CN104820020B - 一种SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法，属于复合材料制备与检测技术领域。所述SiC纤维增强Ti基复合材料环件具有夹心结构，由复合材料环芯和四周Ti合金外包套组成。本发明采用水浸聚焦超声检测法，首先通过测量辅助计算的方式获得超声波在复合材料环芯和Ti合金外包套的准确声速，再利用上述声速测量环件表面至芯部距离和环件芯部轮廓尺寸，实现了对环件芯部的准确定位。该方法对提高SiC纤维增强Ti基复合材料环件加工质量和保障其安全服役具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制备与检测技术领域，具体的说是一种新型航空发动机用SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法。
背景技术
SiC纤维增强Ti基复合材料(SiCf/Ti composites,TMCs)环形件日益成为未来高推比航空发动机的关键部件，其良好的高温比强度、比刚度、抗蠕变、抗疲劳性能使其能够满足相比于传统钛合金盘锻件更高温度、更大载荷的工作条件。受TMCs制备工艺、加工工艺和发动机设计等因素影响，SiC纤维增强Ti基复合材料环件为夹心结构，包括矩形截面的TMCs芯部及其周围的Ti合金外包套。TMCs芯部作为主要承载体对整个环件起增强作用，Ti合金外包套一方面保护TMCs中的大量SiC-Ti界面免受残余应力影响而开裂，另一方面也使环形件具备了可加工、可组装的性能。然而，发动机中高速旋转的工作状态要求SiC纤维增强Ti基复合材料环件具有优异的动平衡性，因此，环件加工前的TMCs芯部定位对于加工过程中的质量控制以及服役过程中的安全保证都显得尤为重要。
目前，对SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部进行定位的主要方法是同工艺解剖件直接测量法，但解剖件与待检件存在个体差异，因此定位结果仍存在0.1mm量级的偏差，另外，由于SiC纤维增强Ti基复合材料环件造价昂贵，因此解剖件直接测量法成本非常高。
传统的无损检测手段，例如X射线法、工业CT法对SiC纤维增强Ti基复合材料环件进行成像，可以区分TMCs芯部和周围的Ti合金外包套，然而两者的边界模糊，图像分辨率不足造成定位结果偏差达到1mm量级，对于控制环件加工质量意义甚微。超声检测手段多用于对单一物质构造的工件进行测距和探伤，而对于具有夹芯结构的多物质复合结构，特别是SiC纤维增强Ti基复合材料环件，尚未出现一种芯部准确定位的检测方法。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法，该超声定位方法能够提高发动机中SiC纤维增强Ti基复合材料环件的动平衡性，保证其加工质量和安全服役。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法，所述SiC纤维增强Ti基复合材料环件由复合材料环芯和四周Ti合金外包套组成；所述超声定位方法是采用水浸超声检测系统对SiC纤维增强Ti基复合材料环件的表面至芯部距离和环件芯部轮廓尺寸进行测量；测量过程中，采用水浸聚焦探头，探头频率介于5～30MHz；通过Ti合金测速样块测量声速，所述Ti合金测速样块材质及制造工艺与Ti合金外包套一致；Ti合金测速样块形状为长方体，用于测速的厚度与环件总厚度接近，偏差介于±20％。其中：所述环件的表面至芯部距离是指：环件上表面到环芯上表面的距离、环件下表面到环芯下表面的距离、环件外表面到环芯外表面的距离以及环件内表面到环芯内表面的距离；所述环件芯部轮廓尺寸是指：环芯沿环件轴向的长度和环芯沿环件径向的长度。
本发明超声定位方法具体包括如下步骤：
1)测量超声波在Ti合金测速样块中的声速V1，
2)将检测系统声速值设为V1，分别测量含环芯在内的环件总厚度S0、环件上表面到环芯上表面的距离S1、环件下表面到环芯下表面的距离S2、环件外表面到环芯外表面的距离和环件内表面到环芯内表面的距离；
3)依据公式(1)计算超声波在环件芯部的声速V2，公式(1)中S是环件的真实厚度；
4)将检测系统声速值设为V2，分别测量环芯沿环件轴向的长度和环芯沿环件径向的长度。
上述步骤2)中，测量环件上表面到环芯上表面的距离S1、环件下表面到环芯下表面的距离S2、环件外表面到环芯外表面的距离、环件内表面到环芯内表面的距离时，均采用在声速V1条件下并沿探头扫描方向测量相应的表面波与第一个芯部-外包套界面波距离的方式获得。
上述步骤4)中，测量环芯沿环件轴向的长度和环芯沿环件径向的长度时，均采用在声速V2条件下并沿探头扫描方向测量第一个芯部-外包套界面波与第二个芯部-外包套界面波距离的方式获得。
本发明具有如下优点：
采用本发明一种SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部定位方法解决了目前通过常规无损检测方法尚未实现准确定位复合材料芯部的难题，定位准确程度达到了0.1mm量级，该方法相比较于解剖件直接测量法，节约了大量制造成本。对于提高SiC纤维增强Ti基复合材料环件的加工过程质量以及保证其安全服役具有重要意义。
