鈦合金蠕變損傷的非線性Lamb波檢測

葉有俊，朱武軍，王一寧，項延訓

?

鈦合金蠕變損傷的非線性Lamb波檢測

葉有俊1，朱武軍2，王一寧1，項延訓2

(1. 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇南京210036；2. 華東理工大學承壓系統與安全教育部重點實驗室，上海200237)

金屬材料在高溫高壓服役過程中會發生蠕變損傷，檢測和評價金屬材料的早期蠕變損傷具有重要工程意義。針對Ti60鈦合金蠕變損傷采用非線性Lamb波進行檢測，分別選擇Lamb波S1-S2模式對和A4-S8模式對開展鈦合金蠕變損傷試樣的實驗測量，并采用歸一化非線性參數來表征鈦合金的蠕變損傷狀態。研究結果表，明兩種模式對的歸一化非線性參數隨著材料蠕變損傷程度的加劇均表現出“上升-下降”的變化趨勢，且A4-S8模式對歸一化非線性參數變化率比S1-S2模式對更大，說明該模式對對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、核電等行業大量使用的壓力管道和壓力容器長期處于高溫高壓環境下運行，將不可避免地發生高溫蠕變損傷。一般情況下材料的蠕變變形分為三個階段：初期階段、穩定階段和后期階段。研究表明，材料早期性能退化階段占據材料整個蠕變壽命大于70%以上。因此，檢測和評價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為析出相、位錯、微孔洞等的形成和演化，而非線性超聲對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方法引起了廣泛關注。

近年來，研究者多采用非線性縱波檢測材料的蠕變損傷。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量了IMI834鈦合金蠕變損傷時非線性參數的變化，并通過掃描電鏡、透射電鏡等檢測微觀結構來解釋非線性超聲信號的變化趨勢。文獻[3-4]研究了非線性超聲檢測純銅蠕變損傷的表征參數，結果表明三次諧波較線性超聲參數(聲速、衰減等)和二次諧波對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金屬材料蠕變的損傷進行評價，而非線性導波檢測金屬材料蠕變損傷的研究卻鮮有報道[1-6]。

與超聲縱波相比，Lamb波具有線掃查、同側激發與接收等優點，更適合大面積類板狀結構和大口徑管道的無損檢測。Seale[7]等人采用Lamb波對復合材料的疲勞損傷、熱損傷進行了檢測和評價，結果顯示隨著損傷的加劇，復合材料中Lamb波的傳播速度呈現出明顯的下降。Holland和Chimenti[8]發現對稱S1模式在群速度為0的地方能夠發生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中缺陷的C掃描成像。Benmeddour[9]等人研究了純A0和S0模式對于對稱缺口裂紋的敏感性，結果表明從模式能量反射系數的角度看，A0模式比S0模式更加敏感。張海燕[10]等人采用聯合迭代重建技術(simultaneous iterative reconstruction technique)在理論和實驗上研究了層析成像在管道結構中類Lamb波檢測中的適用性。最近，Philtron和Rose[11]基于超聲相控陣梳狀換能器對Lamb波相速度和頻率空間的掃查，提出一種新型的導波模式和頻率擾動方法，用于確定最優化的導波檢測模式。

本文前期工作中研究了非線性Lamb波對鈦合金蠕變損傷的檢測[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二次諧波的激發條件，因此有必要進一步研究不同模式對Lamb波檢測蠕變損傷的敏感性，為定量評價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模式對對Ti60鈦合金蠕變損傷進行測量，探討不同非線性Lamb波模式與材料蠕變損傷之間的變化關系。

1 試樣及實驗測量

1.1 試樣制備

本文中試驗研究材料選用Ti60鈦合金材料，由中國科學院金屬研究所提供。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，其相轉變溫度約為1040 ℃(即原始材料中包含的和相轉變成全部都是相的溫度)。首先將精鍛的板材進行適當的熱處理：將精鍛板材放置在真空加熱爐中在相轉變溫度(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試驗方法》，將經過熱處理后大的板狀材料加工成尺寸如圖1所示的非標準板狀蠕變試樣，厚度為2 mm，平行段寬度為15 mm，平行段長度為80 mm。利用高溫電子蠕變試驗機CSS-3905對試樣進行加速蠕變試驗，溫度設定為600 ℃，應力大小設定為320 MPa。采取中斷蠕變實驗，蠕變加載中斷時間分別為0、24、48、72、96、120 h以及134 h(斷裂)。每一次蠕變試驗中斷后取出試樣進行非線性Lamb波的測量，完成測量后將試樣重新放到蠕變試驗機高溫爐內繼續在相同溫度和相同應力下加載，直到下一次蠕變中斷時間或者試樣斷裂。通過蠕變試驗獲得在相同試驗條件下經歷不同蠕變時間的Ti60高溫蠕變損傷試樣。

