钛合金结构疲劳损伤监测实验研究

， ， ， ，

(空军工程大学 航空航天工程学院,陕西 西安 710038)

0 引 言

钛合金因具有比强高、耐蚀性好、耐热性高，机械性能好等特点而被广泛应用于各个领域。在飞机使用过程中，金属材料的承力结构发生故障的主要形式为疲劳断裂，严重威胁飞行安全，因此,对飞机金属结构进行实时在线疲劳损伤状态监测十分重要。理想的结构健康监控系统能够在结构安全隐患发生的初期，准确将其发现并能够定位和确定隐患的程度，进而提供结构的安全性评估，预测结构损伤的剩余寿命，并对结构安全状态进行主动控制。

电涡流检测可用于大多数导电材料的损伤检测、适用范围广、易于同结构集成、信号处理简单，可以实现于被测材料不接触等优点，相关的研究和应用越来越广泛。损伤监测是在无损监测基础上，对损伤实时在线地监测，相比无损检测，损伤监测具有实时性、定量化的特点[1～3]。

为研究不同钛合金宽度裂纹对输出信号的影响规律，本文制备了不同裂纹宽度的TC4钛合金试件，通过搭建的监测系统，开展了钛合金裂纹扩展模拟监测实验研究。实验结果表明：随着裂纹宽度的增加，输出信号幅值比增大，两者呈正相关，通过检测输出信号，可以判断是否出现裂纹，并且可以估计裂纹的宽度。模拟监测实验研究表明:传感器能够准确地识别和定量监测裂纹，精度达到1 mm。

1 电涡流监测的基本原理

根据法拉第电磁感应定律，电涡流传感器中的线圈中通过高频交变的电流时，线圈周围会产生交变磁场，它会引起被测导体中产生感应电涡流，感应电涡流包含被测导体的损伤信息，又会反过来影响线圈的有效阻抗，通过分析线圈的有效阻抗可以定量推出其损伤信息，这就是电涡流检测的基本原理[4～6],如图1。

图1 电涡流检测基本原理

如果有一块电导率为σ、磁导率为μ、厚度为t、温度为T的金属板，距离金属板上方x处有一个半径为r的线圈。当线圈中通以正弦交变电流I时，线圈的周围就产生了正弦交变磁场H。此时，置于此磁场中的金属板中产生感应电动势，形成电涡流。涡流的大小、相位及流动形式受到金属板导电性能的影响，而涡流的反作用磁场又使线圈的阻抗Z发生变化，即

Z=F(σ,μ,r,x,t,I,ω).

如果只改变裂纹信息，其他参数保持不变，这样阻抗就成为裂纹信息的单值函数。通过测定线圈阻抗的变化，根据相应的算法，就可以得出裂纹的信息。电涡流检测出被测材料的损伤后，确定其位置，分析损伤程度，进而对被测材料的安全性评估，在保证安全的条件下，最大程度发挥材料的使用潜力。

2 涡流阵列传感器

涡流阵列传感器简化物理模型如图2所示。涡流阵列传感器由共面的单匝激励线圈和感应线圈构成。图中共有4个感应通道，从左到右依次为1,2,3,4通道，激励线圈周期性延伸，感应线圈位于感应线圈的2条导线之间[7]。

传感器工作时，激励电流在矩形区域1,2,3,4内产生激励场，区域1,2,3,4内所包含的感应线圈产生感生电压，而位于相应区域下方的结构损伤可通过涡流影响相应通道的感生电压，则感生电压的变化可以判断裂纹损伤的当前位置，即涡流传感器通过类似一种分段监测的机制来实现对结构裂纹损伤的定量监测。

在交变载荷作用下，应力集中部位出现疲劳源，进而发生裂纹的萌生和扩展。当裂纹扩展到通道1对应的位置时，通道1内的感应磁场发生改变，通道1的输出信号也相应发生变化。当裂纹扩展到通道2所对应的位置时，通道2的输出信号也相应发生变化。依次类推，随着裂纹扩展，传感器各个通道的输出信号依次发生变化，通过记录传感器各个感应通道输出信号的变化就实现了对裂纹扩展过程的监测。

3 钛合金疲劳裂纹扩展监测模拟实验

选用TC4钛合金板材试验件作为研究对象，裂纹标准试件长200 mm,宽50 mm,厚4 mm，表面抛光处理。试件中心钻直径6 mm的圆孔，选用直径0.1 mm的钼丝进行线切割，切割出长度为20 mm,宽度分别为0.2,0.3,0.4,0.5 mm的模拟裂纹。

为实现对TC4钛合金不同宽度裂纹扩展的模拟监测，搭建监测系统，完成信号发生、传输、采集、特征提取的全过程。裂纹监测系统主要由涡流传感器、激励信号源、功率放大器、信号采集系统与信号处理五大部分构成，其结构示意图如图3所示。整个系统可以实现信号产生、放大、传输、采集、处理及裂纹损伤判定[8]。图4为传感器裂纹监测实验探头细节。

