基于频域衰减系数的Al-Cu-Mg铝合金激光超声评价

徐 值,张泽文,鲁宇杰,郑 磊,廖文超,殷安民,仝 飞,束学道,徐海洁,左锦荣,陈 凯,李 博

(1.宁波大学机械工程与力学学院,浙江 宁波 315211;2.浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室,浙江 宁波 315211;3.宁波科诺精工科技有限公司,浙江 宁波 315031)

1 引 言

目前工业上常用的微观组织检测方法是金相法,这种检测方法的检测结果比较准确,但是需要对试样进行抛光和腐蚀等处理,属事后破坏性检测方法。研究表明,超声、X射线等无损检测技术具有表征材料机械性能和微观组织的良好潜力[1]。例如,Fawad Tariq等人[2]利用涡流和超声无损检测技术对2XXX系铝合金对材料性能进行表征,发现超声声速和衰减系数随时效时间的增加而增加。苑博[3]等人探究非线性超声在力学性能检测上的混频检测技术。颜丙生[4]等人通过无损检测表征了镁合金早期疲劳退化过程。采用无损检测方法对材料的微观组织和力学性能进行无损评价已成为研究热点[5-7]。

激光超声作为一种新型的无损检测技术,因其具有非接触、远距离检测、频带宽、可检性和可达性好等优点,近年来被广泛应用于金属材料的微观组织和性能检测。薛仁杰等人[8-9]采用经验模态分解法、粒子群算法神经网络建立了晶粒尺寸预测模型。董峰等人[10]通过仿真和实验相结合,对铝晶粒尺寸计算模型进行了验证。Anmin Yin[11]通过仿真与实验结合,用脉冲受激散射(ISS)激光超声法测量了特殊取向的BCC单晶中声表面波速度传播的角色散曲线。Thomas Garcin等人[12-14]通过原位激光超声技术对718铬镍铁合金、纯钛和Ti-6Al-4V的晶粒尺寸进行了评价。徐亚诚等人[15]采用集成经验模态分解法(EEMD)对激光超声信号进行降噪,建立了纯钛合金的平均晶粒尺寸预测模型。谭项林、刘星等人[16-17]提出了一种基于激光超声的合金板材力学性能和弹性模量的检测方法。殷安民、武旭等人[18-19]通过激光超声检测技术,对金属板带的平均晶粒尺寸及其检测精度进行了研究。Zhenge Zhu等人[20]通过测量7055铝合金的微观组织以及激光超声衰减系数,建立了析出相尺寸与衰减系数的关系,发现超声波的衰减与析出相的大小有关。但是,研究方向主要集中在对金属材料微观组织检测,对材料力学性能的无损评价方面研究较少。

本文采用激光超声无损检测技术对Al-Cu-Mg铝合金进行检测,采用变分模态分解法(Variational Modal Decomposition,VMD)提取激光超声信号中的频域衰减系数,并分别与铝合金的平均晶粒尺寸、析出相含量、抗拉强度、屈服强度和显微硬度等微观组织和力学性能参数进行耦合,获取铝合金微观组织和力学性能与激光超声信号频域衰减系数之间的关系,探究基于激光超声的Al-Cu-Mg铝合金析出相和力学性能无损评价方法。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料与组织、性能检测

本文选用2XXX系Al-Cu-Mg铝合金作为实验材料,Al-Cu-Mg铝合金板材经轧制后制成长宽为55 mm×50 mm厚度为2 mm的薄板,其具体化学成分如表1所示。

表1 Al-Cu-Mg合金化学成分

对于轧制后的Al-Cu-Mg铝合金板材,为了得到其不同性能和微观组织,需要对试样进行热处理,可以使其微观组织发生改变,力学性能得到提高。用HX4A-15热电炉对10块试样进行T6固溶时效热处理(图1),具体工艺如表2所示。

图1 热处理工艺流程图

表2 T6固溶时效热处理工艺

对热处理后的样品依次进行镶嵌、研磨、抛光制得金相试样,并使用日立新型热场发射SU5000扫描电镜检测试样析出相成分和含量。将试样研磨到5000目后,在配比为HClO4:C2H5OH=1:9电解液中电解抛光,电压为20 V,抛光时间20 s,并使用EBSD对试样的平均晶粒尺寸进行检测。力学性能测试按照GB/T 228.1-2010,在MTS810电液伺服万能力学测试机上进行拉伸试验,每块试样测试3根样品取平均值。使用VH-1102显微维氏硬度计测试样品硬度,每个试样测试10个点取平均值得到平均维氏硬度。

