基于激光超声的GH4169模锻气门喷丸表面残余应力检测.pdf

图 1表面波传播图基于激光超声的 GH4169 模锻气门喷丸表面残余应力检测张晓斌，尚苏芳（河南建筑职业技术学院设备工程系，河南郑州450064）摘要：作为一种新型超声检测技术，激光超声具有无损伤、高精度及非接触的优势特征，广泛应用于材料表征领域。以 GH4169 模锻气门喷丸表面残余应力检测为研究对象，开展了实验测试分析。研究结果表明：表面波声速在x 与 y 方向上均超过 2 949 m/s，符合残余压应力经喷丸处理产生。经对比可知，该结果具有可靠性。在转动过程中模锻气门易受到影响，越靠近中心处，残余应力稳定性更强，远离情况下，极易发生在边缘处。测试参数与 XDR 测量结果相比较小，符合本文测试结果。该技术可以拓宽到其他材料表面检测领域，具有很高的市场应用价值。关键词：GH4169 合金；激光超声；表面残余应力；检测中图分类号：TG146文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0010-020引言由于温度场不均匀或外力消除导致物体内留存的内应力称为残余应力1。强化工艺及机械加工均可引起物体内部产生残余应力。作为重要的模锻气门制造环节，锻造工艺的目的就是锻造处理，残余应力作用在模锻气门，因此，在对模锻气门锻造质量进行判断时，通常可依据模锻气门残余应力场来测定2-3。现阶段，最为广泛应用的残余应力检测方法主要有两类，分别是无损检测法和机械释放能量法4。机械释放能量法会造成一定的损伤破坏，在钻孔测试等工况应用较为频繁，测试精度高，可准确分析残余应力，因而广泛应用于多个工程领域。然而，在检测时需要去除部分材料，很容易破坏被测件5。在采用传统超声检测方法进行残余应力检测时，需将耦合剂配置齐全。为确保设计精度满足高要求的条件，压电探头采用接触式结构。当待检测部件的结构相对复杂时，整个步骤流程也较为复杂，难以满足模锻气门现场测试需求6。作为一种新型超声检测技术，激光超声具有无损伤、高精度及非接触的优势特征。利用激光脉冲在被检测工件中将超声波激发，并用激光束探测超声波的传播，可通过探测获取材料参数、表面缺陷及内部缺陷等工件信息7-8。该技术充分融合非接触光学检测技术及高精度超声检测技术，继承了两项技术的优点，具有较高的检测带宽（GHz）和灵敏度高的特点。本文在前人研究的基础上，开展了基于激光超声的GH4169 模锻气门喷丸表面残余应力检测研究。1激光超声检测原理构建均匀弹性体的空间坐标系，如图 1 所示，滓1与 滓2分别为材料平面主应力，1、2、3 分别为二者对应的方向以及材料厚度方向，当平面双轴应力作用于材料后，声弹性方程在 1、2 方向的表达式为9：驻v1v0=v1-v0v0=K1滓1+K2滓2驻v2v0=v2-v0v0=K2滓1+K1滓2扇墒设设设设设设缮设设设设设设.式中：v1、v2为（滓1，滓2）在 1、2 方向的表面声波传播速度；v0为初始表面波速度；K1与 K2为声弹性系数。假设材料温度波动幅度较小，且符合各向同性条件，此时应力方向与表面波传播方向均会对声弹性系数产生作用。材料的二阶与三阶弹性系数直接影响 K1与 K2参数值，因此，在确定计算 K1与 K2参数值时，必须要提前确定二阶与三阶弹性常数。应力方向处的速度差值计算需参考采集获取的数据，近似应力则参考声弹性系数获得10，K2产生的误差与因纹理温度条件造成的测量误差，可忽略不计。2试验激光超声检测试验系统的信号处理模块共有两个，分别为超声激发和超声接收。激光超声残余应力检测系统及其试验平台分别如图 2、图 3 所示。在 Nd：YAG 激光设备的作用下将激光脉冲发送，设置初始值，重复频率为 100 MHz、脉冲波长 姿=1 064 nm、传感器中心频率为 2.5 MHz。超声波由超声波控制设备发收稿日期：2023-03-21第一作者简介：张晓斌（1983），男，重庆人，本科，讲师，主要从事电子设计工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.005132v1v2滓2滓1试（实）验研究2023 年第 9 期出，压电传感器负责接收。本研究中传感器中心频率固定为 2.5 MHz，获取可视化超声测试图像之前，需先通过软件进行数据采集，再对这些数据信号实施滤波。本试验首先热模锻处理模锻气门，然后采取喷丸处理其表面。X1X6点、Y1Y6点分别对应于模锻气门 x 方向、y 方向。采用零应力声速测试方法对上述各点进行处理，表面波声速在 x 与 y 两个方向测定的具体数值如表 1 所示。表面波声速在 x 与 y 方向上均超过 2 949 m/s，压应力作用在模锻气门表面，喷丸处理产生了残余压应力。经对比可知，该结果具有可靠性。对各测试点残余应力进行计算，便于对激光超声测试结果展开深入研究，利用扫描应力仪 L-XDR 在试验期间对超声检测点进行重新测定，周向激光超声与 XDR 方法表征残余应力的结果，如表 2 所示。参考周向残余应力和模锻气门测试结果，压应力在超声检测与 XDR 中形成，且变化趋势具有一致性。但是，实际结果显示，XDR 与激光超声测试获取的残余应力数值不相等。经对比得出，XDR 测试结果更大，残余应力差值最大和最小依次对应的测试点是X6、Y3，分别达到 119 MPa、33 MPa。最大残余应力应用XDR 方法测试结果为-740 MPa，对应测试点为 Y1。