葉有俊，朱武軍，王一寧，項(xiàng)延訓(xùn)

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鈦合金蠕變損傷的非線性Lamb波檢測(cè)

葉有俊1，朱武軍2，王一寧1，項(xiàng)延訓(xùn)2

(1. 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京210036；2. 華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237)

金屬材料在高溫高壓服役過(guò)程中會(huì)發(fā)生蠕變損傷，檢測(cè)和評(píng)價(jià)金屬材料的早期蠕變損傷具有重要工程意義。針對(duì)Ti60鈦合金蠕變損傷采用非線性Lamb波進(jìn)行檢測(cè)，分別選擇Lamb波S1-S2模式對(duì)和A4-S8模式對(duì)開展鈦合金蠕變損傷試樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并采用歸一化非線性參數(shù)來(lái)表征鈦合金的蠕變損傷狀態(tài)。研究結(jié)果表，明兩種模式對(duì)的歸一化非線性參數(shù)隨著材料蠕變損傷程度的加劇均表現(xiàn)出“上升-下降”的變化趨勢(shì)，且A4-S8模式對(duì)歸一化非線性參數(shù)變化率比S1-S2模式對(duì)更大，說(shuō)明該模式對(duì)對(duì)Ti60鈦合金蠕變損傷更為敏感。

非線性Lamb波；二次諧波；蠕變損傷

0 引言

在石油化工、電力、核電等行業(yè)大量使用的壓力管道和壓力容器長(zhǎng)期處于高溫高壓環(huán)境下運(yùn)行，將不可避免地發(fā)生高溫蠕變損傷。一般情況下材料的蠕變變形分為三個(gè)階段：初期階段、穩(wěn)定階段和后期階段。研究表明，材料早期性能退化階段占據(jù)材料整個(gè)蠕變壽命大于70%以上。因此，檢測(cè)和評(píng)價(jià)材料早期蠕變損傷具有重要的工程意義。材料早期蠕變損傷主要表現(xiàn)為析出相、位錯(cuò)、微孔洞等的形成和演化，而非線性超聲對(duì)這些微觀組織變化較敏感，作為一種材料早期損傷的有效檢測(cè)方法引起了廣泛關(guān)注。

近年來(lái)，研究者多采用非線性縱波檢測(cè)材料的蠕變損傷。Ohtani[1]等人研究了鍋爐換熱管焊縫蠕變損傷情況下的二次諧波變化，結(jié)果表明二次諧波隨材料蠕變損傷顯著變化。Baby[2]等人利用非線性超聲縱波測(cè)量了IMI834鈦合金蠕變損傷時(shí)非線性參數(shù)的變化，并通過(guò)掃描電鏡、透射電鏡等檢測(cè)微觀結(jié)構(gòu)來(lái)解釋非線性超聲信號(hào)的變化趨勢(shì)。文獻(xiàn)[3-4]研究了非線性超聲檢測(cè)純銅蠕變損傷的表征參數(shù)，結(jié)果表明三次諧波較線性超聲參數(shù)(聲速、衰減等)和二次諧波對(duì)純銅材料蠕變損傷更敏感。隨后研究者們利用非線性縱波檢測(cè)了多種材料的蠕變損傷，如鎳基合金[5]、鈦合金[6]等。目前，一般采用非線性縱波對(duì)金屬材料蠕變的損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)，而非線性導(dǎo)波檢測(cè)金屬材料蠕變損傷的研究卻鮮有報(bào)道[1-6]。

