钛合金蠕变损伤的非线性Lamb波检测

叶有俊，朱武军，王一宁，项延训



钛合金蠕变损伤的非线性Lamb波检测

叶有俊1，朱武军2，王一宁1，项延训2

(1. 江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏南京210036；2. 华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室，上海200237)

金属材料在高温高压服役过程中会发生蠕变损伤，检测和评价金属材料的早期蠕变损伤具有重要工程意义。针对Ti60钛合金蠕变损伤采用非线性Lamb波进行检测，分别选择Lamb波S1-S2模式对和A4-S8模式对开展钛合金蠕变损伤试样的实验测量，并采用归一化非线性参数来表征钛合金的蠕变损伤状态。研究结果表，明两种模式对的归一化非线性参数随着材料蠕变损伤程度的加剧均表现出“上升-下降”的变化趋势，且A4-S8模式对归一化非线性参数变化率比S1-S2模式对更大，说明该模式对对Ti60钛合金蠕变损伤更为敏感。

非线性Lamb波；二次谐波；蠕变损伤

0 引言

在石油化工、电力、核电等行业大量使用的压力管道和压力容器长期处于高温高压环境下运行，将不可避免地发生高温蠕变损伤。一般情况下材料的蠕变变形分为三个阶段：初期阶段、稳定阶段和后期阶段。研究表明，材料早期性能退化阶段占据材料整个蠕变寿命大于70%以上。因此，检测和评价材料早期蠕变损伤具有重要的工程意义。材料早期蠕变损伤主要表现为析出相、位错、微孔洞等的形成和演化，而非线性超声对这些微观组织变化较敏感，作为一种材料早期损伤的有效检测方法引起了广泛关注。

近年来，研究者多采用非线性纵波检测材料的蠕变损伤。Ohtani[1]等人研究了锅炉换热管焊缝蠕变损伤情况下的二次谐波变化，结果表明二次谐波随材料蠕变损伤显著变化。Baby[2]等人利用非线性超声纵波测量了IMI834钛合金蠕变损伤时非线性参数的变化，并通过扫描电镜、透射电镜等检测微观结构来解释非线性超声信号的变化趋势。文献[3-4]研究了非线性超声检测纯铜蠕变损伤的表征参数，结果表明三次谐波较线性超声参数(声速、衰减等)和二次谐波对纯铜材料蠕变损伤更敏感。随后研究者们利用非线性纵波检测了多种材料的蠕变损伤，如镍基合金[5]、钛合金[6]等。目前，一般采用非线性纵波对金属材料蠕变的损伤进行评价，而非线性导波检测金属材料蠕变损伤的研究却鲜有报道[1-6]。

与超声纵波相比，Lamb波具有线扫查、同侧激发与接收等优点，更适合大面积类板状结构和大口径管道的无损检测。Seale[7]等人采用Lamb波对复合材料的疲劳损伤、热损伤进行了检测和评价，结果显示随着损伤的加剧，复合材料中Lamb波的传播速度呈现出明显的下降。Holland和Chimenti[8]发现对称S1模式在群速度为0的地方能够发生Lamb波的共振，该处的模式能够在空气中有效传播并可用于板材介质中缺陷的C扫描成像。Benmeddour[9]等人研究了纯A0和S0模式对于对称缺口裂纹的敏感性，结果表明从模式能量反射系数的角度看，A0模式比S0模式更加敏感。张海燕[10]等人采用联合迭代重建技术(simultaneous iterative reconstruction technique)在理论和实验上研究了层析成像在管道结构中类Lamb波检测中的适用性。最近，Philtron和Rose[11]基于超声相控阵梳状换能器对Lamb波相速度和频率空间的扫查，提出一种新型的导波模式和频率扰动方法，用于确定最优化的导波检测模式。

本文前期工作中研究了非线性Lamb波对钛合金蠕变损伤的检测[12]。鉴于Lamb波具有频散和多模式特性，有较多模式能够满足积累效应二次谐波的激发条件，因此有必要进一步研究不同模式对Lamb波检测蠕变损伤的敏感性，为定量评价材料蠕变损伤的模式选择提供参考。本文分别采用典型的S1-S2和A4-S8模式对对Ti60钛合金蠕变损伤进行测量，探讨不同非线性Lamb波模式与材料蠕变损伤之间的变化关系。

1 试样及实验测量

1.1 试样制备

本文中试验研究材料选用Ti60钛合金材料，由中国科学院金属研究所提供。Ti60是一种近型高温钛合金，其名义成分为：Ti - 5.8Al - 4.0Sn - 3.5Zr - 0.4Mo - 0.4Nb - 1.0Ta - 0.4Si - 0.06C，其相转变温度约为1040 ℃(即原始材料中包含的和相转变成全部都是相的温度)。首先将精锻的板材进行适当的热处理：将精锻板材放置在真空加热炉中在相转变温度(约1020℃)下保温2 h后空冷，然后在700 ℃下保温2 h后空冷，得到制作高温蠕变损伤试样的原始材料。

参照GB/T2039-2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》，将经过热处理后大的板状材料加工成尺寸如图1所示的非标准板状蠕变试样，厚度为2 mm，平行段宽度为15 mm，平行段长度为80 mm。利用高温电子蠕变试验机CSS-3905对试样进行加速蠕变试验，温度设定为600 ℃，应力大小设定为320 MPa。采取中断蠕变实验，蠕变加载中断时间分别为0、24、48、72、96、120 h以及134 h(断裂)。每一次蠕变试验中断后取出试样进行非线性Lamb波的测量，完成测量后将试样重新放到蠕变试验机高温炉内继续在相同温度和相同应力下加载，直到下一次蠕变中断时间或者试样断裂。通过蠕变试验获得在相同试验条件下经历不同蠕变时间的Ti60高温蠕变损伤试样。