分析发现，在转动过程中模锻气门易受到影响，越靠近中心处残余应力稳定性更强，远离或紧贴配合件等情况下，极易发生在边缘处。X 射线光斑直径约 0.2mm，可探测部位深度为几十微米，本试验深度 1.15 mm 的部位可采用激光超声探测方法完成检测，直径在测试区域约 1 mm。首先，选用热模锻处理模锻气门，然后，采取喷丸处理，残余应力在 1.2 mm 处表层深度达到基本稳定。在实际测试处理时，选用激光超声方法并设置测试深度，测试参数与 XDR 测量结果相比较小，符合本文测试结果。3结论1）表面波声速在 x 与 y 方向上均超过 2 949 m/s，压应力作用在模锻气门表面，喷丸处理产生残余压应力，经对比可知，该结果具有可靠性。2）在转动过程中模锻气门易受到影响，越靠近中心处残余应力稳定性更强，远离或紧贴配合件等情况下，极其容易发生在边缘处。测试参数与 XDR 测量结果相比较小，符合本文测试结果。参考文献1李赛飞，张亮，彭光健，等.基于锥形压入总功的金属表面等轴残余应力检测方法J.中国科学：物理学、力学、天文学，2023，53（1）：19-28.2马加炉，刘春太，甘书峰，等.航天服头盔面窗注塑残余应力控制与检测技术研究J.载人航天，2022，28（5）：646-652.3夏鹏，魏志辉.基于电磁检测的火车车轮残余应力定量预测J.精密成形工程，2022，14（9）：136-141.4李佳蕊，杨忠民，李昭东，等.Q390 高强抗震钢板残余应力检测方法对比及分析J.中国冶金，2022，32（11）：79-87.5曹建树，纪卫克，张诚，等.基于热固耦合的管道激光超声检测有限元模拟J.应用激光，2021，41（3）：661-668.6杜畅，张津，连勇，等.激光增材制造残余应力研究现状J.表面技术，2019，48（1）：200-207.7SadersonRM,ShenYC.Measurement of residual stress using laser-generated ultrasoundJ.International Journal of Pressure Vessels andPiping,2010,87(12):762-765.8千志科，韩晓明，王国强.K417G 轮盘喷丸表面残余应力激光超声检测J.应用激光，2022，42（6）：91-95.9许万卫，白雪，马健，等.超声检测在金属 3D 打印中的应用研究进展J.材料导报，2022，36（18）：94-103.（编辑：郭萍茹）（下转第 34 页）图 3现场实物照片图 2激光超声的残余应力检测原理计算机控制系统主机表面波探头振镜扫描系统激光束张晓斌，等：基于激光超声的 GH4169 模锻气门喷丸表面残余应力检测x 方向波速测点X1X2X3X4X5X6激光超声 2949.22949.42949.22949.42950.22948.8XDR2949.72950.32950.22949.52949.42949.4y 方向波速测点Y1Y2Y3Y4Y5Y6激光超声 2950.12950.02949.62949.42949.62950.0XDR2949.32949.62949.52949.52949.42949.5表 1波速测量值单位：m/sx 方向应力测点X1X2X3X4X5X6激光超声-511-492-372-382-602-593XDR-693-563-471-406-686-711y 方向应力测点Y1Y2Y3Y4Y5Y6激光超声-692-591-502-486-481-472XDR-563-616-662-486-416-473表 2周向残余应力分布单位：MPa11窑窑山西冶金E-mail:第 46 卷Detection of Residual Stress on Shot Peening Surface of GH4169 Die Forged Valve Based onLaser UltrasoundZhang Xiaobin,Shang Sufang（Department of Equipment Engineering,Henan Polytechnic of Architecture,Zhengzhou Henan 450064,China）Abstract:As a new ultrasonic testing technology，laser ultrasound has the advantages of non-damage，high precision and non-contactcharacteristics，widely used in the field of material characterization.The surface residual stress of GH4169 die forged valve was tested andanalyzed.The results show that the surface wave velocity is more than 2 949 m/s in both x and y directions，which is consistent with theresidual compressive stress generated by shot peening.The results are reliable by comparison.In the process of rotation，the die