與超聲縱波相比，Lamb波具有線掃查、同側(cè)激發(fā)與接收等優(yōu)點(diǎn)，更適合大面積類板狀結(jié)構(gòu)和大口徑管道的無(wú)損檢測(cè)。Seale[7]等人采用Lamb波對(duì)復(fù)合材料的疲勞損傷、熱損傷進(jìn)行了檢測(cè)和評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示隨著損傷的加劇，復(fù)合材料中Lamb波的傳播速度呈現(xiàn)出明顯的下降。Holland和Chimenti[8]發(fā)現(xiàn)對(duì)稱S1模式在群速度為0的地方能夠發(fā)生Lamb波的共振，該處的模式能夠在空氣中有效傳播并可用于板材介質(zhì)中缺陷的C掃描成像。Benmeddour[9]等人研究了純A0和S0模式對(duì)于對(duì)稱缺口裂紋的敏感性，結(jié)果表明從模式能量反射系數(shù)的角度看，A0模式比S0模式更加敏感。張海燕[10]等人采用聯(lián)合迭代重建技術(shù)(simultaneous iterative reconstruction technique)在理論和實(shí)驗(yàn)上研究了層析成像在管道結(jié)構(gòu)中類Lamb波檢測(cè)中的適用性。最近，Philtron和Rose[11]基于超聲相控陣梳狀換能器對(duì)Lamb波相速度和頻率空間的掃查，提出一種新型的導(dǎo)波模式和頻率擾動(dòng)方法，用于確定最優(yōu)化的導(dǎo)波檢測(cè)模式。

本文前期工作中研究了非線性Lamb波對(duì)鈦合金蠕變損傷的檢測(cè)[12]。鑒于Lamb波具有頻散和多模式特性，有較多模式能夠滿足積累效應(yīng)二次諧波的激發(fā)條件，因此有必要進(jìn)一步研究不同模式對(duì)Lamb波檢測(cè)蠕變損傷的敏感性，為定量評(píng)價(jià)材料蠕變損傷的模式選擇提供參考。本文分別采用典型的S1-S2和A4-S8模式對(duì)對(duì)Ti60鈦合金蠕變損傷進(jìn)行測(cè)量，探討不同非線性Lamb波模式與材料蠕變損傷之間的變化關(guān)系。

1 試樣及實(shí)驗(yàn)測(cè)量

1.1 試樣制備

本文中試驗(yàn)研究材料選用Ti60鈦合金材料，由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所提供。Ti60是一種近型高溫鈦合金，其名義成分為：Ti - 5.8Al - 4.0Sn - 3.5Zr - 0.4Mo - 0.4Nb - 1.0Ta - 0.4Si - 0.06C，其相轉(zhuǎn)變溫度約為1040 ℃(即原始材料中包含的和相轉(zhuǎn)變成全部都是相的溫度)。首先將精鍛的板材進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚簩⒕懓宀姆胖迷谡婵占訜釥t中在相轉(zhuǎn)變溫度(約1020℃)下保溫2 h后空冷，然后在700 ℃下保溫2 h后空冷，得到制作高溫蠕變損傷試樣的原始材料。

參照GB/T2039-2012《金屬材料單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》，將經(jīng)過(guò)熱處理后大的板狀材料加工成尺寸如圖1所示的非標(biāo)準(zhǔn)板狀蠕變?cè)嚇樱穸葹? mm，平行段寬度為15 mm，平行段長(zhǎng)度為80 mm。利用高溫電子蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)CSS-3905對(duì)試樣進(jìn)行加速蠕變?cè)囼?yàn)，溫度設(shè)定為600 ℃，應(yīng)力大小設(shè)定為320 MPa。采取中斷蠕變實(shí)驗(yàn)，蠕變加載中斷時(shí)間分別為0、24、48、72、96、120 h以及134 h(斷裂)。每一次蠕變?cè)囼?yàn)中斷后取出試樣進(jìn)行非線性Lamb波的測(cè)量，完成測(cè)量后將試樣重新放到蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)高溫爐內(nèi)繼續(xù)在相同溫度和相同應(yīng)力下加載，直到下一次蠕變中斷時(shí)間或者試樣斷裂。通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)獲得在相同試驗(yàn)條件下經(jīng)歷不同蠕變時(shí)間的Ti60高溫蠕變損傷試樣。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

