鈦合金材料常用于工作環(huán)境惡劣的航空發(fā)動機(jī)的渦輪葉片，在工作運(yùn)行過程中常受到高溫高壓和金屬疲勞等影響，表面容易萌生很多細(xì)微裂紋,若裂紋早期沒有及時進(jìn)行檢測和維護(hù)，其可能會持續(xù)擴(kuò)展并致使整個鈦合金結(jié)構(gòu)的瞬間災(zāi)難性失效，造成不可挽回的損失，因此迫切需要對鈦合金材料在其使用過程中可能出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行檢測及定位。激光超聲檢測是目前較為先進(jìn)的無損檢測技術(shù)。鈦合金材料在吸收激光后將光能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能在結(jié)構(gòu)場中引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力從而激發(fā)出超聲波,而超聲波在鈦合金材料中傳播時會攜帶有裂紋的相關(guān)信息，如果能準(zhǔn)確提取出這些相關(guān)信息，就可以對鈦合金材料表面裂紋進(jìn)行分析及表征。近幾年，在超聲激發(fā)的數(shù)值模擬方面，國內(nèi)外有不少科研人員做了相關(guān)分析。Kromine等根據(jù)回波信號幅值隨激光源靠近裂紋逐漸增大而提出了掃描光源法，由此提取裂紋所在的大致區(qū)域；Zeng等識別和區(qū)分樹枝斷裂裂紋提供了一種識別分支裂紋的方法，當(dāng)分支表面裂紋位于狹縫頂部時，表面波信號頻譜的最大振幅隨著分支裂紋的角度減小而逐漸增大。Liu等利用激光激發(fā)的寬帶瑞利波來無損表征材料表面特性，將頻散圖像與瑞利波的理論頻散曲線進(jìn)行比對，總結(jié)出了損傷層厚度和損傷程度分別決定了主瑞利波高階模態(tài)和高階模態(tài)能量的結(jié)論。閆怡旭等利用有限元方法建立了二維等效模型，通過數(shù)值模擬分析了裂紋回波與裂紋位置的映射規(guī)律。張忠等以V形表面裂紋為研究對象，對表面波的擴(kuò)散以及聲波與裂紋深度的作用機(jī)理進(jìn)行了研究。左歐陽等采用了固定激發(fā)點(diǎn)和探測點(diǎn)距離的方法，將探針采集到的信號進(jìn)行分析，總結(jié)了不同裂紋位置與抵達(dá)時間以及裂紋回波位移峰值變化的規(guī)律。劉永強(qiáng)針對超聲激發(fā)的表面波傳播特性提出了裂紋信號非線性調(diào)制波特征提取方法，對表面裂紋進(jìn)行定量表征和重組成像。目前相關(guān)文獻(xiàn)研究主要集中于激光超聲檢測機(jī)理分析及聲波采集非線性信號的優(yōu)化處理，在提取裂紋信息與實際工程應(yīng)用，特別是對細(xì)微裂紋的定量表征方面還存在許多不足之處，而且研究對象多為鋁板，在鈦合金材料中的應(yīng)用較少，這方面仍有許多問題需得到足夠的重視并值得深入研究。本文以鈦合金為研究對象，采用COMSOLMultiphysics軟件建立了激光熱彈激發(fā)超聲波二維平面模型，分析了激光熱彈激發(fā)超聲波傳播的路徑及與裂紋作用的衍射規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)，提取出不同裂紋形狀、位置、大小的回波信號特征，通過時域分析它們與裂紋信息的映射關(guān)系，并利用得到的相應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而從采集到的聲波信號中準(zhǔn)確地提取出表面裂紋的尺寸及位置等關(guān)鍵信息，為鈦合金材料超聲激發(fā)無損檢測表面裂紋實驗提供數(shù)值參考。1、鈦合金激光超聲數(shù)值模擬1.1激光超聲基本理論激光發(fā)生器發(fā)射光束與鈦合金材料構(gòu)件相互作用時，鈦合金材料表面在吸收了激光束的光能后，其材料內(nèi)部的電子移動速度加快，電子的動能增大，導(dǎo)致更頻繁的沖擊晶格以及周圍的電子。這個物理轉(zhuǎn)換過程中，動能轉(zhuǎn)換成熱能，宏觀上表現(xiàn)為鈦合金材料體積發(fā)生一定的膨脹且溫度升高。但是在周圍晶格約束下，金屬內(nèi)部會產(chǎn)生一定程度的應(yīng)力應(yīng)變，從而激發(fā)出超聲波。當(dāng)激光束能量在燒蝕閾值內(nèi)時，電子轉(zhuǎn)換的動能較少，不足以沖破周圍晶格的束縛，鈦合金材料變形還處于彈性范圍內(nèi)，這種激發(fā)的超聲波稱作熱彈超聲波。如果激光光束能量持續(xù)增加，直至電子動能可以突破晶格的束縛，宏觀層面表現(xiàn)為材料的表面出現(xiàn)明顯燒蝕現(xiàn)象，且伴隨有等離子體濺出，這種情況下激發(fā)的波稱為燒蝕超聲波。1.2平面熱力模型建立以鈦合金材料為研究對象，根據(jù)熱彈激光超聲的激發(fā)原理，添加固體傳熱模塊和固體力學(xué)模塊。建立激光超聲熱-結(jié)構(gòu)耦合模型，設(shè)置多物理場為熱膨脹和溫度耦合。