高温服役构件蠕变状态参数化表征技术研究进展

郝巧娥 朱麟 赵彩丽 潘成飞 辛甜 刘新宝(西北大学化工学院，陕西 西安710069）



高温服役构件蠕变状态参数化表征技术研究进展

郝巧娥 朱麟 赵彩丽 潘成飞 辛甜 刘新宝(西北大学化工学院，陕西 西安710069）

摘 要：概述了已有高温服役构件蠕变状态参数化表征技术的特点及其表征参数。主要介绍了传统检测技术中的超声波速法、X射线衍射技术和磁巴克豪森发射技术，以及近年来出现的电磁超声谐振（EMAR）和非线性超声（NLU）技术。通过对上述方法的系统分析与比较，最后指出将EMAR和NLU技术的有机结合将成为高温服役构件蠕变状态参数化表征的有力工具。

关键词：蠕变状态 高温构件 电磁超声谐振 非线性超声

0 引言

在能源动力、石油化工、航空航天等众多领域中，许多金属构件长期服役在高温、高压条件下，这样就不可避免的产生蠕变现象，因而蠕变成为制约设备完整性和安全运行的一个主要因素。至今，上述行业的一些关键部件已超过设计寿命而仍在服役。由于节能减排、环境保护等多方面因素的限制，再建新厂的花费比已有设施的维护费用要高许多倍，因此对服役构件蠕变状态的评估与剩余寿命预测就显得极为必要，由此带来的社会和经济效益也十分可观。

无损检测技术由于其非破坏性及可现场操作性，已成为表征构件蠕变状态的重要手段。目前，用于蠕变状态表征的无损检测方法主要包括声学、射线和电磁超声等。本文介绍了近年来国内外常用的蠕变状态表征技术，主要包括超声速波速法、X-射线衍射技术、磁巴克豪森技术；以及新型的、有发展潜力的电磁超声谐振技术和非线性超声技术。在此基础上通过分析比较，探讨了上述各种方法的优劣性，最后指出将EMAR和NLU技术的有机结合将成为高温服役构件蠕变状态参数化表征的有力工具。

1 传统检测表征技术

1.1 超声波速法

超声波在介质中的传播速度主要依赖于介质自身的密度、弹性模量等，与入射声波的特性无关。纵波和横波在无限大固体中的传播速度计算公式如下所示[1]：

此方法应用极其广泛，但是材料等级、波形、波的传播和极化偏振方向等众多因素均会导致波速改变。研究发现，波速在蠕变初始阶段变化较小，且构件壁厚、表面曲率和后壁表面不规则性等不确定因素，也能够严重影响波速测量的准确性，因此限制了此技术在现场高温蠕变损伤检测中的应用，一般仅作为超声衰减测量的辅助手段。

1.2 X射线衍射技术

X射线衍射是利用X射线与固体物质相互作用产生衍射特性来对材料进行分析的方法[2]。如图1所示是相邻晶面之间的衍射。

使用X射线进行检测主要依据布拉格方程[3]：

图1 相邻晶面之间的反射示意图

其中，D—垂直于晶面方向上的晶粒平均厚度；

X射线衍射以其无损、快速和简单地鉴别固体物质晶体结构信息的特点，已成功地应用在了镍基超级合金涡轮叶片的蠕变损伤评估中[4]。但是X射线在大多数金属材料中的渗透深度只有10左右，一般通过使用同步加速辐射或中子衍射装置来减小材料对X射线的吸收，提高渗透深度，而这又限制了X射线在现场的使用；且所测衍射峰宽化不仅包括微晶宽化，还包括仪器宽化、微观应力宽化等，所以此技术在蠕变状态现场评估方面仍有待进一步发展。

1.3 磁巴克豪森发射技术

磁巴克豪森发射的基本工作原理是：当通有交变电流的线圈靠近铁磁性材料表面时，部件表面会被磁化，受到晶界、夹杂和位错局部堆积的阻碍和钉扎，材料磁畴壁会在外加磁场的作用下发生不可逆跳跃，随磁场强度的增加，感应线圈能检测到一系列电压脉冲信号[5]。磁巴克豪森发射检测的原理见图2。

材料磁化过程中释放的MBN信号强度不仅和本身激励磁场的强度和频率有关外，还和材料性质有关，因此可将MBN信号强度表示为上述影响因素的函数[6]：

在改进型9Cr-1Mo钢中发现[15]，初始蠕变阶段巴克豪森信号（使用均方根RMS值表示）的平均幅值减小，而在第二和第三蠕变阶段增加，如图3所示，将此现象归因于析出物形成及其粗化。所以可利用此技术对铁磁性材料构件蠕变过程中微观结构变化进行检测。

图2 磁巴克豪森发射检测的原理示意图

材料中的巴克豪森信号对含碳量、应力状态、疲劳裂纹和塑性变形等参数均非常敏感，所以一般不好区分或避免其它因素对测量值的影响。此技术只能用于探测非常薄的表层，且由于不能完全将磁畴恢复到检测前的状态，所以巴克豪森发射技术的结果不具有重复性。