Ti60原始材料的主要物理參數(shù)，如彈性模量為115 GPa，泊松比為0.34，密度為4500 kg/m3，縱波速度為6272 m/s，橫波速度為3088 m/s。根據(jù)這些物理參數(shù)，可以計(jì)算得到Ti60板材中的導(dǎo)波傳播的相速度頻散曲線以及群速度頻散曲線，如圖2(a)和2(b)所示，板材厚度為2 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果可知，當(dāng)基頻Lamb模式的相速度等于或近似等于二倍頻Lamb波模式的相速度時(shí)，基頻Lamb波在傳播過(guò)程中能夠激發(fā)出具有積累增長(zhǎng)性質(zhì)的二次諧波。因此，根據(jù)相速度頻散曲線圖2(a)，可以確定出在Ti60合金板材中能夠激發(fā)具有明顯積累二次諧波Lamb波信號(hào)的條件，也就是確定激發(fā)頻率和入射角度：(1) 頻率為1.95 MHz的S1模式，有機(jī)玻璃的入射角度為25.5°；(2) 頻率為5.03 MHz的A4模式，有機(jī)玻璃的入射角度為19.5°。實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)及裝置如圖3所示，激發(fā)的信號(hào)經(jīng)過(guò)2 MHz (或者5 MHz)低通濾波器后加載到發(fā)射換能器上，接收換能器接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)4 MHz(或者10 MHz)高通濾波器的濾波及前置放大后再經(jīng)Retic系統(tǒng)20 MHz的低通濾波，然后由示波器顯示和采樣存儲(chǔ)，示波器的采用頻率為100 MHz，采樣點(diǎn)為10000點(diǎn)。在對(duì)中斷蠕變損傷試樣測(cè)量的過(guò)程中，發(fā)射和接收換能器之間的距離始終保持不變，為50 mm。發(fā)射信號(hào)的頻率或，脈沖周數(shù)均為15，接收信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器放大，增益均為40 dB。接收到的信號(hào)通過(guò)短時(shí)傅里葉變換(Short Time Fourier Transform，STFT)進(jìn)行信號(hào)處理和分析，分解得到基頻Lamb波的幅值以及二倍頻Lamb波的幅值。

(a) 相速度頻散曲線

(b) 群速度頻散曲線

圖2 Ti60板材試樣Lamb波的頻散曲線

Fig. 2 The phase velocity (a) and group velocity (b) of Lamb waves in the Ti60 plate

2 結(jié)果討論

從頻散曲線圖2(a)和2(b)可以看出，5.03 MHz激發(fā)的交點(diǎn)型Lamb波模式同時(shí)包含有S4和A4模式，其中A4模式與二倍頻S8模式群速度匹配，而S4模式和二倍頻S8模式群速度不匹配。接收信號(hào)中同時(shí)有S4和A4基波信號(hào)，快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)不能分離出基波A4信號(hào)，而短時(shí)傅里葉變換(STFT)同時(shí)從時(shí)域和頻域分離信號(hào)，可以有效獲取基波A4幅值，如圖4所示。需要指出的是，圖4中不同的Lamb波模式是根據(jù)圖2中Lamb波群速度頻散曲線來(lái)計(jì)算不同導(dǎo)波模式傳播的時(shí)間而確定的。

(a) 基頻為S1模式

(b) 基頻為A4模式

圖4 蠕變損傷48 h試樣中Lamb波信號(hào)的STFT時(shí)頻能量譜

Fig. 4 Spectrograms of STFT analysis for Lamb wave signals received from the specimens with 48 h creep damage