附图说明
图1为典型的SiC纤维增强Ti基复合材料环件剖面结构示意图；
图1中：1-复合材料环芯，2-Ti合金外包套，3-环芯上表面，4-环芯下表面、5-环芯外表面，6-环芯内表面，7-环件上表面，8-环件下表面，9-环件外表面，10-环件内表面。
图2为本发明中测量环件各表面到复合材料环芯各表面距离时探头发射超声波方位示意图；
图2中：11-测量环件上表面到环芯上表面距离时探头方位，12-测量环件下表面到环芯下表面距离时探头方位，13-测量环件外表面到环芯外表面距离时探头方位，14-测量环件内表面到环芯内表面距离时探头方位。
具体实施方式
本发明为SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法，所述SiC纤维增强Ti基复合材料环件由复合材料环芯1和四周Ti合金外包套2组成，其剖面结构示意图如图1所示；所述超声定位方法是采用水浸超声检测系统对SiC纤维增强Ti基复合材料环件的表面至芯部距离和环件芯部轮廓尺寸进行测量；测量过程中，采用水浸聚焦探头，探头频率介于5～30MHz；通过Ti合金测速样块测量声速，所述Ti合金测速样块材质及制造工艺与Ti合金外包套(2)一致，Ti合金测速样块形状为长方体，Ti合金测速样块用于测速的厚度与环件总厚度接近，偏差介于±20％。所述用于测速的厚度是在垂直于超声波入射方向上测速样块的厚度。
指测速样块
实施例1
本实施例采用SiCf/TC4复合材料环件为检测对象，它由复合材料环芯和四周Ti合金外包套组成夹心结构，内部结构各主要尺寸见表1，环芯(芯部)与Ti合金外包套界面为扩散焊连接，焊缝结合良好，无开裂。如图1所示，在水浸超声系统中，该环件由上到下(或由外到内)存在4个界面，依次是表面(环件上表面7或环件外表面9)、环芯-外包套界面(环芯上表面3或环芯外表面5)、环芯-外包套界面(环芯下表面4或环芯内表面6)、表面(环件下表面8或环件内表面10)，因此水浸超声检A扫描图中存在4个较强的回波，依次对应于上述4个界面的是第一个表面波、第一个环芯-外包套界面波、第二个环芯-外包套界面波、第二个表面波。通过测量这4个波峰中临近2个波峰的间距，即能够实现对环芯的准确定位。
TC4合金测速样块是为准确测定SiCf/TC4复合材料环件中TC4合金外包套的声速而专门制作的试块，该样块除了表面平整光滑、内部无缺陷外，更重要的是样块的材质、制造工艺与TC4合金外包套完全一致，垂直于超声波入射方向用于测速的厚度与环件总厚度一致，为24.9mm，可以有效保证声速测量的准确性。
为了提高SiCf/TC4复合材料环件芯部定位精度，本实施例中采用以色列SCANMASTER公司的LS200型水浸超声检测系统，该系统扫描移动精度高，可在WINDOWS操作系统下实现全数字化软件程序控制检测。检测方式包括A扫描、B扫描和C扫描，通过计算机显示的超声A扫描图像，可以精确的测量环件的4个较强回波的间距。
聚焦探头相对于非聚焦探头具有更好的信噪比和分辨力，故本实施例选择聚焦探头进行检测。探头频率的提高可以提升检测的分辨力，然而又会使穿透力降低，因此，探头频率的选择应该做到分辨力和穿透力的最佳组合。考虑到本实施例中超声波需要穿透SiCf/TC4复合材料环件的厚度介于20mm～30mm，故探头频率选择是10MHz，标称焦距是76.2mm。
环件表面至芯部距离和环件芯部轮廓尺寸是SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法所要检测的目标项目，具体包括：环件上表面7到环芯上表面3的距离、环件下表面8到环芯下表面4的距离、环件外表面9到环芯外表面5的距离、环件内表面10到环芯内表面6的距离、环芯沿环件轴向的长度、环芯沿环件径向的长度。
上述检测试验准备完成后，开始对SiCf/TC4复合材料环件环芯进行超声定位的具体检测：
1)对TC4合金测速样块沿厚度为24.90mm的方向进行A扫描测试，调整图像中表面波到底波的距离直至显示为24.90mm，记录此时的声速6.10mm/μs，即为超声波在该环件TC4合金包套中的声速V1。
2)将检测系统声速值设为6.10mm/μs，对SiCf/TC4复合材料环件的夹心结构沿厚度方向由上向下进行A扫描测试，记录此时第一个表面波到第二个表面波的距离为22.51mm，第一个表面波到第一个环芯-外包套界面波的距离为4.29mm；由于设备转台空间所限，检测系统不能完成对SiCf/TC4复合材料环件的夹心结构沿厚度方向由下向上进行A扫描测试，故取出环件，上、下倒置装入检测系统，再由上向下进行A扫面(即由环件下表面向环件上表面方向扫描)，记录此时第一个表面波到第一个环芯-外包套界面波的距离为4.34mm；调整探头方位，对SiCf/TC4复合材料环件的夹心结构沿径向由外向内进行A扫描测试，记录此时第一个表面波到第一个环芯-外包套界面波的距离为9.96mm；再次调整探头方位，对SiCf/TC4复合材料环件的夹心结构沿径向由内向外进行A扫描测试，记录此时第一个表面波到第一个环芯-外包套界面波的距离为9.93mm；测量时探头方位示意图如图2所示。