2.2 激光超声检测方案

用线切割将试样切成35 mm×40 mm的小样,经研磨、抛光后在激光超声实验室检测系统中进行实验,如图2所示。

图2 激光超声检测系统

本系统激光激发采用调Q的Nd∶YAG激光器,激光器的脉冲时间宽度为8 ns,脉冲能量为500 mJ,波长为1064 nm,连续激光能量为500 mW。超声波接收系统采用532 nm的连续激光器和BSO晶体搭建的双波混合干涉仪。将抛光完的样品置于二维移动平台上,脉冲激光经反射镜反射后通过凸透镜聚焦在样品表面,从而引起样品内部热膨胀进而产生超声波。超声波传播至样品另一面用双波混合干涉仪和连续激光束进行接收,用示波器显示采样信号并对采样数据进行记录。为消除采集误差,每个样品对3个点进行了采样,每个点的信号采取了8次平均。

3 实验结果与分析

3.1 微观组织与力学性能

将EBSD实验得到的原文件使用HKL Channel 5软件进行处理和数据分析,通过对EBSD原始文件进行降噪处理,得到如图3所示的微观组织MAP图,并用Channel 5软件计算试样平均晶粒尺寸,具体数据如表3所示。

图3 试样EBSD MAP图

表3 试样平均晶粒尺寸

通过金相实验用扫描电镜(SEM)得到了Al-Cu-Mg铝合金的电镜图,如图4所示,同时用能谱(EDS)析出相成分进行分析,可知析出相主要由Al2Cu和Al2CuMg相组成。部分区域存在着细小的孔洞,这是由于在抛光过程中析出相的脱落造成的。采用ImageJ软件对各个试样的析出相含量进行计算,结果如表4所示。

图4 试样微观组织SEM图

表4 试样析出含量

如图5所示分别为固溶时间360 min和固溶温度450 ℃时试样的应力-应变曲线,对应力-应变进行数据提取,得到Al-Cu-Mg铝合金试样的抗拉强度、屈服强度和伸长率如表5所示,同时,各试样10次硬度测试后的平均显微硬度如表5所示。

图5 应力应变曲线

表5 试样力学性能

对Al-Cu-Mg铝合金微观组织对力学性能的影响分析发现,固溶温度、固溶时间与Al-Cu-Mg铝合金析出相含量有一定的负相关性、与强度和硬度成正相关性,随着固溶温度和固溶时间的上升,使得原本夹杂在铝基体周围抑制晶粒生长的坚硬的析出相Al2Cu和Al2CuMg相逐渐溶入基体中,大量析出相溶入基体后,晶粒才得以长大,并且使基体的固溶强化得以提高,从而在硬度和强度的增强中得到表现。

3.2 信号处理方法

在激光超声检测实验中,采集到的信号数据含有大量噪声,需要对超声信号进行降噪处理,方便对信号进一步分析和特征提取。本文中采用变分模态分解法(Variational Modal Decomposition,VMD)对激光超声信号处理,该方法能够将原始信号从低频到高频分解为不同频率下的多个模态函数图,通过人为选择模态函数图下的信号对激光超声信号进行重构,从而得到所需频率范围的信号图。

设置合适的K值将信号分解为K个模态函数,能够有效避免大部分信号的模态混叠现象,本文对Al-Cu-Mg铝合金的激光超声信号K值设置为16,信号经变分模态分解为16个有限带宽的模态函数,去除含有噪声的模态函数图,选择超声信号明显的有限带宽模态函数图进行信号重构,重构后的激光超声信号如图6所示。

图6 原始信号和重构信号

超声波在多晶材料中传播时的特性与其在固体传播时相同,其传播特性与材料的微观组织密切相关。由于激光超声信号中超声波的带宽较大,因此超声波的频域信号中同样有着大量信号特征。通过对时域下的超声波纵波信号做傅里叶变换(FFT)得到频域下的信号进行分析提取,得到信号频域下的信息。

对图6中VMD降噪后信号的第二回波到第六回波五个回波截取完整的回波信号,对五个回波信号进行傅里叶变换,得到每个回波的频谱图,如图7所示。

图7 超声波纵波回波频谱图

从图7中可以发现,这个五个回波经傅里叶变换后其峰值均在频率为13.8 MHz左右时,最高频率在60 MHz左右,且没有出现频率漂移现象。

选择每个频谱图中波峰的幅值,不同回波下波峰的频率均为13.8 MHz,可以用第二回波(Ai,其中i=2)和第三回波(Ai+1,其中i=2),第三回波(Ai,其中i=3)和第四回波(Ai+1,其中i=3)等进行频域下衰减系数的计算,代入衰减系数计算公式(1)中,即可得到激光超声频域衰减系数。

(1)

式中,Ai为前一次回波的幅值(i=1～5);Ai+1为后一次回波的幅值(i=1～5);L为试样的厚度。

但是计算后可以发现不同回波之间计算出来的频域下衰减系数存在差别,所以本文在计算了每相邻两个回波之间频域下衰减系数后,根据公式(2)对得到五个频域衰减系数进行拟合计算,拟合结果如图8所示。

图8 频域衰减系数拟合结果

P=Ae-αx

(2)