測(cè)量結(jié)果表明，S1-S2和A4-S8模式對(duì)歸一化非線性參數(shù)[6,12]對(duì)Ti60蠕變損傷響應(yīng)的變化趨勢(shì)基本一致，如圖5所示。隨著蠕變時(shí)間的增加，歸一化非線性參數(shù)均大致分為兩個(gè)階段：大約蠕變壽命的60% 以內(nèi)的快速上升階段和蠕變壽命60%之后的下降階段。需要說(shuō)明的是由于本文采用快速蠕變實(shí)驗(yàn)，蠕變?cè)嚇訑嗔褧r(shí)間134 h相對(duì)較短，非線性參數(shù)峰值對(duì)應(yīng)蠕變壽命的60%為近似值。對(duì)Ti60合金蠕變損傷材料的金相微觀組織分析可以看出[12]，Ti60合金在早期高溫蠕變加載下，基體中析出相的析出和長(zhǎng)大使材料的非線性加劇，同時(shí)基體內(nèi)位錯(cuò)密度逐漸增大，位錯(cuò)環(huán)長(zhǎng)度發(fā)生變化，這些微觀組織的變化導(dǎo)致歸一化聲非線性參量單調(diào)上升。隨著蠕變加載的繼續(xù)，Ti60試樣內(nèi)部的析出相逐漸穩(wěn)定，基體和析出相晶界處顯微孔洞的產(chǎn)生及聚集、位錯(cuò)密度及位錯(cuò)環(huán)長(zhǎng)度的相應(yīng)變化，導(dǎo)致了非線性Lamb波幅值出現(xiàn)下降趨勢(shì)[12]。

(a) S1-S2模式對(duì)

(b) A4-S8模式對(duì)

圖5 歸一化Lamb波聲非線性參量和蠕變壽命之間的定標(biāo)曲線

Fig. 5 The benchmark curves of the relation between the normalizedand the percentage creep life

從圖5可以看出，S1-S2模式對(duì)非線性參數(shù)的變化率約為4.8倍，A4-S8模式對(duì)非線性參數(shù)的變化率約為21.2倍?？梢?jiàn)A4-S8模式對(duì)非線性參數(shù)的變化率比S1-S2模式對(duì)更大，對(duì)Ti60鈦合金蠕變損傷更敏感，更適用于工程評(píng)價(jià)。兩對(duì)模式對(duì)非線性參數(shù)的變化率相差較大，后期工作將繼續(xù)探討不同模式對(duì)Lamb波的激發(fā)效率。已有的研究結(jié)果表明，可以采用激發(fā)效率參量來(lái)定量表征超聲Lamb波積累二次諧波的發(fā)生效率，該激發(fā)效率參量有利于Lamb波積累二次諧波發(fā)生效率高的基頻Lamb波模式的選擇和優(yōu)化。限于文章篇幅，關(guān)于基頻Lamb模式的選擇研究將另文報(bào)道。

3 結(jié)論

分別采用非線性Lamb波S1-S2模式對(duì)和A4-S8模式對(duì)檢測(cè)了Ti60鈦合金試樣的蠕變損傷。結(jié)果顯示兩種模式對(duì)歸一化非線性參數(shù)隨蠕變時(shí)間變化趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)顯著的上升-下降趨勢(shì)。A4-S8模式對(duì)非線性參數(shù)變化率比S1-S2模式對(duì)更大，對(duì)Ti60合金蠕變損傷更敏感，這為利用非線性超聲導(dǎo)波技術(shù)定量評(píng)價(jià)材料蠕變損傷的模式選擇提供了研究基礎(chǔ)。

[1] Ohtani T, Kawashima K, Drew M, et al. Nonlinear acoustic evaluation of creep damage in boiler heat exchange tubes [J]. Jpn. J. of Appl. Phys, 2007, 46(7B): 4577-4582.

[2] Baby S, Nagaraja K B, Omprakash C M, et al. Creep damage assessment in titanium alloy using a nonlinear ultrasonic technique [J]. Scripta Mater, 2008, 59: 818-821.

[3] Valluri J S, Balasubramaniam K, Prakash R V. Creep damage characterization using non-linear ultrasonic techniques[J]. Acta Mater, 2010, 58: 2079-2090.