图3 裂纹监测系统结构示意图

图4 传感器裂纹监测实验探头细节

3.1 TC4钛合金基准信号的测定

将四感应通道涡流阵列传感器贴附在TC4钛合金板材表面，输入激励信号的频率为3 MHz的正弦波。选取传感器各感应线圈的输出电压信号与激励信号电压的幅值比作为传感器的特征量，作为传感器的输出信号。各通道输出信号采样数据如图5所示。

图5 各通道输出信号采样数据(无裂纹)

从图5中看出:传感器的输出信号幅值比平稳，传感器各个通道工作状态正常，传感器在TC4钛合金表面工作时能够保持高可靠性和稳定性。

3.2 在不同宽度裂纹下TC4钛合金输出信号的测定

将传感器贴附在多功能试验台的探头上。通过调节探头的位置，使探头和裂纹标准试件紧密接触，并将传感器置于裂纹上方，在不同宽度裂纹的条件下，观察并记录输出信号。采集输出信号幅值比，每组采样100次，通过最小二乘法拟合得到相应宽度裂纹下的输出信号幅值比，各通道输出信号如图6所示。

图6 不同宽度下各通道输出信号对比

图7为在不同裂纹宽度下，传感器输出信号幅值比的变化率。以第一通道为例，工作频率为3 MHz条件下，输出信号的基准值为0.277 7，当钛合金板材含有0.2 mm裂纹时，输出信号为0.285 6，变化率为2.84 %；当钛合金板材含有0.3 mm裂纹时，输出信号为0.286 6，变化率为3.22 %；当钛合金板材含有0.4 mm裂纹时，输出信号为0.288 2，变化率为3.79 %；当钛合金板材含有0.5 mm裂纹时，输出信号为0.290 3，变化率为4.54 %。

图7 输出信号变化率

另外3个通道变化规律与第一通道相同。由此可见，当出现裂纹后，各通道的输出信号与无裂纹的基准信号有较大的变化，即传感器对裂纹有较好的检测能力，并且随着裂纹宽度的增加，输出信号幅值比增大。

3.3 TC4钛合金裂纹监测模拟实验

将试件固定在多功能试验台面板上，传感器贴附在电动位移台的探头上，通过位移台的精准移动，带动探头在试件表面移动模拟裂纹的扩展过程。首先将传感器贴附在试件不含裂纹的地方，通过位移台移动，逐步使传感器4个通道依次通过含裂纹的区域，观察并记录输出信号，输出信号如图8所示。

图8 不同裂纹下各通道幅值比变化曲线

试件固定不动，通过传感器的缓慢移动进入裂纹来模拟裂纹扩展，传感器各个通道在进入裂纹前和完全进入裂纹之后，输出信号比较稳定。传感器各个通道的输出信号幅值比都有一个明显的上升过程，表明传感器正在进入含裂纹区域。随着输出信号的稳定，可知传感器已完全进入裂纹区域。裂纹宽度越大，相应的输出信号就越大。这是由于随着试件模拟裂纹宽度的增加，试件中形成的感应磁场相对减弱，对激励磁场的削弱作用减小，使得感应线圈输出信号幅值比相对增大。

由各通道的输出信号可以定量识别裂纹的长度。第一通道输出信号增大，可以得知裂纹已经扩展至第一通道的感应线圈，当第二通道输出信号增大，说明裂纹扩展至第二通道的感应线圈，2个通道感应线圈的间距决定传感器可以定量识别裂纹的精确度，本文所用的传感器可以定量识别1 mm的裂纹。

4 结 论

1)涡流阵列传感器能够较好地识别裂纹，当通道的输出信号幅值比有明显的上升过程时，说明裂纹正在扩展通过该通道的感应线圈，随着输出信号幅值比的稳定，可知裂纹已经完全扩展传感器。传感器感应线圈的阵列化布置实现了对裂纹的定量化监测，监测灵敏度达到了1 mm。

2)当钛合金出现裂纹后，传感器各通道的输出信号与无裂纹的基准信号有较大的变化，当试件裂纹宽度增加时，传感器输出信号幅值比相应增大，与裂纹宽度变化呈正相关。通过传感器输出信号幅值可以定性判断裂纹的宽度。

参考文献:

[1] 袁慎芳.结构健康监控[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2] 范孟豹.脉冲涡流解析模型研究[J].浙江大学学报，2009, 43(9)：1621-1624.

[3] 苗恩铭.电涡流传感器误差修正技术研究[J].中国机械工程，2011,22(21)：2527-2529.

[4] 徐可北.涡流检测[M].北京：机械工程出版社，2007.

[5] 陈 祯.小波分析在渗碳层深度涡流检测信号处理中的应用[D].武汉：武汉理工大学，2003.

[6] Russell Rick，Jablonski David，Washabaugh Andy，et.al.Development of meandering winding agnetometer(MWM)eddy current sensors for the health monitoring,odeling and damage detection of high temperature composite materials[C]∥32nd High Temple Workshop，Palm Springs，USA，2012.

[7] 焦胜博.基于涡流阵列传感器的金属结构裂纹监测方案可行性研究[J].传感器与微系统，2013,32(8):43-46.

[8] 徐晨曦,阙沛文,毛义梅.脉冲涡流检测系统的设计脉冲涡流检测系统的设计[J].传感器与微系统，2009,28(6):95-97.