3)步骤2)中利用6.10mm/μs声速对环件厚度进行检测的结果，相比于环件真实厚度减小了，产生这个差异的原因是超声波经过复合材料芯部时的声速变化所致。声速是物质的固有属性，一旦零件的结构确定，那么超声波通过其总厚度的时间便是定值，意味着如果改变检测系统的声速设定值，则两个回波的间距将随之线性变化。于是可以得出如下公式：其中本实施例中的V1、S、S0、S1、S2已由步骤1)和2)测量完成，结果依次为6.1mm/μs、24.9mm、22.51mm、4.29mm、4.34mm，由此计算出超声波在环件芯部的声速V2为7.15mm/μs。
4)将检测系统声速值设为7.15mm/μs，对SiCf/TC4复合材料环件的夹心结构沿厚度方向由上向下进行A扫描测试，记录此时第一个环芯-外包套界面波到第二个环芯-外包套界面波的距离为16.36mm；调整探头方位，对SiCf/TC4复合材料环件的夹心结构沿径向由外向内进行A扫描测试，记录此时第一个环芯-外包套界面波到第二个环芯-外包套界面波的距离为9.38mm。
将环芯水浸超声定位法测量的各距离与真实值进行对比，如表1所示：
| 检测项目 | 实际值/mm | 测量值/mm | 偏差/mm |
| 环件上表面到环芯上表面的距离 | 4.20 | 4.29 | 0.09 |
| 环件下表面到环芯下表面的距离 | 4.20 | 4.34 | 0.14 |
| 环件外表面到环芯外表面的距离 | 10.00 | 9.96 | -0.04 |
| 环件内表面到环芯内表面的距离 | 10.00 | 9.93 | -0.07 |
| 环芯沿环件轴向的长度 | 16.50 | 16.36 | -0.14 |
| 环芯沿环件径向的长度 | 9.35 | 9.38 | 0.03 |
可见，采用本发明方法对实施例中的SiCf/TC4复合材料环件的环芯进行定位检测，各检测项目的测量结果与实际值接近，偏差在0.1mm量级。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的申请范围。
Claims (5)
1.一种SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法，其特征在于：所述SiC纤维增强Ti基复合材料环件由复合材料环芯(1)和四周Ti合金外包套(2)组成；所述超声定位方法是采用水浸超声检测系统对SiC纤维增强Ti基复合材料环件的表面至芯部距离和环件芯部轮廓尺寸进行测量；测量过程中，采用水浸聚焦探头，探头频率介于5～30MHz；通过Ti合金测速样块测量声速，所述Ti合金测速样块材质及制造工艺与Ti合金外包套(2)一致；所述超声定位方法具体包括如下步骤：
1)测量超声波在Ti合金测速样块中的声速V1；
2)将检测系统声速值设为V1，分别测量含环芯(1)在内的环件总厚度S0、环件上表面(7)到环芯上表面(3)的距离S1、环件下表面(8)到环芯下表面(4)的距离S2、环件外表面(9)到环芯外表面(5)的距离和环件内表面(10)到环芯内表面(6)的距离；
3)依据公式(1)计算超声波在环芯(1)的声速V2，公式(1)中S是环件的真实厚度；
4)将检测系统声速值设为V2，分别测量环芯(1)沿环件轴向的长度和环芯(1)沿环件径向的长度。
2.根据权利要求1所述的SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法，其特征在于：所述Ti合金测速样块形状为长方体，Ti合金测速样块用于测速的厚度与环件总厚度的偏差小于20％。
3.根据权利要求1所述的SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法，其特征在于：所述环件的表面至芯部距离是指：环件上表面到环芯上表面的距离、环件下表面到环芯下表面的距离、环件外表面到环芯外表面的距离以及环件内表面到环芯内表面的距离；所述环件芯部轮廓尺寸是指：环芯沿环件轴向的长度和环芯沿环件径向的长度。
4.权利要求1所述的SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法，其特征在于：步骤2)中，测量环件上表面(7)到环芯上表面(3)的距离S1、环件下表面(8)到环芯下表面(4)的距离S2、环件外表面(9)到环芯外表面(5)的距离、环件内表面(10)到环芯内表面(6)的距离，均采用在声速V1条件下并沿探头扫描方向测量相应的表面波与第一个芯部-外包套界面波距离的方式获得。
5.根据权利要求1所述的SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法，其特征在于：步骤4)中，测量环芯(1)沿环件轴向的长度和环芯(1)沿环件径向的长度时，均采用在声速V2条件下并沿探头扫描方向测量第一个芯部-外包套界面波与第二个芯部-外包套界面波距离的方式获得。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |