選區(qū)激光熔化316L不銹鋼疲勞損傷非線性超聲檢測(cè)研究*

徐顯勝 閆曉玲

(北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京100048)

選區(qū)激光熔化(SLM)是一種極具發(fā)展前景的快速成型技術(shù)，SLM技術(shù)可以成型致密度近乎100%的任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能零件。

近10年SLM技術(shù)已從原來的概念模具設(shè)計(jì)擴(kuò)展到航空航天、生物醫(yī)療和汽車等領(lǐng)域。保證SLM技術(shù)制造零部件結(jié)構(gòu)的完整性及服役安全性非常重要，因此，應(yīng)當(dāng)在SLM部件出現(xiàn)明顯缺陷之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)其早期損傷。疲勞損傷產(chǎn)生的微缺陷極易發(fā)生擴(kuò)展，從而導(dǎo)致整個(gè)零部件的損毀。因此對(duì)疲勞損傷進(jìn)行無損檢測(cè)非常關(guān)鍵。常規(guī)的無損檢測(cè)方法如超聲檢測(cè)[1]、渦流檢測(cè)[2]、X射線檢測(cè)[3]、滲透檢測(cè)[4]和磁粉檢測(cè)[5]等在檢測(cè)諸如裂紋、孔隙、夾雜物等金屬材料中的宏觀結(jié)構(gòu)缺陷是有效的[6]，但是對(duì)金屬材料疲勞損傷產(chǎn)生的微缺陷檢測(cè)效果不佳。

近年來，聲學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域的研究成果表明[7]金屬材料早期疲勞損傷產(chǎn)生的微缺陷能與超聲波相互作用，并產(chǎn)生非線性聲學(xué)響應(yīng)，利用非線性聲學(xué)響應(yīng)檢測(cè)金屬材料中的疲勞損傷成為一種重要的無損檢測(cè)方法。根據(jù)檢測(cè)方式的不同，非線性超聲檢測(cè)法又分為高次諧波檢測(cè)、混頻調(diào)制法和超聲相控陣成像檢測(cè)方法[8]。針對(duì)選區(qū)激光熔化316 L不銹鋼在多工況條件下易產(chǎn)生疲勞損傷的問題，以現(xiàn)有的非線性超聲理論為基礎(chǔ)，采用高次諧波檢測(cè)法，對(duì)經(jīng)過疲勞加載的選區(qū)激光熔化316 L不銹鋼試件進(jìn)行非線性超聲檢測(cè)試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，超聲非線性系數(shù)對(duì)試件疲勞損傷非常敏感，采用高次諧波檢測(cè)方法對(duì)選區(qū)激光熔化316 L不銹鋼疲勞損傷進(jìn)行檢測(cè)是可行的。

1 非線性超聲基本理論

超聲檢測(cè)過程中金屬材料非線性主要來源于材料內(nèi)部的位錯(cuò)、滑移帶和微裂紋等微觀缺陷，這些微缺陷與特定頻率的超聲波相互作用產(chǎn)生高次諧波。

當(dāng)考慮一維縱波傳播通過一個(gè)非線性介質(zhì)時(shí)，在小應(yīng)變情況下，其運(yùn)動(dòng)方程可以寫為：

(1)

式中：ρ為密度，u為x方向上的位移，σ(x,t)為x方向上的正應(yīng)力。在材料變形非常小時(shí)，正應(yīng)變?chǔ)?x,t)可以定義為：

(2)

由金屬材料的非線性原理可以得到應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系

(3)

式中：E為彈性模量，β和δ為與材料相關(guān)的非線性系數(shù)。聯(lián)立式(1)～(3)，忽略式中二階以上的高次項(xiàng)，得到一維縱波非線性超聲波動(dòng)方程[9]

(4)

式中：t為傳播時(shí)間，s；c為聲波傳播速度，m/s；x為傳播距離，m。設(shè)定初始條件為：

(5)

則根據(jù)攝動(dòng)法原理，波動(dòng)方程(1)的二階近似解可以表示為：

(6)

式中：A1為超聲波的幅值，V；k為波數(shù)；ω為頻率，Hz；β為非線性系數(shù)。由式(6)可得，超聲波在固體介質(zhì)中的非線性波動(dòng)方程二階近似解與二次諧波幅值A(chǔ)2和基波幅值A(chǔ)1相關(guān)，其中二次諧波幅值A(chǔ)2的表達(dá)式為：

(7)

根據(jù)(7)式可得到超聲非線性系數(shù)β表達(dá)式為：

(8)

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，傳播距離x和波數(shù)k為固定值，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，超聲非線性系數(shù)直接由基波信號(hào)的幅值A(chǔ)1和二次諧波信號(hào)的幅值A(chǔ)2的比值表示。

