)應(yīng)力反演差值Fig.8 Stress inversion differences when combining regional stress changes

5 結(jié)論

本文分析了等離子噴焊增材工藝中涂層結(jié)構(gòu)不同區(qū)域材料分布狀態(tài)及規(guī)律,基于聲彈性理論,提出金屬涂層結(jié)構(gòu)的聲彈性特征表達(dá)及涂層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力反演模型,并結(jié)合涂層-應(yīng)力超聲檢測(cè)試驗(yàn)予以驗(yàn)證,該模型同樣適用于其他方法所制作的涂層結(jié)構(gòu),本文僅以等離子噴焊增材工藝為例,引出該問(wèn)題并給予驗(yàn)證。其結(jié)論如下:

(1) 涂層結(jié)構(gòu)中材料分布狀態(tài),尤其是基材與涂層結(jié)合區(qū)域內(nèi)非均質(zhì)材料分布會(huì)直接影響其對(duì)應(yīng)區(qū)域的聲彈性特征,這種聲彈性特征不一致性會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)中超聲信號(hào)波動(dòng)及檢測(cè)誤差,因此,需要分析涂層結(jié)構(gòu)材料分布狀態(tài)。本文提出的基于材料分布狀態(tài)的聲彈性特征表達(dá)有助于進(jìn)一步提高超聲應(yīng)力檢測(cè)精度。

(2) 結(jié)合等離子噴焊工藝制備涂層結(jié)構(gòu)試件,利用應(yīng)力加載設(shè)備開(kāi)展超聲應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn),結(jié)果表明:與均一材料分布下聲彈性表達(dá)相比,基于材料分布狀態(tài)的聲彈性特征表達(dá)的應(yīng)力反演值更接近試驗(yàn)加載值,具備較好修正作用,能有效降低超聲應(yīng)力檢測(cè)誤差。

(3) 針對(duì)涂層結(jié)合區(qū)域中非均質(zhì)材料分布狀態(tài),文中列出了3種擬合表達(dá)函數(shù),通過(guò)超聲應(yīng)力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證:基于分布函數(shù)y2(r)下的聲彈性系數(shù)K2所得到的應(yīng)力反演值與試驗(yàn)值平均誤差為4.79%,平均誤差修正效果較好,表明該擬合函數(shù)更適于描述噴焊工藝所形成的涂層結(jié)合區(qū)域材料聲彈性特性。

(4) 在超聲應(yīng)力檢測(cè)中,通過(guò)分析涂層結(jié)構(gòu)中材料不均一分布狀態(tài),修正其對(duì)應(yīng)區(qū)域的聲彈性特征表達(dá),有助于降低涂層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力檢測(cè)誤差。同時(shí),應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合不同類型涂層成形工藝、功能梯度材料結(jié)構(gòu)等方面開(kāi)展其對(duì)應(yīng)聲彈性特征表達(dá)分析,提高超聲應(yīng)力檢測(cè)及涂層結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)估的精準(zhǔn)度與可靠性,支撐超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在增材制造領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。