基于非線性超聲的SLM制備車用合金疲勞損傷檢測＊

賈廣輝 袁留奎 常 浩 張 昊

（①河南交通職業技術學院汽車學院，河南 鄭州 450000；②東風越野車有限公司整車開發部，湖北 武漢 430056；③東南大學儀器科學與工程學院，江蘇 南京 210096）

進行車輕量化用材料加工處理時，可以利用選區激光熔化（selective laser melting，SLM）的方法來達到快速成型的效果，也可以通過該方法制備得到結構致密的部件[1?2]。隨著人們對SLM加工技術的研究不斷深入，該加工技術已從最初被應用于概念模具拓展到了對技術要求更高的高精度設備、醫學儀器等領域[3?4]。為了提升SLM部件的使用可靠性并延長服役壽命，要求SLM部件還沒有產生缺陷狀態下就準確診斷初始損傷。當部件在使用階段出現疲勞損傷時，將會造成微缺陷的明顯拓展，最終導致零部件發生損毀。為了對上述缺陷問題進行準確檢測，有學者開發了無損檢測的技術來實現疲勞損傷位置和程度的綜合判斷。目前已經形成了滲透、X射線檢測等多種處理方法[5]，能夠同時滿足對裂紋、微孔和夾雜物等缺陷的檢測需求，但無法實現準確判斷金屬材料疲勞損傷缺陷狀態。

近些年來，已有許多研究人員開展了材料缺陷的聲學檢測分析[6]，結果顯示當金屬部件使用階段產生疲勞損傷后將會引起微缺陷，之后在超聲波環境中產生相應的特征信號，表現為非線性變化的聲學響應效果，目前已有許多學者利用非線性聲學響應的原理來表征金屬材料的疲勞損傷程度并被廣泛應用于無損檢測領域[7]。許國琛[8]開發了一種可以對鈦合金疲勞裂紋進行線性與非線性檢測的新方法，并將該方法測試的結果跟超聲相控陣檢測結果進行了比較分析。徐顯勝[9]通過設計實驗測試了疲勞加載工況下對選區激光熔融316L不銹鋼進行超聲非線性測試疲勞壽命的結果。發現進行超聲波檢測時會形成變化幅度很大的二次諧波，并且當疲勞周期延長后獲得了更大的超聲非線性系數。將選區激光熔融GH4169鎳基合金置于不同工況下進行測試時會導致疲勞損傷問題[10?11]。目前關于這方面的研究多是通過材料微觀機理開展研究，從機械力學疲勞信號角度研究方面尚有不足。本文根據非線性超聲的原理，選擇高次諧波的檢測方式對完成疲勞加載測試后的選區激光熔融制備的GH4169鎳基合金開展非線性超聲測試，結果顯示，可以根據超聲非線性系數精確判斷試件的疲勞損傷狀態，可以通過高次諧波檢測技術快速測定選區激光熔融GH4169鎳基合金的疲勞損傷。

1 非線性超聲基本理論

根據超聲檢測結果可知[12]，金屬材料產生非線性變化特征的因素包括晶格滑移、材料組織位錯和微裂紋等，上述各類缺陷分別跟相應頻率超聲波作用而形成明顯的高次諧波[13]。

一維縱波在非線性介質中傳播時，對應小應變狀態下的運動過程表達式如下[14]:

以下給出了一維縱波非線性超聲波動計算式：

式中：t表示傳播時間；c是聲波速度；x表示傳播距離。

按照攝動法作用機制，可以得到波動方程（1）二階近似解如下:

式中：A1表示超聲波振動幅度；ω表示頻率；k表示波數；β表示非線性系數。

二次諧波幅值A2如下[15]：

結合式（4）得到超聲非線性系數β：

試樣收到疲勞損傷后，會在其內部產生晶格畸變，微裂紋等缺陷。此時有超聲波通過是會產生高次諧波，導致基波和二次諧波的幅值均發生變化。式（5）表明，通過基波和二次諧波的幅值可以計算出β，其能夠用于表征試樣的疲勞損傷程度。

2 材料及試樣制備

2.1 材料

本次使用的原料為球形GH4169鎳基合金顆粒，以SLM加工制得試樣。通過微觀形貌表征確定粉末粒徑介于10～55 μm，具體形貌見圖1。

圖1 GH4169鎳基合金顆粒SEM圖像

2.2 試樣制備

本實驗選擇圖2所示的AM400SLM增材系統作為測試設備。表1給出了實驗的各項參數，用于疲勞測試的樣品按照GB/T 3075-2008表征進行制備。

圖2 實驗設備

表1 主要加工參數

3 實驗系統與測量方法

超聲檢測原理如圖3所示，測試系統裝置包括MTS810疲勞測試機與非線性超聲測試系統兩部分。

圖3 超聲檢測原理示意圖

根據疲勞測試結果判斷選區激光熔融合金經過不同次數循環疲勞載荷測試后得到的超聲非線性系數。以MTS810疲勞測試機對合金材料實施拉伸疲勞測試，設置了三角結構的疲勞波形，控制應力比為0.1，以10 Hz頻率進行疲勞施加載荷，加載應力最高可以達到500 MPa。對試樣進行疲勞測試期間完成非線性超聲測試，設定5 000次疲勞載荷作為一個周期。到達設定疲勞周期時，測試過程自動停止并保持恒定拉伸載荷，利用非線性超聲檢測設備對試件實施檢測。從試件上選擇3個部位作為非線性超聲檢測區域，拉伸試樣尺寸和各區域分布位置見圖4，圖中123是檢測位置,1是縮頸處，2是左喇叭口處，3是右喇叭口處；圖5給出了拉伸設備照片。