(9)

測(cè)得基波、二次諧波的幅值即可求得超聲非線性系數(shù)β，從而表征構(gòu)件的疲勞損傷程度。

2 材料及試樣制備

2.1 材料

以316 L不銹鋼球形粉末為原料，采用SLM工藝制備試樣。粉末的最大粒徑為60 μm，最小粒徑為8 μm，粉末的掃描電子顯微鏡圖像如圖1所示，松裝密度為4.42 g/cm3。粉末的化學(xué)成分如表1所示。

表1 316 L不銹鋼粉末的化學(xué)成分 %

2.2 試樣制備

實(shí)驗(yàn)使用如圖2所示的AM400 SLM增材制造系統(tǒng)(雷尼紹，格勞斯特郡，英國(guó))。表2為實(shí)驗(yàn)采用的主要加工參數(shù)，根據(jù)GB/T 3075-2008的要求制備疲勞拉伸試樣，試樣的尺寸如圖3所示。

表2 主要加工參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與測(cè)量方法

試驗(yàn)驗(yàn)裝置主要由MTS810材料疲勞試驗(yàn)機(jī)和非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)組成。如圖4所示，非線性超聲波檢測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、高能低通濾波器、衰減器、發(fā)射及接受傳感器、示波器和計(jì)算機(jī)組成。

疲勞試驗(yàn)的主要目的是研究選區(qū)激光熔化316 L不銹鋼試件在不同循環(huán)周次疲勞載荷作用下，超聲非線性系數(shù)的變化趨勢(shì)。用MTS810材料疲勞試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)316 L不銹鋼試件進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn)，疲勞波形采用三角波，應(yīng)力比R=σmin/σmax= 0.1，疲勞加載頻率為 10 Hz，最大加載應(yīng)力為500 MPa。在疲勞試驗(yàn)的過程中對(duì)試樣進(jìn)行非線性超聲檢測(cè)試驗(yàn)(每5 000次疲勞周期檢測(cè)一次)。當(dāng)疲勞周期達(dá)到設(shè)定值時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)停止，此時(shí)拉伸載荷保持不變；接下來，采用非線性超聲檢測(cè)裝置對(duì)試件進(jìn)行非線性超聲檢測(cè)。分別對(duì)試件A的3個(gè)不同位置進(jìn)行非線性超聲檢測(cè)，檢測(cè)位置如圖5所示。

主要檢測(cè)過程如下：信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率5 MPa、周期數(shù)為10的漢寧窗調(diào)制的正弦波，經(jīng)功率放大器放大，再通過RITCE公司生產(chǎn)的高能低通濾波器濾除功率放大器所產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)后，由發(fā)射傳感器發(fā)射激勵(lì)波(同時(shí)，另一路信號(hào)經(jīng)衰減器處理后傳入示波器，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)起到監(jiān)測(cè)和控制作用，控制激勵(lì)信號(hào)的幅值)，超聲波信號(hào)沿試件厚度方向傳播，超聲波在通過試件中微缺陷的時(shí)候?qū)a(chǎn)生二次諧波，此時(shí)位于試件另一端的接收探頭采集超聲波信號(hào)(為了更有利于二次諧波的采集，接收探頭中心頻率選用10 MPa)，調(diào)試示波器，通過快速傅里葉變換，得到清晰的基波和二次諧波信號(hào)，從而可求得相對(duì)超聲非線性系數(shù)。當(dāng)試件斷裂時(shí)停止試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 接收信號(hào)的時(shí)域和頻域分析

對(duì)未進(jìn)行疲勞加載實(shí)驗(yàn)的試件進(jìn)行非線性超聲檢測(cè)，檢測(cè)位置如圖5所示的1點(diǎn)，接收探頭接收到的時(shí)域信號(hào)如圖6所示，圖7為其對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)。當(dāng)疲勞加載周期為20 000次時(shí)對(duì)試件進(jìn)行非線性超聲檢測(cè)，接收探頭接收到的時(shí)域信號(hào)如圖8所示，圖9為其對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)。對(duì)比圖6和圖8可以看出，時(shí)域信號(hào)的波形變化并不明顯，因此通過時(shí)域信號(hào)無法有效地區(qū)分出試件疲勞損傷情況。對(duì)比圖7和圖9可以看出，在頻率5 MPa的基頻位置上可以得到基波的幅值，在頻率10 MPa的位置上可以得到二次諧波的幅值，相對(duì)于基波，二次諧波的幅值較小。相比于試件未進(jìn)行疲勞加載時(shí)，對(duì)試件進(jìn)行20 000次疲勞加載以后頻域信號(hào)的二次諧波幅值顯著增大。

