CN110196126A - 一种高温合金盘锻件的宏观残余应力的中子衍射测量方法 - Google Patents

一种高温合金盘锻件的宏观残余应力的中子衍射测量方法 Download PDF

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Abstract

一种镍基高温合金盘锻件的宏观残余应力的中子衍射测量方法，所述方法包括，步骤一：确定中子衍射测量参数；步骤二：从所述盘锻件的残余应力集中处切割试样，将所述试样进行退火热处理；步骤三：将经过所述步骤二退火热处理的试样，在所述步骤一中设定的中子衍射测量参数下，测量经过所述步骤二退火热处理的试样的晶格间距；步骤四：将所述盘锻件在所述步骤一中设定的中子衍射测量参数下，测量所述盘锻件的晶格间距，得到所述盘锻件的宏观残余应力。

Description

一种高温合金盘锻件的宏观残余应力的中子衍射测量方法
技术领域
本发明属于工程材料技术领域，尤其涉及一种中子衍射测量工件残余应力的方法。
背景技术
镍基高温合金，例如IN718(国内对应牌号GH4169)是含铌、钼的沉淀强化型镍基高温合金，具有高强度、良好的疲劳性能和高温蠕变及抗氧化性能。现代航空发动机的许多零件都采用IN718制成，例如压气机盘、涡轮盘、叶片、机匣、定子、封严、支撑件、管路、紧固件等。在国外现役先进航空发动机中，IN718占高温合金总用量的30～50％。IN718高温合金构件在制造加工过程中不仅有锻造、热处理等热加工还有机械加工、表面处理等冷加工，这些加工过程导致材料内部的温度分布不均匀及变形不均匀，引入残余应力，降低构件的疲劳性能，甚至会导致零件的变形，影响航空发动机的安全性、可靠性、耐久性和使用寿命。因此，在航空发动机盘类零件的研制生产过程中，应对其残余应力检测的精确性提出要求。上述镍基高温合金盘锻件的残余应力，其是存在于整个体积或较大尺寸范围内保持平衡的应力，因此为第一类内应力，即宏观残余应力。
中子衍射法检测残余应力的方法是一种无损测试方法。与X射线、同步辐射相比，中子具有更强的穿透能力，可测定材料内宏观应力、特殊相应力及晶粒间的应力。使用中子衍射装置测量残余应力始于上世纪80年代，与X射线相比，中子的穿透能力要强数个量级，可延伸至结构部件内几个厘米的深处去获取残余应变信息，且原则上中子的穿透本领能够允许自由地选择材料内部应变的测量方向。中子衍射测量残余应力技术已被证明是产品设计和开发、加工过程优化、失效评估的有力工具。
中子衍射测量方法利用的中子由裂变产生，利用Si单晶单色器从多色中子束中选出特定波长的中子，中子束波长范围为0.089nm-0.282nm。
中子衍射的测量原理如下：
当晶体材料受到与其晶面间距相近波长的射线照射时，射线将被衍射从而形成特定的布拉格峰，衍射线产生的角度由布拉格衍射定律给出：
2dhklsinθhkl＝λ (1)
式中，λ为射线波长，dhkl为产生的布拉格峰的(hkl)晶面间距，θ为布拉格角。当样品受到已知波长的单色平行中子束照射时，它的晶格间距dhkl可根据布拉格定律公式(1)得到。
样品无应变时，晶格间距对应于材料的无应变(或无应力)值，定义为d0,hkl。
当样品存在残余应力时，晶格间距改变，并且每一个布拉格峰都将偏移。根据衍射峰角度的值，弹性应变εhkl可表示为：
中子衍射可以测量晶体一定体积内的弹性应变，如果相关弹性常数已知，便可以计算相应体积内的平均应力。完全确定应变张量需要测量至少六个独立方向的弹性应变，如果主应变方向已知，沿三个方向的量就足够了。
某点的正应力可沿该点正交坐标轴x，y和z方向测量的应变计算，此时，应力可表示为：
其中，υhkl为与(hkl)衍射晶面相关的泊松比，Ehkl与(hkl)衍射晶面相关的弹性模量，σ为应力，ε为应变；当主坐标与主变形方向一致时，这些正应力就是主应力。
从上述公式(2)可知，样品无应变时，定义为d0,hkl的晶格间距对应于材料的无应变(或无应力)值，是中子衍射测量残余应力的重要参数。