2 新型检测表征技术

2.1 电磁超声谐振技术

金属损伤材料中的衰减是指微观结构变化引起的散射衰减[8,9]。且由于超声波长远大于晶粒尺寸，所以超声衰减产生的主要原因是瑞利散射。瑞利散射可用以下公式表示：

图3 Moorthy V等人的试验结果[9]

其中，和F为常数；是晶粒尺寸；分别是超声波频率和波长。

蠕变损伤部件内部的组织缺陷、亚结构和析出物的形态基本上可以近似为粒状、球状、棒状和片状，其均会对声波散射产生不同程度的影响。所以衰减法可以作为测量晶粒大小的主要手段，从而可以表征蠕变过程中亚晶粒和析出物的演化规律。利用超声波衰减系数的变化来评估材料蠕变损伤一直有争议，尤其在蠕变初始阶段，衰减系数很难测量，且测量的衰减不仅包含试件的衰减还包括通过传感器、耦合剂和缓冲器的阻尼、界面处的反射、传输损失等，测试部件表面粗糙度或屈曲也会导致结果大的离散，因此使用传统传感器测量的衰减变化不能精确地反映蠕变损伤。而基于电磁超声换能器的电磁超声谐振技术的主要优点是非接触测量，很好地避免了此类影响，这也是实现高精度测量导电材料中衰减系数的基础[10]。

电磁超声谐振（Electromagnetic acoustic resonance）简称EMAR，由电磁超声换能器（EMAT）和超外差分光计电路组成，是一种新型的用于材料无损检测的非接触超声光谱技术。其中，EMAT由高频线圈、磁铁及被测工件组成，用于在试件中产生超声波，不同的线圈和磁场位置可以激发不同种类的超声波，其中超声体波常用来检测试件的内部缺陷，图4所示为纵波的激发示意图。EMAT的工作原理是：当置于试件表面的线圈通以高频电流时，试件表面会产生涡流，在静磁场的作用下，携带涡流的电子产生洛伦兹力，通过与金属离子碰撞，由洛伦兹力生成机械体力，引起超声振动，形成超声波的波源；接收过程是产生的逆过程。超外差分光计的主要作用是提高电磁超声接收信号信噪比，改善检测信号的质量，其工作原理见图5，利用本地产生的振荡波与输入信号混频，产生某个预先确定的频率，用于测量谐振频率和衰减系数。

EMAR技术测量某一谐振频率时材料纯衰减系数变化的过程如图6所示，具体操作如下：首先，扫描射频脉冲频率获得谐振频谱；其次，由谐振频谱决定谐振频率；然后，在某一谐振频率处操作EMAT，测量振铃信号曲线；最后，通过指数拟合衰减振铃曲线和提取时间常数来获得衰减系数。

EMAR技术可用于蠕变、疲劳和热老化部件的损伤评估[10]。目前，国外的研究者已经开始用电磁超声谐振技术测定超声衰减系数随蠕变损伤进展的变化，虽然研究较少，但也取得了一定的成果。Ohtani等人[11]对在1073K温度下受拉伸载荷作用的镍基超级合金的研究发现：衰减系数和寿命分数之间具有较好的相关性，衰减系数大约在蠕变寿命分数为35%～40%时出现峰值，而超声速度相对变化率较小，如图7所示。衰减系数变化与位错组织演化一致，尤其是可动位错变化和析出物粗化；其中衰减系数峰值处意味着增殖位错开始缠结于析出物及位错，析出物粗化和聚集开始变慢。同时，他们又对铁素体钢（Cr-V-Mo）[12]、奥氏体钢（JIS-SUS304）[13]和2.25%Cr-1%Mo钢[14]进行了同样的研究，也发现了相似的规律，这说明电磁超声谐振技术具有普遍适用性。

图4 纵波激发示意图

图5 超外差接收原理示意图

图6 电磁超声谐振测量过程示意图

EMAR是一个过时测量原理的新颖综合，是使用超声衰减来研究材料微观结构随蠕变过程改变的理想方法。但是衰减系数属于线性超声特性，其在蠕变过程中变化较小，且材料的不均一、试样之间的差异性等都会影响衰减系数测量的准确性。

2.2 非线性超声技术

传统线性超声技术检测的是时域信号的变化，其理论检测分辨力极限为波长的一半,主要针对材料中宏观缺陷（包括裂纹、孔洞和夹杂物等内部缺陷）的存在和分布进行检测和评价[15]。而对于设计良好的构件来说，材料早期性能退化占整个蠕变寿命的70%以上[16,17]。非线性超声技术检测的是频域信号的变化，利用的是介质或微小缺陷与超声波相互作用的非线性效应来检测。位错滑移是蠕变过程中发挥主导作用的一种形变机制，而超声非线性产生的一个主要原因是位错，材料中大量的位错会引起高次谐波的产生[18]。图8所示为超声输入信号的非线性响应，可以观察到非线性响应包含基本输入谐波（f1）、静态位移（f0）、二次谐波（f2）和三次谐波（f3）。研究表明高次谐波参数对传统线性超声检测技术未能发现的增加的位错密度及其它更加精细的微结构变化非常敏感。

图7 Ohtani等人的试验研究结果[11]

以下三式分别是二次非线性参数、三次非线性参数以及静态位移非线性参数：

其中，是材料中的波速，是角频率，z是试件厚度。一般使用二次非线性参数来表征蠕变过程中的位错结构的演化，其值与成正比。

非线性超声检测中常用的超声波模式主要有纵波、lamb波和表面波[19]。非线性超声检测中最常使用的是穿透式超声纵波，是点扫描检测，可以用来检测材料内部缺陷。Lamb波在结构中传播距离远、效率高，一般采用反射传输模式，是线扫描检测，探测能够覆盖构件的表面和内部适合于大面积板状结构和大口径管道的检测[20]。表面波的能量可在试件表面集中，所以其对近表面的缺陷较敏感，一般也采用反射传输模式。图9所示为穿透式非线性超声纵波测量过程示意图（未考虑滤波、衰减及放大等环节），表面波和Lamb波的测量附件及连接方式与纵波的一致。

图8 非线性超声传播示意图

非线性超声技术在蠕变损伤评估方面已初见成效，研究者们通过测定材料中的超声非线性参数进行高温材料的蠕变状态表征及蠕变剩余寿命预测。Jitendra S.等人[21]利用非线性超声技术研究纯铜的蠕变状态。该研究利用透射传输非线性超声测量技术，采用三个不同的非线性测量值（即静态位移、二次谐波和三次谐波）来表征蠕变状态，发现非线性参数随蠕变的进行发生了显著的变化，随蠕变时间振荡上升，变化曲线均存在波峰和波谷，如图10所示。邝文川[22]、项延训[20]、Sony Baby等人[16]利用非线性超声技术分别评估Ti60、HP40NB材料（Fe-Cr-Ni合金不锈钢）和钛合金IMI 834蠕变状态，均发现归一化非线性参量随蠕变时间振荡上升。

之前关于非线性测量的研究均基于接触式测量，这会导致较大的耦合误差。Ohtani等人[23]在Cr-Mo-V钢蠕变状态的研究中，使用电磁超声换能器（EMAT），实现了表面剪切波非线性参数的非接触测量。研究表明非线性参数的变化和衰减系数的变化是同步的，但其灵敏度比衰减系数的高很多，如图11所示。综合国内外研究，超声非线性检测技术的应用前景较为广泛，利用超声波传播的非线性特性可以解决传统线性超声方法所无法解决的一些问题，例如对构件机械性能及蠕变剩余寿命进行预测。而将非线性超声和电磁超声谐振有机结合的技术具有评估金属材料蠕变状态和预测其剩余寿命的潜力。

3 总结

综上所述，超声波速变化在蠕变早期阶段变化较小，不适用于早期蠕变损伤检测，一般用作超声衰减的辅助手段；X射线衍射技术只能检测表面及近表面缺陷，且在现场蠕变损伤评估方面仍有待进一步发展。电磁超声谐振技术高灵敏度和非接触的特性，使其能够测量蠕变过程中超声衰减系数的变化，研究表明衰减系数与寿命分数之间具有较好的相关性。非线性超声参数对材料中的微小损伤较敏感，可与某些微观结构变化引起的位错滑移、空洞粗化和增殖相联系，可用于监测早期损伤，研究表明非线性参数随蠕变寿命分数振荡上升。非线性参数的灵敏度较衰减系数大，所以在蠕变状态评价及寿命预测中，非线性超声技术比电磁超声谐振技术更有前途。而将这两种技术有机结合，进行非线性参数的非接触测量是未来蠕变状态检测研究及应用的发展方向。

图9 非线性超声测量过程示意图

图10 Valluri JS等人的试验结果[21]

图11 Ohtani等人的试验研究结果[23]

蠕变状态参数化表征的研究较多，但均未系统对整个蠕变期间位错、亚结构、析出物和空洞等演化进行系统参数化表征。因此我们应该借鉴国内外先进经验和研究成果，利用每种表征技术的优势，对蠕变全过程进行系统参数化表征。

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中图分类号：TF771.2

文献标识码：A

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.057.06

基金项目：国家自然基金（51371142）

作者简介：郝巧娥（1989-)，女，硕士，从事高温蠕变状态参数化表征。

Progress in Parametric Characterization of Creep State for Structural Component at Elevated Temperatures

HAO Qiao-e, ZHU Lin, ZHAO Cai-li,PAN Cheng-fei, XIN Tian, LIU Xin-bao
(School of Chemical Engineering，Northwest University，Xi an 710069 China)

Abstract：In the present study, the parametric characterization techniques for creep state of structural component operating at elevated-temperatures were summarized in detail.The traditional testing methods, such as ultrasonic velocity，X-ray diffraction and Barkhausen emission were introduced.Meanwhile, the methods of electromagnetic acoustic resonance(EMAR) and non-linear ultrasound(NLU) occurring in recent years were mainly discussed.Based on the analysis of these methods, it indicates that the combination of EMAR and NLU becomes a potential tool to evaluate the creep state of structural component running at elevated temperatures.

Keywords:creep damage;non-destructive;electromagnetic acoustic resonance;nonlinear ultrasonic