式中,P为傅里叶变换后的幅值;A为拟合后公式常数;α为频域衰减系数;x为超声波传播距离。

从图8频域衰减系数的拟合结果可以发现,在对不同回波之间频域下的衰减系数进行拟合后,对应的超声波传播距离和幅值具有较好的拟合优度,拟合优度均能够达到0.95以上,各个试样拟合计算得到的频域衰减系数和拟合误差如表6所示。

表6 Al-Cu-Mg铝合金频域衰减系数

3.3 微观组织和力学性能评价

将EBSD实验获得的Al-Cu-Mg铝合金试样的平均晶粒尺寸与激光超声频域衰减系数用最小二乘最佳拟合曲线,如图9所示。

图9 晶粒尺寸与频域衰减系数拟合曲线

从图9晶粒尺寸与频域衰减的拟合取向中可以发现,大部分试样的晶粒尺寸和频域衰减系数集中在13～15 μm和0.125～0.15 dB/mm之间。而#0和#9试样要偏离该区域,其中#9试样的晶粒尺寸和频域衰减系数均发生了突变,#0试样仅有晶粒尺寸要小于该区域,它的频域衰减系数也处于0.125～0.15 dB/mm范围内。

用三次多项式拟合曲线对晶粒尺寸与频域衰减系数进行拟合得到了晶粒尺寸的拟合公式,公式:

α=7.9945×10-4D3-0.02907D2+0.35363D-

(3)

此时,平均晶粒尺寸与频域衰减系数的拟合优度R2为0.66187,这说明激光超声信号频域衰减系数有一定的相关性,可以用来对Al-Cu-Mg铝合金平均晶粒尺寸进行无损评价。

为了对Al-Cu-Mg铝合金析出相含量与激光超声特征值的分布进行分析,将析出相含量分别与激光超声特征值在进行拟合,如图10所示,为Al-Cu-Mg铝合金析出相含量和频域衰减系数的拟合图。

图10 析出相含量与频域衰减系数拟合曲线

对上图的拟合曲线观察发现,#8和#9试样的析出相含量分别为2.969 %和2.438 %,要明显小于其他试样的析出相含量,都发生了突变。观察两个试样的激光超声频域衰减系数可以看到,#9试样偏离预测区间较远,其激光超声特征值也都发生了突变,并且要远远大于其他试样,而#8试样的析出相含量尽管也出现了一定的巨幅增大,但是它的频域衰减系数变换幅度较小,在0.125～0.15 dB/mm范围之间,这种变化程度完全可以忽略不计。

并且除#9试样外,#0～#8试样之间可以看到较为明显的线性关系,将#0～#8的析出相含量和频域衰减系数进行线性拟合,得到两者之间的拟合公式:

α=0.00459x+0.15911

(4)

得到的拟合优度R2为0.69533,说明频域衰减系数和析出相含量有一定的相关性,可以用于析出相的无损评价。

因此,从上述分析中我们可以得出,Al-Cu-Mg铝合金的析出相含量和平均晶粒尺寸与激光超声信号频域衰减系数均有一定的相关性,可以通过激光超声检测获得Al-Cu-Mg铝合金信号的频域衰减信号,对Al-Cu-Mg铝合金的平均晶粒尺寸和析出相含量进行评价。

将拉伸试验和显微硬度试验得到的抗拉强度、屈服强度和显微硬度等力学性能与频域衰减系数采用最小二乘最佳拟合曲线进行拟合,拟合曲线如图11所示。

图11 力学性能与频域衰减系数拟合曲线

抗拉强度、屈服强度和显微硬度与频域衰减系数均在用二次多项式拟合公式进行拟合时,获得了最佳的拟合优度,公式(5)、(6)、(7)分别为抗拉强度、屈服强度、显微硬度与频域衰减系数拟合的二次多项式公式:

(5)

(6)

α=2.0413×10-5HV2-0.00418HV+0.33986

(7)

抗拉强度、屈服强度、显微硬度与频域衰减系数二次多项式拟合的拟合优度R2分别为0.69533、0.81393和0.88718。可以发现激光超声信号频域衰减系数和力学性能有一定的相关性,且屈服强度、显微硬度与频域衰减系数的拟合优度均能达到0.8以上,相关性程度要更高。可以通过人为的建立一个频域衰减系数的区间范围,来判断Al-Cu-Mg铝合金的力学性能是否符合要求,因此激光超声信号频域衰减系数可以用于力学性能的无损评价。

4 结 论

通过激光超声实验,获得激光超声信号的频域衰减系数与Al-Cu-Mg铝合金的平均晶粒尺寸、析出相含量、抗拉强度、屈服强度和显微硬度都有一定的相关性,并且屈服强度和显微硬度与频域衰减系数的相关性较高。因此激光超声检测技术能够用于Al-Cu-Mg铝合金微观组织和力学性能无损评价。这为Al-Cu-Mg铝合金微观组织和力学性能的非接触、快速无损检测提供了新方法。