forgingvalve is easy to influence，the closer to the center of the residual stress stability is stronger，far away from the situation is extremely easy tooccur at the edge.Compared with the measured results of XDR，the test parameters are smaller，consistent with the test results in thispaper.This technology can be extended to other material surface detection fields and has a high market application value.Key words:GH4169 alloy;laser ultrasound;surface residual stress;detection图 7一级静子内环挡块应力（MPa）分布图应力集中，致使基体抗疲劳性能下降，并且受到发动机振动载荷等因素的共同作用导致的。3结论与建议1）一级静子内环挡块断裂性质为高周疲劳断裂，疲劳起始于挡块矩形凸块与细端的转接部位上表面的倒角处，呈单源特征。2）矩形凸块与细端的转接部位上表面前视侧的倒角处存在的机加痕迹造成的应力集中，是导致内环挡块过早萌生疲劳裂纹的主要原因。3）内环挡块受到的振动载荷对疲劳裂纹的萌生和扩展有促进作用。4）建议在成型加工时提高表面粗糙度的要求，在凸块与细端的转接部位上表面不允许有机加痕迹残留，可有效避免类似故障的再次发生。参考文献1Anon.Titanium alloys for aerospaceJ.Advanced Materials andProcess，1999（3）：9.2刘博志，佟文伟，邱丰.发动机风扇转子叶片叶身裂纹失效分析J.失效分析与预防，2016，11（1）：60-64.3张秋平.钛合金结构件加工新工艺J.飞航导弹，2010（1）：86-90.4张栋，钟培道，陶春虎，等.失效分析M.北京：国防工业出版社，2004：131-143.5工程材料实用手册编辑委员会.工程材料实用手册M.北京：中国标准出版社，2001：104-105.6袁新泉，钱友荣，田永江.航空机械失效案例选编M.北京：科学出版社，1988：112-129.7刘新灵，周家盛，钟培道.某发动机 III 级涡轮叶片断裂失效分析J.机械工程材料，2005，29（8）：67-70.8李洋，佟文伟，韩振宇，等.发动机引气管卡箍断裂原因分析J.失效分析与预防，2013，8（3）：167-172.9张栋.机械失效的实用分析M.北京：国防工业出版社，1997：143-144.10高玉魁.不同表面改性强化处理对 TC4 钛合金表面完整性及疲劳性能的影响J.金属学报，2016，52（8）：915-922.（编辑：武倩倩）Fracture Analysis of Aero-engine Primary Stator Inner Ring BaffleGao Hao（Dalian Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute Co.,Ltd.,Dalian Liaoning 116016,China）Abstract:Through visual inspection,fracture analysis,surface microscopic inspection,and material analysis of the faulty first stage statorinner ring stop of a certain type of aircraft engine,and stress distribution calculation,it was determined that the fracture property of the faultyfirst stage stator inner ring stop was high cycle fatigue.It was clarified that there were mechanical processing marks at the chamfer on thefront view side of the surface at the junction between the rectangular convex block and the fine end of the stop,resulting in stressconcentration.It is the main cause of premature fatigue cracks and fracture failure of the inner ring stopper,and corresponding improvementsuggestions are proposed.Key words:aero-engine;inner ring baffle;high-cycle fatigue;TC4;machining marks;stress concentration（上接第 11 页）34窑窑