圖10為選區(qū)激光熔化316 L不銹鋼成型試樣微觀組織SEM圖，結(jié)合微觀組織分析試樣疲勞加載之前非線性超聲檢測(cè)信號(hào)中存在二次諧波的原因。由于SLM技術(shù)以高能激光束作為移動(dòng)熱源，通過快速加熱、熔化和凝固為材料加工提供了常規(guī)手段無法實(shí)現(xiàn)的極端非平衡條件,成型過程中金屬粉末局部受熱不均勻，因此其微觀組織呈典型的各向異性組織特性。從圖10中可以看出，其微觀組織中存在明顯的微熔池熔合線、等軸晶、柱狀晶及胞狀晶。柱狀晶為方向性生長(zhǎng)的晶體，同一熔池內(nèi)柱狀晶的生長(zhǎng)方向基本一致，與熔合線呈一定角度。由于加工過程中影響因素較多(激光功率、掃描間距和掃描策略等)，所以產(chǎn)生缺陷是不可避免的，圖9中存在一個(gè)微孔缺陷。微缺陷、熔合線、方向性生長(zhǎng)的柱狀晶晶界等都是導(dǎo)致試樣疲勞加載前非線性超聲檢測(cè)產(chǎn)生二次諧波的原因。對(duì)疲勞加載20 000周期的試件進(jìn)行非線性超聲檢測(cè)，頻域信號(hào)中同樣存在基波和二次諧波，但此時(shí)二次諧波的幅值明顯增大。圖11為疲勞加載20 000周期的試件微觀組織SEM圖，可以看出存在明顯的疲勞裂紋。因此，選區(qū)激光熔化316 L不銹鋼試件疲勞損傷產(chǎn)生的裂紋是二次諧波幅值增高的原因。根據(jù)式(9)計(jì)算出不同加載條件下試件的超聲非線性系數(shù)β，可以有效表征選區(qū)激光熔化316 L不銹鋼試件疲勞損傷情況。

4.2 測(cè)量位置對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

為了研究測(cè)量位置對(duì)非線性超聲檢測(cè)結(jié)果的影響，對(duì)圖5所示試件的3個(gè)不同測(cè)量點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。通過測(cè)量疲勞加載前試樣的超聲非線性系數(shù)β0以及在不同疲勞加載條件下試樣的超聲非線性系數(shù)β, 用β/β0對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。試件的疲勞損傷程度采用試件不同循環(huán)加載周次與疲勞壽命的比值來表示。

由圖5所示可知，測(cè)量點(diǎn)1所處位置的橫截面積較小，測(cè)量點(diǎn)2和測(cè)量點(diǎn)3所處位置橫截面積較大，且測(cè)量點(diǎn)2、3相對(duì)于測(cè)量點(diǎn)1對(duì)稱分布，在相同的外力作用下，相比于測(cè)量點(diǎn)2、3，測(cè)量點(diǎn)1的應(yīng)力集中程度較大。3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的非線性超聲檢測(cè)結(jié)果β/β0如圖12所示，3個(gè)測(cè)量點(diǎn)采集的檢測(cè)結(jié)果隨著疲勞周期的增大都呈逐漸上升趨勢(shì)，變化趨勢(shì)基本相似。測(cè)量點(diǎn)1的超聲非線性系數(shù)隨疲勞周期的變化增大幅度較大，相對(duì)測(cè)量點(diǎn)1而言，測(cè)量點(diǎn)2和3的超聲非線性系數(shù)值雖然也隨疲勞周數(shù)增加，但增大的幅度明顯較小。原因在于，疲勞加載過程中測(cè)量點(diǎn)1試樣內(nèi)部變形比較大，因此相應(yīng)的超聲非線性系數(shù)變化也較大。

5 結(jié)語

(1)通過研究選區(qū)激光熔化316 L不銹鋼疲勞損傷程度與超聲非線性系數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)超聲非線性系數(shù)可以有效表征選區(qū)激光熔化316 L不銹鋼疲勞損傷的退化程度。

(2)超聲非線性系數(shù)隨著疲勞周數(shù)的增加而逐漸變大，說明超聲非線性系數(shù)對(duì)材料的疲勞損傷較敏感。通過不同位置的非線性超聲檢測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)的可靠性。

選區(qū)激光溶化316 L不銹鋼的應(yīng)用范圍非常廣闊，對(duì)選區(qū)激光激光溶化316 L不銹鋼疲勞損傷進(jìn)行非線性超聲檢測(cè)具有較好的應(yīng)用前景。