1.2 实验测量

Ti60原始材料的主要物理参数，如弹性模量为115 GPa，泊松比为0.34，密度为4500 kg/m3，纵波速度为6272 m/s，横波速度为3088 m/s。根据这些物理参数，可以计算得到Ti60板材中的导波传播的相速度频散曲线以及群速度频散曲线，如图2(a)和2(b)所示，板材厚度为2 mm。

根据文献[13]的研究结果可知，当基频Lamb模式的相速度等于或近似等于二倍频Lamb波模式的相速度时，基频Lamb波在传播过程中能够激发出具有积累增长性质的二次谐波。因此，根据相速度频散曲线图2(a)，可以确定出在Ti60合金板材中能够激发具有明显积累二次谐波Lamb波信号的条件，也就是确定激发频率和入射角度：(1) 频率为1.95 MHz的S1模式，有机玻璃的入射角度为25.5°；(2) 频率为5.03 MHz的A4模式，有机玻璃的入射角度为19.5°。实验测量系统及装置如图3所示，激发的信号经过2 MHz (或者5 MHz)低通滤波器后加载到发射换能器上，接收换能器接收到的信号经过4 MHz(或者10 MHz)高通滤波器的滤波及前置放大后再经Retic系统20 MHz的低通滤波，然后由示波器显示和采样存储，示波器的采用频率为100 MHz，采样点为10000点。在对中断蠕变损伤试样测量的过程中，发射和接收换能器之间的距离始终保持不变，为50 mm。发射信号的频率或，脉冲周数均为15，接收信号经过前置放大器放大，增益均为40 dB。接收到的信号通过短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform，STFT)进行信号处理和分析，分解得到基频Lamb波的幅值以及二倍频Lamb波的幅值。

(a) 相速度频散曲线

(b) 群速度频散曲线

图2 Ti60板材试样Lamb波的频散曲线

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

2 结果讨论

从频散曲线图2(a)和2(b)可以看出，5.03 MHz激发的交点型Lamb波模式同时包含有S4和A4模式，其中A4模式与二倍频S8模式群速度匹配，而S4模式和二倍频S8模式群速度不匹配。接收信号中同时有S4和A4基波信号，快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)不能分离出基波A4信号，而短时傅里叶变换(STFT)同时从时域和频域分离信号，可以有效获取基波A4幅值，如图4所示。需要指出的是，图4中不同的Lamb波模式是根据图2中Lamb波群速度频散曲线来计算不同导波模式传播的时间而确定的。

(a) 基频为S1模式

(b) 基频为A4模式

图4 蠕变损伤48 h试样中Lamb波信号的STFT时频能量谱

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

测量结果表明，S1-S2和A4-S8模式对归一化非线性参数[6,12]对Ti60蠕变损伤响应的变化趋势基本一致，如图5所示。随着蠕变时间的增加，归一化非线性参数均大致分为两个阶段：大约蠕变寿命的60% 以内的快速上升阶段和蠕变寿命60%之后的下降阶段。需要说明的是由于本文采用快速蠕变实验，蠕变试样断裂时间134 h相对较短，非线性参数峰值对应蠕变寿命的60%为近似值。对Ti60合金蠕变损伤材料的金相微观组织分析可以看出[12]，Ti60合金在早期高温蠕变加载下，基体中析出相的析出和长大使材料的非线性加剧，同时基体内位错密度逐渐增大，位错环长度发生变化，这些微观组织的变化导致归一化声非线性参量单调上升。随着蠕变加载的继续，Ti60试样内部的析出相逐渐稳定，基体和析出相晶界处显微孔洞的产生及聚集、位错密度及位错环长度的相应变化，导致了非线性Lamb波幅值出现下降趋势[12]。

(a) S1-S2模式对

(b) A4-S8模式对

图5 归一化Lamb波声非线性参量和蠕变寿命之间的定标曲线

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

从图5可以看出，S1-S2模式对非线性参数的变化率约为4.8倍，A4-S8模式对非线性参数的变化率约为21.2倍。可见A4-S8模式对非线性参数的变化率比S1-S2模式对更大，对Ti60钛合金蠕变损伤更敏感，更适用于工程评价。两对模式对非线性参数的变化率相差较大，后期工作将继续探讨不同模式对Lamb波的激发效率。已有的研究结果表明，可以采用激发效率参量来定量表征超声Lamb波积累二次谐波的发生效率，该激发效率参量有利于Lamb波积累二次谐波发生效率高的基频Lamb波模式的选择和优化。限于文章篇幅，关于基频Lamb模式的选择研究将另文报道。

3 结论

分别采用非线性Lamb波S1-S2模式对和A4-S8模式对检测了Ti60钛合金试样的蠕变损伤。结果显示两种模式对归一化非线性参数随蠕变时间变化趋势一致，均呈现显著的上升-下降趋势。A4-S8模式对非线性参数变化率比S1-S2模式对更大，对Ti60合金蠕变损伤更敏感，这为利用非线性超声导波技术定量评价材料蠕变损伤的模式选择提供了研究基础。

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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

国家自然科学基金项目(11474093); 上海市科技启明星计划资助项目(14QA1401200)

叶有俊(1980－), 男, 安徽枞阳人, 硕士, 工程师, 主要从事高温构件结构损伤及无损检测研究。

项延训, E-mail: yxxiang@ecust.edu.cn