[4] Balasubramaniam K, Valluri J S, Prakash R V. Creep damage characterization using a low amplitude nonlinear ultrasonic technique[J]. Mater Charact, 2011, 62: 275-286.

[5] Kim C. Creep damage characterization of Ni-based superalloy by acoustic nonlinearity[J]. Prog. Nat. Sci: Mater. Int, 2012, 22(4): 303-310.

[6] Xiang Y, Zhu W, Liu C-J, et al. Creep degradation characterization of titanium alloy using nonlinear ultrasonic technique [J]. NDT & E Int, 2015, 72: 41-49.

[7] Seale DM, Smith B T, Prosser W H. Lamb wave assessment of fatigue and thermal damage in composites[J]. J. Acoust. Soc. Am, 1998, 103: 2416-2424.

[8] Holland S D, Chimenti D E. Air-coupled acoustic imaging with zero-group-velocity Lamb modes[J]. Appl. Phys. Lett, 2003, 83: 2704-2706.

[9] Benmeddour F, Grondel S, Assaad J, et al. Experimental study of the A0and S0Lamb waves interaction with symmetrical notches[J]. Ultrasonics, 2009, 49: 202-205.

[10] 張海燕, 于建波, 陳先華. 管道結(jié)構(gòu)中的類蘭姆波層析成像[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 37(1): 81-90.

ZHANG Haiyan, YU Jianbo, CHEN Xianhua. Lamb-like wave tomography of pipe structures [J]. ACTA Acustica, 2012, 37(1): 81-90.

[11] Philtron J H, Rose J L. Mode perturbation method for optimal guided wave mode and frequency selection[J]. Ultrasonics, 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.ultras.2014.02.005.

[12] XIANG Y, DENG M, XUAN F-Z, et al. Creep damage evaluation of titanium alloy using nonlinear ultrasonic lamb waves[J]. Chin. Phys. Lett, 2012, 29(10): 106202.

[13] DENG M. Analysis of second-harmonic generation of Lamb modes using a modal analysis approach[J]. J. Appl. Phys, 2003, 94: 4152-4159.

Evaluation of creep damage in Ti60 alloys by nonlinear Lamb waves

YE You-jun1, ZHU Wu-jun2, WANG Yi-ning1, XIANG Yan-xun2

(1. Jiangsu Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute, Nanjing, 210036 Jiangsu, China;2. Key Laboratory of Pressure Systems and Safety, East China University of Science and Technology, 200237,Shanghai, China)

Creep induced damages occur when metallic materials are operated in the condition of elevated temperature and high pressure. It has an important engineering value to make an early test and evaluation of material creep damage. The present paper performs an in-depth analysis on the evaluation of creep damage of titanium alloy by nonlinear Lamb waves, in which Lamb mode pairs of S1-S2and A4-S8are conducted on creep damaged Ti60 plates. The normalized acoustic nonlinear parameter is proposed to characterize the creep damage state. A “mountain-shape” change in the normalized acoustic nonlinearity of Lamb wave versus the level of creep degradation in the Ti60 specimens has been observed both for Lamb mode pairs of S1-S2and A4-S8. The change rate of the normalized nonlinear parameter of Lamb mode pair A4-S8is much greater than that of S1-S2, which means that Lamb mode pair A4-S8 is more sensitive to the creep damage of Ti60 alloys.

nonlinear Lamb waves; second-harmonic generation; creep damage

TB551

A

1000-3630(2016)-04-0345-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.04.012

2015-12-10;

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11474093); 上海市科技啟明星計(jì)劃資助項(xiàng)目(14QA1401200)

葉有俊(1980－), 男, 安徽樅陽(yáng)人, 碩士, 工程師, 主要從事高溫構(gòu)件結(jié)構(gòu)損傷及無(wú)損檢測(cè)研究。

項(xiàng)延訓(xùn), E-mail: yxxiang@ecust.edu.cn