圖4 拉伸試樣尺寸

圖5 拉伸設備照片

按照以下各項步驟進行檢測：首先，信號發生器形成5 MPa與周期為10的正弦波；然后，通過發射傳感器完成激勵波的發射過程，并調節激勵信號達到不同幅值；隨后，超聲波信號沿厚度進行傳播的過程中遇到內部微缺陷將會形成二次諧波，通過安裝于試件上的信號探測器實現超聲波信號采集過程；最后，中心頻率設定為10 MPa，經快速傅里葉轉換獲得基波與二次諧波信號，由此計算出超聲非線性系數的相對值。測試直到試件發生斷裂時為止。

4 試驗結果及分析

4.1 接收信號的時域和頻域分析

對沒有經過疲勞加載測試的試樣實施非線性超聲測試，圖6為疲勞加載前信號時域和頻域圖。在疲勞加載周期18 000次后，圖7為疲勞加載后信號時域和頻域圖。比較圖6與圖7可知，對比疲勞加載前后，時域信號表現為穩定的波形狀態，在這種情況并不能根據時域信號準確判斷試件發生疲勞損傷的程度。分析頻率信號可知，位于頻率4.2 MHz部位形成了基波幅值，當頻率達到9.6 MHz時檢測獲得二次諧波幅值，可以明顯發現二次諧波與基波相比形成了更低幅值。與初始試件相比，經過18 000次疲勞測試后，試樣形成了更大變化幅值的信號。相比較時域信號，頻域信號能夠更為準確地反映試件疲勞損傷程度。

圖6 疲勞加載前信號時域和頻域圖

圖7 疲勞加載后信號時域和頻域圖

圖8是對選區激光熔融制備合金進行掃描電鏡表征獲得的圖像，根據微觀結構變化特征對試樣發生疲勞加載前進行非線性超聲測試信號形成的二次諧波進行分析。SLM加工方式是通過高能激光束來實現加熱效果，能夠以極快速度完成升、降溫得到凝固態組織，達到以常規手段不能滿足的非平衡狀態，從而形成了具有明顯各向異性特點的組織。

圖8 疲勞加載前后試樣的SEM像

對圖8進行分析可知，此時在試樣微觀組織中形成了等軸晶形態的組織。大部分柱狀晶都表現出較強的方向性，位于相同熔池中的柱狀晶形成了幾乎一樣的排列方向，并跟熔合線之間形成了特定的角度。進行加工處理時，激光功率以及掃描過程的間距和方式都會對最終材料加工性能產生影響，由此造成缺陷產生。具有各向異性分布的柱狀晶、微缺陷與熔合線都會引起試樣在非線性超聲檢測過程中形成二次諧波。對經過18 000個周期加載測試后的試件通過非線性超聲測試發現，也會引起頻域信號內形成基波與二次諧波的情況，并產生了更大幅值的二次諧波。發現此時形成了大量疲勞裂紋。當試樣中形成疲勞損傷裂紋時將會造成二次諧波幅值的明顯上升。各個加載工況下的超聲非線性系數，以此表征SLM加工方法制備的試樣中出現的疲勞損傷。

4.2 測量位置對實驗結果的影響

針對不同測量位置引起的非線性超聲檢測差異性，對圖4中3個不同試樣部位進行檢測數據分析。計算β/β0再對其實施歸一化。根據循環加載周次和疲勞壽命比值判斷疲勞損傷情況。

圖9顯示在圖4中測試區域1的部分形成了很小的橫截面，而在測試點2與3則了形成了很大的橫截面，同時發現測試點2、3在點1兩邊呈現對稱分布的特征，施加同樣外部載荷時，測試點1相對2、3表現出更明顯應力集中的狀態。從圖9中可以看到分別對3個部分測試部位進行非線性超聲測試并計算得到的β/β0變化趨勢，增加疲勞周期后，都表現為比值不斷增大的變化規律，形成了相近的變化特征。測量點1在不同疲勞周期中發生了超聲非線性系數的較大改變，與測試點1相比，測試點2、3超聲非線性系數跟疲勞周數之間雖然也呈現正相關的特點，但只發生了小幅增長。產生上述結果的原因是進行疲勞加載時，測試點1區域發生了內部大幅變形的情況，從而引起超聲非線性系數也出現較大改變。

圖9 3個測點的疲勞測試結果

5 結語

（1）二次諧波與基波相比形成了更低幅值。與初始試件相比，經過18 000次疲勞測試后，試樣形成了更大變化幅值的信號。

（2）試樣組織中形成了等軸晶形態，大部分柱狀晶表現出較強的方向性，位于相同熔池中的柱狀晶形成了幾乎一樣的排列方向。周期疲勞試樣形成了大量疲勞裂紋。

（3）增加疲勞周期后，非線性超聲測試變化不斷增大，形成了相近的變化特征。與測試點1相比，測試點2、3超聲非線性系數跟疲勞周數之間雖然也呈現正相關的特點，但只發生了小幅增長。