现有技术中，确定d0,hkl的方法如中华人民共和国国家标准GB/T 26140-2010/ISO/TS 20432:2005,IDT“无损检测测量残余应力的中子衍射方法”第14页第6.6节所述，包括：
(1)测量材料内可忽略应力部分；
(2)测量能够代表被测材料的粉末；
(3)测量从大块材料上切下的小条；
(4)通过力平衡和力矩平衡计算；
(5)通过保证垂直于自由表面的应力为零计算。
对于上述方法，由于镍基高温合金盘锻件经过高温锻造工艺，材料的晶粒本身相比与高温合金粉末已发生变化，通过测量材料粉末或进行理论计算的误差很大，且不存在可忽略应力的部分，因此对于高温合金盘锻件确定d0,hkl的方法，上述(1)、(2)、(4)、(5)均不适用，现有技术常采用上述方法(3)。但实践表明，采用上述方法(3)确定高温合金盘锻件的d0,hkl，在高温合金盘锻件试样的不同测量方向，或不同测量位置得到的d0,hkl值之间存在至少20％的误差，极大地影响了宏观残余应力测量的精确性。
因此，本领域需要一种更为精确的镍基高温合金盘锻件的宏观残余应力的中子衍射测量方法。
发明内容
本发明的目的提出一种更为精确的镍基高温合金盘锻件的宏观残余应力的中子衍射测量方法。
根据本发明一方面的一种镍基高温合金盘锻件的宏观残余应力的中子衍射测量方法，所述方法包括：
步骤一：设定中子衍射测量参数；
步骤二：从所述盘锻件的残余应力集中处切割试样，将所述试样进行退火热处理；
步骤三：将经过所述步骤二退火热处理的试样，在所述步骤一中设定的中子衍射测量参数下，测量经过所述步骤二退火热处理的试样的晶格间距；
步骤四：将所述盘锻件在在所述步骤一中设定的中子衍射测量参数下，测量所述盘锻件的晶格间距，得到所述盘锻件的宏观残余应力。
在一个实施例中，所述盘锻件为压气机盘锻件。
在一个实施例中，所述残余应力集中处为压气机盘锻件的腹板，所述试样体积为100-400mm3，所述退火过程包括将所述试样加热至650-750°，将所述试样保温90-120min，随炉冷却。
在一个实施例中，所述试样尺寸为4mm*4mm*20mm，所述退火过程将所述试样加热至700°，保温90min，随炉冷却。
在一个实施例中，在所述步骤一中，所述中子衍射参数包括，中子束波长范围为0.1580-0.1590nm。
在一个实施例中，所述中子束波长为0.1587nm。
在一个实施例中，所述步骤三中，测量经过所述步骤二退火热处理的试样的晶格间距包括测量试样内部的轴向、径向和切向的晶格间距值。
在一个实施例中，所述步骤四中，测量所述盘锻件的晶格间距包括选取盘锻件内部的贯穿盘锻件的腹板中心线的9个测量点，每个测量点进行轴向、径向、切向三个方向的测量。
在一个实施例中，所述步骤三中，测量经过所述步骤二退火热处理的试样的晶格间距还包括测量试样表层的径向和切向的晶格间距值；所述步骤四中，测量所述盘锻件的晶格间距还包括选取盘锻件最外缘表面的2个测量点，每个测量点进行径向和切向两个方向的测量。
在一个实施例中，所述步骤四中，得到所述盘锻件的宏观残余应力包括进行衍射峰本底拟合、本底扣除和峰形Gaussian拟合，并输出衍射峰峰位、峰强等参数，分析得到宏观残余应力值。
本发明的进步效果在于，针对现有技术中中子衍射方法无法得到精确的d0,hkl，影响宏观残余应力测量的精确性的问题，提出采用对盘锻件残余应力集中处切割试样并退火处理的步骤，处理后得到的d0,hkl在不同位置，不同方向的测量之间的偏差很小。另外，中子束波长范围为0.1580-0.1590nm的中子衍射参数设置，此范围的热中子波长下样品的中子注量率较大，中子强度可以既能保证实验过程对盘锻件的穿透深度，而且又能有较好的分辨能力，保障了实验数据的可靠性。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1 IN718压气机盘锻件腹板处内部三维残余应力测量结果图。
图2 IN718压气机盘锻件外缘表层残余应力测量结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