1.2 實驗測量

Ti60原始材料的主要物理參數，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。根據這些物理參數，可以計算得到Ti60板材中的導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。

根據文獻[13]的研究結果可知，當基頻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，基頻Lamb波在傳播過程中能夠激發出具有積累增長性質的二次諧波。因此，根據相速度頻散曲線圖2(a)，可以確定出在Ti60合金板材中能夠激發具有明顯積累二次諧波Lamb波信號的條件，也就是確定激發頻率和入射角度：(1) 頻率為1.95 MHz的S1模式，有機玻璃的入射角度為25.5°；(2) 頻率為5.03 MHz的A4模式，有機玻璃的入射角度為19.5°。實驗測量系統及裝置如圖3所示，激發的信號經過2 MHz (或者5 MHz)低通濾波器后加載到發射換能器上，接收換能器接收到的信號經過4 MHz(或者10 MHz)高通濾波器的濾波及前置放大后再經Retic系統20 MHz的低通濾波，然后由示波器顯示和采樣存儲，示波器的采用頻率為100 MHz，采樣點為10000點。在對中斷蠕變損傷試樣測量的過程中，發射和接收換能器之間的距離始終保持不變，為50 mm。發射信號的頻率或，脈沖周數均為15，接收信號經過前置放大器放大，增益均為40 dB。接收到的信號通過短時傅里葉變換(Short Time Fourier Transform，STFT)進行信號處理和分析，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 結果討論

從頻散曲線圖2(a)和2(b)可以看出，5.03 MHz激發的交點型Lamb波模式同時包含有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。接收信號中同時有S4和A4基波信號，快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)不能分離出基波A4信號，而短時傅里葉變換(STFT)同時從時域和頻域分離信號，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波模式是根據圖2中Lamb波群速度頻散曲線來計算不同導波模式傳播的時間而確定的。

(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波信號的STFT時頻能量譜

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

測量結果表明，S1-S2和A4-S8模式對歸一化非線性參數[6,12]對Ti60蠕變損傷響應的變化趨勢基本一致，如圖5所示。隨著蠕變時間的增加，歸一化非線性參數均大致分為兩個階段：大約蠕變壽命的60% 以內的快速上升階段和蠕變壽命60%之后的下降階段。需要說明的是由于本文采用快速蠕變實驗，蠕變試樣斷裂時間134 h相對較短，非線性參數峰值對應蠕變壽命的60%為近似值。對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大使材料的非線性加劇，同時基體內位錯密度逐漸增大，位錯環長度發生變化，這些微觀組織的變化導致歸一化聲非線性參量單調上升。隨著蠕變加載的繼續，Ti60試樣內部的析出相逐漸穩定，基體和析出相晶界處顯微孔洞的產生及聚集、位錯密度及位錯環長度的相應變化，導致了非線性Lamb波幅值出現下降趨勢[12]。

(a) S1-S2模式對

(b) A4-S8模式對

圖5 歸一化Lamb波聲非線性參量和蠕變壽命之間的定標曲線

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

從圖5可以看出，S1-S2模式對非線性參數的變化率約為4.8倍，A4-S8模式對非線性參數的變化率約為21.2倍。可見A4-S8模式對非線性參數的變化率比S1-S2模式對更大，對Ti60鈦合金蠕變損傷更敏感，更適用于工程評價。兩對模式對非線性參數的變化率相差較大，后期工作將繼續探討不同模式對Lamb波的激發效率。已有的研究結果表明，可以采用激發效率參量來定量表征超聲Lamb波積累二次諧波的發生效率，該激發效率參量有利于Lamb波積累二次諧波發生效率高的基頻Lamb波模式的選擇和優化。限于文章篇幅，關于基頻Lamb模式的選擇研究將另文報道。

3 結論

分別采用非線性Lamb波S1-S2模式對和A4-S8模式對檢測了Ti60鈦合金試樣的蠕變損傷。結果顯示兩種模式對歸一化非線性參數隨蠕變時間變化趨勢一致，均呈現顯著的上升-下降趨勢。A4-S8模式對非線性參數變化率比S1-S2模式對更大，對Ti60合金蠕變損傷更敏感，這為利用非線性超聲導波技術定量評價材料蠕變損傷的模式選擇提供了研究基礎。

[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. 管道結構中的類蘭姆波層析成像[J]. 聲學學報, 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

國家自然科學基金項目(11474093); 上海市科技啟明星計劃資助項目(14QA1401200)

葉有俊(1980－), 男, 安徽樅陽人, 碩士, 工程師, 主要從事高溫構件結構損傷及無損檢測研究。

項延訓, E-mail: yxxiang@ecust.edu.cn