鈦合金中微裂紋的超聲紅外熱像檢測技術研究①

敦 怡，周兆英，伍 玲，王栓杰

(1.清華大學精密儀器與機械學系，北京 100084;2.軍械工程學院，石家莊 050003)

鈦合金中微裂紋的超聲紅外熱像檢測技術研究①

敦 怡1，2，周兆英1，伍 玲1，王栓杰2

(1.清華大學精密儀器與機械學系，北京 100084;2.軍械工程學院，石家莊 050003)

研究了超聲紅外熱像檢測技術的原理，利用有限元分析方法，建立了鈦合金刀具樣件和裂紋的二維熱傳導有限元模型，通過有限元數值計算方法，對超聲波在裂紋處激發的熱源引起的瞬態溫度場進行分析，然后對含有微裂紋的鈦合金刀具樣件進行實際檢測。結果表明，超聲紅外熱像檢測技術對鈦合金材料中的微裂紋定性檢測快速有效，且是無損檢測。對微裂紋檢測的實驗結果與利用有限元方法計算結果基本一致，證明有限元模型的正確性，并為鈦合金材料中微裂紋的定量檢測提供了新的方法和參考依據。

紅外熱像;超聲檢測;鈦合金;微裂紋;有限元

0 引言

鈦合金材料具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于航空航天等領域。但其切削加工困難，生產工藝復雜，故在鈦合金材料制備、機械加工及設備服役過程中，往往會產生各種微缺陷。微缺陷多數存在于機械設備和工程結構構件的疲勞損傷初期階段，占結構材料整個疲勞壽命的80% ～90%，是造成機械設備和工程結構的重大事故隱患［1］。目前，針對鈦合金材料和構件的無損檢測，主要是應用超聲波檢測方法，國內外都有相應的標準。但標準中規定的缺陷尺寸都較大，對微缺陷的檢測還未有統一的方法和標準。隨著技術進步，用于檢測金屬材料的微缺陷的方法得以發展，即有非線性超聲檢測方法和紅外熱像檢測方法。非線性超聲檢測方法是利用超聲與微缺陷相互作用產生的非線性響應，如高次諧波、非線性系數等參量來表征缺陷的存在;而紅外熱像檢測方法則是利用材料或構件表面的溫度場變化來表征缺陷的存在。目前，非線性超聲檢測方法由于技術限制，僅能用于實驗室研究，而紅外熱像檢測技術已可進行工程應用，而常規的紅外熱像檢測技術信噪比較差，為了提高信噪比和靈敏度可采用鎖相技術，但會造成成像時間較長。

為了研究鈦合金材料中微裂紋的檢測問題，本文以某鈦合金刀具為樣件，將超聲波檢測與紅外熱像檢測技術相結合，研究利用超聲紅外熱像技術進行微裂紋的檢測。

1 超聲紅外熱像檢測原理

超聲紅外熱像無損檢測技術是將超聲技術和紅外熱像技術相結合，發揮了超聲和紅外檢測的優勢。它是將低頻率的超聲波(20～40 kHz)作用在被檢測材料或制件表面或內部，超聲波在被檢材料或制件中傳播，形成聲場。如果被檢測材料或制件內部存在裂紋、末熔合、層析等缺陷時，在缺陷部位由于摩擦作用和熱彈效應、遲滯效應等作用，引起機械能顯著衰減，并產生熱量，從而在缺陷處及相鄰區域的溫度明顯升高［2-10］。這種效應的持續時間一般在毫秒量級，在超聲源激發開始后的幾個到幾十個毫秒范圍內現象最明顯，然后由于熱擴散，這種現象會變得很模糊。不過使用大功率的超聲發生器和紅外熱像儀就可非常清楚地檢測到這種溫度的變化。

與其他紅外熱像無損檢測技術，如光熱紅外成像技術相比，超聲紅外熱像技術最大的優勢在于它可對缺陷區域進行“選擇性加熱”，使缺陷局部溫度升高，從而大大提高靈敏度和信噪比。

2 超聲紅外熱像檢測系統組成

超聲紅外熱像檢測系統主要由超聲激勵系統、紅外熱像儀、計算機和實驗樣件(超聲刀具)組成，如圖1所示。

超聲信號發生器用于產生連續超聲波和脈沖超聲波兩種超聲激勵。超聲刀具包含超聲換能器、聚能桿及手術刀頭。超聲換能器主要完成電信號到超聲信號的轉換，聚能桿主要是進行超聲功率放大，手術刀頭是實驗樣件。紅外熱像儀為德國生產的VarioCAM Research VCr-480，其光譜范圍7.5 ～14 μm ，幀頻50 Hz，熱靈敏度在優化模式下可達0.05℃ (在30℃時)，圖像分辨率為384×288像素。