需要注意的是，附图仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
以下是根据本发明一个方面的镍基高温合金盘锻件的宏观残余应力的中子衍射测量方法的实施例，此实施例中，盘锻件为压气机盘锻件。
步骤a.设定中子衍射测量参数
根据中子束注量率和应力谱仪分辨性能，针对压气机盘锻件内部及表层测量的不同深度，分析并确定了中子衍射的测量参数，如表1所示。
选取λ＝0.1580-0.1590nm的波长范围，此范围的热中子波长下样品的中子注量率较大，中子强度可以既能保证实验过程对盘锻件的穿透深度，而且又能有较好的分辨能力，可以保障实验数据的可靠性。优选地，当中子束波长为0.1587nm时，其兼顾穿透深度、数据可靠性最好。
镍基合金为面心立方结构，测量镍基合金(311)晶面，其对晶间应变敏感性弱；(311)晶面的峰位在94.5°附近，既可以满足中子衍射测量残余应力时所要求的接近90°衍射角几何要求，又可以使晶面间距与所选取的中子波长较为匹配。
表1中子衍射测量IN718压气机盘锻件残余应力参数
步骤b.从所述盘锻件的残余应力集中处切割试样，将所述试样进行退火热处理
样品无应变时，晶格间距对应于材料的无应变(或无应力)值，定义为d0。在IN718压气机盘锻件残余应力集中位置，如腹板，切割切取尺寸体积为100-400mm3的试样，之后将试样进行退火处理。退火处理的具体参数包括，在650-750°下保温90-120min，再随炉冷却。优选地，切割取体积为4mm*4mm*20mm的长方体，将试样加热至700°，保温90min，随炉冷却的退火工艺得到的d0偏差最小。
步骤c.将经过所述步骤b退火热处理的试样，在所述步骤a中设定的中子衍射测量参数下，测量经过所述步骤b退火热处理的试样的晶格间距
一般而言，中子衍射对于压气机盘锻件内部的宏观残余应力的测量较为快速且结果准确可靠，因此测量过程一般都需要测量内部的宏观残余应力。选取表1中内部测量参数，对样品进行轴向、径向和切向三个方向的中子衍射试验，每个方向测量四个点，将每个点的衍射峰通过公式2dhklsinθhkl＝λ，转化为该点无应力状态下的晶格间距值，将每个方向四个点的d0取平均值，得到每个方向的d0。
同理，若需要对压气机盘锻件表层进行宏观残余应力测量，则选取表1中表层测量参数，对样品进行径向和切向两个方向的测量，每个方向测量两个点并取平均值。将每个方向两个点的d0取平均值，得到每个方向的d0，试验数据如表2所示。
从表2的数据可知，经过退火处理的试样，不同测量位置，不同测量方向得到的d0，其中最大值与最小值的偏差为0.036％，偏差极小，表明经过退火处理步骤的试样，测量得到d0值极为精确。
表2经过退火处理的试样晶格间距测量结果
步骤d.将所述盘锻件在在所述步骤a中设定的中子衍射测量参数下，测量所述盘锻件的晶格间距，得到所述盘锻件的宏观残余应力
本实施例中，选取IN718压气机盘锻件内部测量的位置为一条贯穿盘锻件的腹板中心线，选取9个测量点，选取表1的内部测量参数，对样品进行轴向、径向和切向三个方向的中子衍射试验。选取贯穿盘锻件的腹板中心线为测量位置，可代表IN718压气机盘锻件残余应力最为集中的部分。测量结束后，进行衍射峰本底拟合、本底扣除和峰形Gaussian拟合，并输出衍射峰峰位、峰强等参数。通过数据分析软件对测量数据进一步分析得到三维残余应力值，结果如图1所示，可以看出，三个方向的残余应力变化趋势一致，且沿中心位置近似对称，且随深度增加压应力逐渐减小，近表面处应力梯度最大。残余应力测量值的变化趋势符合锻造盘件腹板处模锻形状及变形特点。在轴向、径向、切向三个方向的测量，可全面、准确的得到宏观残余应力的分布情况。
若还需要得到压气机盘锻件表层的残余应力分布情况，选取IN718盘锻件的测量位置为盘锻件最外缘表面。只选取2个测量点，根据表1中表层测量参数，对样品进行径向和切向两个方向的中子衍射测量。如此设计，针对表层残余应力测量中，中子衍射测量表层金属的残余应力衍射尺寸小、时间长，有些测量位置中子穿透深度大而没有测试信号，且受束流时间影响的特点，提高了测试的效率。测量结束后进行衍射峰本底拟合、本底扣除和峰形Gaussian拟合，并输出衍射峰峰位、峰强等参数。通过数据分析软件对测量数据进一步分析得到残余应力值，结果如图2所示。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生，例如，由于表层残余应力测量耗时长，有些测量位置中子穿透深度大而没有测试信号，因此从测试的成本与效率考虑，在一些情况下，可以省略上述步骤中关于测量位置为表层的衍射参数设定、试样晶格间距测量以及盘锻件晶格间距测量，再例如，可先进行步骤c，之后进行步骤b等等。
综上所述，针对现有技术中子衍射方法测量镍基高温合金盘锻件宏观残余应力时，对d0,hkl值的确定，不同测量位置、不同测量方向的偏差较大，极大地影响了宏观残余应力测量的精确性的问题，上述方法提出采用对盘锻件残余应力集中处切割试样并退火处理的步骤，处理后得到的d0,hkl在不同位置，不同方向的测量之间的偏差很小。另外，中子束波长范围为0.1580-0.1590nm的中子衍射参数设置，此范围的热中子波长下样品的中子注量率较大，中子强度可以既能保证实验过程对盘锻件的穿透深度，而且又能有较好的分辨能力，保障了实验数据的可靠性。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镍基高温合金盘锻件的宏观残余应力的中子衍射测量方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：确定中子衍射测量参数；
步骤二：从所述盘锻件的残余应力集中处切割试样，将所述试样进行退火热处理；
步骤三：将经过所述步骤二退火热处理的试样，在所述步骤一中设定的中子衍射测量参数下，测量经过所述步骤二退火热处理的试样的晶格间距；
步骤四：将所述盘锻件在在所述步骤一中设定的中子衍射测量参数下，测量所述盘锻件的晶格间距，得到所述盘锻件的宏观残余应力。
2.如权利要求1所述的中子衍射测量方法，其特征在于，所述盘锻件为压气机盘锻件。
3.如权利要求2所述的中子衍射测量方法，其特征在于，所述残余应力集中处为压气机盘锻件的腹板，所述试样体积为100-400mm3，所述退火过程包括将所述试样加热至650-750°，将所述试样保温90-120min，随炉冷却。
4.如权利要求3所述的中子衍射测量方法，其特征在于，所述试样尺寸为4mm*4mm*20mm，所述退火过程将所述试样加热至700°，保温90min，随炉冷却。
5.如权利要求2所述的中子衍射测量方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述中子衍射参数包括，中子束波长范围为0.1580-0.1590nm。
6.如权利要求5所述的中子衍射测量方法，其特征在于，所述中子束波长为0.1587nm。
7.如权利要求2所述的中子衍射测量方法，其特征在于，所述步骤三中，测量经过所述步骤二退火热处理的试样的晶格间距包括测量试样内部的轴向、径向和切向的晶格间距值。
8.如权利要求7所述的中子衍射测量方法，其特征在于，所述步骤四中，测量所述盘锻件的晶格间距包括选取盘锻件内部的贯穿盘锻件的腹板中心线的9个测量点，每个测量点进行轴向、径向、切向三个方向的测量。
9.如权利要求8所述的中子衍射测量方法，其特征在于，所述步骤三中，测量经过所述步骤二退火热处理的试样的晶格间距还包括测量试样表层的径向和切向的晶格间距值；所述步骤四中，测量所述盘锻件的晶格间距还包括选取盘锻件最外缘表面的2个测量点，每个测量点进行径向和切向两个方向的测量。
10.如权利要求1所述的中子衍射测量方法，其特征在于，所述步骤四中，得到所述盘锻件的宏观残余应力包括进行衍射峰本底拟合、本底扣除和峰形Gaussian拟合，并输出衍射峰峰位、峰强等参数，分析得到宏观残余应力值。
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