在超聲信號發生器發射超聲激勵的同時，由計算機控制的紅外熱像儀開始采集數據，實驗樣件表面局部的溫度變化情況被熱像儀捕捉到。同時熱像儀將所采集到的熱圖反饋給計算機，然后利用專用軟件對時序熱圖進行處理分析，并顯示檢測結果，從而判別材料中缺陷的存在和位置信息。

圖1 超聲紅外熱像檢測系統示意圖Fig.1 Illustration of sonic IR imaging system

3 超聲紅外熱像檢測結果及分析

將上述超聲紅外熱像檢測系統用于檢測超聲刀具的質量檢測。實驗在室溫下進行，在實驗開始時，首先調整紅外熱像儀使視場中試件位置盡量居中，之后調整熱像儀的焦距，采用均勻黑體對其進行溫場標定，確保熱像儀視場均勻。

調整實驗條件，包括超聲激勵的振幅、作用時間等參數。設定采樣時間長20 s，頻率為50 Hz，紅外熱像儀實時記錄超聲刀具表面溫度場變化，計算機對紅外熱像圖進行實時采樣和存貯。最后通過紅外熱像儀自帶的專用紅錢圖像處理軟件得到紅外熱圖序列。實驗得到的紅外熱圖序列如圖2所示。

圖2 鈦合金刀具試樣的紅外熱像序列圖Fig.2 Time-ordered infrared images of titanium alloy sample

圖2(a)所示為完好超聲刀具的紅外熱圖序列，可見溫度升高的部位是超聲換能器所在的位置。在施加超聲激勵后，超聲換能器在將電能轉化成聲能的同時，會伴有一定的能量損失。損失的能量會轉化成熱能，因而引起換能器表面溫度的升高，在紅外熱像圖中可以明顯地看到。

圖2(b)所示為表面有微裂紋的超聲刀具的紅外熱圖序列，可見超聲換能器所在的位置也有明顯的溫度升高。但隨著超聲激勵加載，僅僅在2 s后，刀具底部靠近刀頭的部位開始出現異常發熱，且隨著超聲加載時間的增加，異常發熱現象更加明顯，說明此處存在缺陷。由于缺陷處的熱量集中，溫度開始升高，在超聲激勵加載之后熱量逐漸向周圍擴散，直至達到熱平衡狀態為止。

將在實驗中有異常發熱現象的鈦合金超聲刀具樣件進行標記，在200倍的顯微鏡下觀察其異常發熱部位，發現異常發熱處存在著微裂紋，裂紋開口寬度約為10 m，如圖3所示。

圖3 鈦合金刀具試樣的自然光圖像、紅外熱像圖及缺陷處的200倍的顯微圖像Fig.3 Image under natural light，infrared image，and image under microscope(×200)of TC4 sample

4 溫度場的有限元分析

對含有缺陷的三維物體，其瞬態溫度場T(x，y，z，t)在直角坐標系中應滿足熱擴散方程［11］:

式中ρ為材料密度;c為材料比熱容;kx，ky，kz分別為材料的熱導率k沿x，y，z方向的分量;Q=Q(x，y，z)為物體內部的體熱源密度;t為時間。

假設物體初始溫度均勻，且為環境溫度T0，即T|t=0=T0(x，y，z)。考慮空氣對流對物體溫度場的影響，其對流傳熱邊界條件可表示為［12］

式中nx，ny，nz為邊界外法線的方向余弦;h為對流系數;T0為外界環境溫度。

通常，缺陷處的局部溫度升高比較小，熱輻射影響可忽略。

由于樣品和缺陷的形狀往往是不規則的，對以上問題求其解析解很困難，所以采用有限元方法進行數值計算。為了使分析結果與實驗結果有可比性，按照刀頭的實物結構建立有限元模型。首先建立實物的幾何模型，在刀具的表面模擬一條寬度為10 μm，長度為3 mm的裂紋，如圖4(a)所示。將鈦合金刀具簡化為一個二維模型，然后劃分有限元網格，如圖4(b)所示。由于微缺陷尺寸很小，所以缺陷區域附近的網格要劃分得特別細密，如圖4中白色區域所示，這樣才能得到較精確的解。

建立鈦合金刀具的幾何模型后，根據初始條件為每一個節點施加初始溫度20℃;邊界上與空氣接觸的節點施加自由對流邊界條件，其對流系數h為3.0 W/(m2·K);加載的熱流密度為1×105W/(m2·K)，對裂紋區域加載持續時間為20 s。由于裂紋尺寸與刀具的尺寸相比很小，裂紋可以看作一個點源。計算所用到的鈦合金刀具的相關參數:k=7 W/(m·K)，c=678 J/(kg·K)，ρ=4 450 kg/m3。

圖4 鈦合金刀具試樣的實體模型及有限元模型Fig.4 Solid model and FE model of TC4 sample

加載后計算鈦合金刀具在超聲激發開始后溫度分布圖，截取了超聲激勵1 s后的溫度云圖、超聲激勵5 s后的溫度云圖和超聲激勵10 s后的溫度云圖，如圖5所示。從圖5可看出，隨著超聲激勵時間的增長，裂紋處的發熱越來越明顯，且溫度升高很快。隨著時間的推移，裂紋處的熱量開始向周圍擴散。如果超聲激勵持續下去，由于熱量向周圍擴散的緣故，裂紋處變得不夠清晰。此結果與實驗中的現象完全一致。

利用有限元分析軟件還得到了裂紋中心溫度數據，其變化曲線如圖6所示，可見裂紋中心溫度隨著超聲加載時間的增加而升高，這與在實驗中觀察到的現象一致。

圖5 鈦合金刀具的溫度場分布云圖Fig.5 Temperature distribution of TC4 sample

圖6 缺陷中心溫度升高的有限元仿真曲線Fig.6 Graph of theoretically-computed temperature change in the center of the defected area

為定量分析超聲作用下缺陷中心溫度升高隨時間的進展情況，利用紅外熱像儀記錄每幀紅外圖像的最高溫度點及其數值，并與有限元計算結果進行比對(表1)。由表1可見，計算數據與實驗數據基本吻合，但數值略微偏高。分析其原因如下:(1)超聲刀具的刀頭雖然很薄，但仍有一定的厚度，若缺陷并非完全的表面缺陷，有一部分延伸至亞表面或內部時，表面溫度會比缺陷中心溫度低;(2)在有限元分析中，在考慮邊界條件時，未考慮到刀具表面與空氣的熱交換效應;未考慮超聲換能器，將它做為理想熱源會引起誤差。

表1 有限元模擬數據與實驗數據Table 1 FE simulation data and experiment data

5 結論

(1)超聲紅外熱像檢測技術針對鈦合金中微缺陷的定性檢測是有效的，利用超聲紅外熱像技術，可快速有效地檢測出鈦合金試件中的微裂紋。

(2)超聲波加載后會導致微缺陷處異常升溫，此升溫過程是一個平穩的物理過程。高能量超聲脈沖在試件內傳播的過程中，加載的高能量超聲波沒有導致試件損傷或缺陷進一步擴展，因此超聲紅外熱像檢測是無損檢測過程。

(3)有限元的數值模擬與實驗結果吻合得較好，說明本文建立的數學模型是正確、有效的。因此利用有限元方法進行微缺陷瞬態溫度場的數值計算，可對微缺陷的定量計算提供有價值的參考數據。

(4)在下一步的工作中，為了能夠準確進行缺陷的定量計算，應該對現在有限元模型進行改進，如在有限元分析中，將超聲換能器的模型加入，會提高有限元分析的精度。

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Sonic infrared nondestructive evaluation of microcracks in titanium alloy

DUN Yi1，2，ZHOU Zhao-ying1，WU Ling1，WANG Shuan-jie2
(1.State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments，Tsinghua University，Beijing 100084，China;2.Mechanical Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

Based on the mechanism of sonic IR imaging and finite-element computation，a finite element model(FEM)of 2D heat conduction was established and used to compute the temperature variety process on the surface of samples excited by ultrasound in the defects.An experiment setup was established to test of microcracks in the samples made of titanium alloy.The results show that sonic IR imaging technique is convenient and effective in qualitative detection of the microcracks in titanium alloy.Result of the computation results fit well with the experiment，which indicates that the FEM is correct.The significance of this study lies in the fact that it is methodologically innovative and empirically valuable for providing a reference for nondestructive evaluation of microcracks in titanium alloy.

sonic IR imaging;ultrasonic NDT;titanium alloy;microcrack;finite element

TN219

A

1006-2793(2012)04-0555-04

2011-04-19;

2012-01-11。

國家自然科學基金項目(50805145)。

敦怡(1973—)，女，博士，研究方向為超聲無損檢測。E-mail:dnyee@126.com

(編輯:呂耀輝)