將激光激發(fā)超聲波與鈦合金材料作用過程等效為二維平面模型，此次數(shù)值模擬研究對象為鈦合金板，材料參數(shù)見表1。在仿真軟件中創(chuàng)建一塊二維的鈦合金板(15mm×10mm),裂紋位于鈦合金板頂部表面，距離激光入射點(diǎn)10mm處，尺寸為0.2mm×1mm。左側(cè)創(chuàng)建4個探測點(diǎn)(N1、N2、N3、N4),分別距離裂紋3.5mm、4mm、4.5mm、5mm。右側(cè)創(chuàng)建2個探測點(diǎn)(N5、N6),分別距離裂紋2mm、3mm。有限元模型如圖1所示。設(shè)置一束激光垂直入射于鈦合金材料的表面左端點(diǎn)，位置距離裂紋10mm,將激光與鈦合金材料作用過程等效為關(guān)于時間和空間分布的函數(shù)，除材料上表面外的其他邊界都按絕熱處理，只在鈦合金板的上表面激發(fā)位置發(fā)生超聲波激發(fā)過程，熱對流和熱輻射對鈦合金材料溫度影響較小，可適當(dāng)忽略，因此鈦合金板將激光能量轉(zhuǎn)換為熱能的過程可以等效為加載在鈦合金板表面的熱流邊界條件。激光源符合高斯函數(shù)分布，其熱力源可表示為：式中：ky為y方向上的熱擴(kuò)散系數(shù)；h為模型的厚度；I0表示激光源的峰值功率密度；A(T)代表鈦合金的吸收率；f(x)和g(t)分別表示激光源的空間分布函數(shù)和時間分布函數(shù)，見圖2。式中：R0表示激光的光斑半徑，在這次數(shù)值模擬中設(shè)激光光斑為30μm；；t0表示激光的上升時間，設(shè)置激光的上升時間為10ns。為了計算簡便，在不考慮激光在鈦合金表面反射的情況下，A(T)設(shè)為100%。為了突顯裂紋回波信號，在鈦合金板兩端的邊界施加低反射邊界條件。1.3網(wǎng)格劃分為保證數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，關(guān)鍵在于積分時間步長和網(wǎng)格單元尺寸的選取。通常，最大網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于彈性波波長的30%才能維持聲波不間斷地在網(wǎng)格單元間傳播以及符合激光作用后彈性波傳播的仿真精度要求。有限元法鈦合金二維模型中，超聲波的積分時間Δt及最小波長λmin可以參考下式。式中：fmax為激發(fā)超聲波的最高頻率，可由下式取得。式中：CR為表面波波速；R0為激光光斑的半徑。選取合理的時間積分步長以及網(wǎng)格劃分密度，有利于縮短仿真求解過程，增加整體模型計算效率。在總體考慮了仿真精度及求解量的情況下，網(wǎng)格采用自由四邊形整體均勻細(xì)化，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5μm,時間步長設(shè)置為10ns,網(wǎng)格劃分見圖3。2、超聲波傳播特性分析及裂紋表征2.1表面波位移場分析激光在與鈦合金作用過程中會產(chǎn)生強(qiáng)表面瑞利波，超聲激發(fā)表面波的能量集中分布在90°左右，且沿鈦合金表面擴(kuò)散。因此本文通過表面波與裂紋的作用機(jī)理來完成對細(xì)微裂紋的探測。截取第1400ns和第4800ns的全場波形的半截面圖如圖4所示。圖中各位移波形明顯，能夠很好地反映超聲波在鈦合金材料中激發(fā)的表面波和體波傳播特征。但由于表面波與表面裂紋相互作用這一物理過程比較復(fù)雜，主要包括波形轉(zhuǎn)換、反射、透射、震蕩，在反射回波中存在很多裂紋信息，該信息與裂紋之間存在著一定的映射關(guān)系，所以需要對超聲波傳播波形的特征進(jìn)行分析。由圖4(a)可觀察到超聲波包括表面瑞利波(R)、橫波(S)和縱波(L),不難發(fā)現(xiàn)縱波擴(kuò)散速度最快且距離最遠(yuǎn)，橫波出現(xiàn)在縱波的后面，能量略弱于橫波，表面波傳播速度與橫波相近，緊跟著橫波出現(xiàn)，但是其能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于前面兩種波形。從圖4(b)中可以看到裂紋處產(chǎn)生的裂紋反射波及底面反射波。對比圖4(a)和(b)可觀察到，當(dāng)激光源激發(fā)出的超聲波碰觸到底面或者表面裂紋后，聲波在底面發(fā)生反射，在裂紋邊界處發(fā)生反射、透射及產(chǎn)生各種模式轉(zhuǎn)換波，在這個過程中會損失一部分能量。所以采集的各類反射回波能量顯著減小。N1探測點(diǎn)采集波形如圖5所示?？梢悦黠@地觀察到當(dāng)入射激光打在激發(fā)點(diǎn)處時，激發(fā)出的表面波信號傳播抵達(dá)探測點(diǎn)。然后信號繼續(xù)向右傳播至裂紋處，在抵達(dá)裂紋之后，一部分表面波信號直接形成表面裂紋反射回波RR,另一部分表面波信號與裂紋相互作用形成橫波的模式轉(zhuǎn)換波RS。2.2裂紋回波的檢測及表面裂紋表征為了進(jìn)一步研究超聲波和裂紋的作用機(jī)理，先對裂紋反射回波RR及橫波模式轉(zhuǎn)換波RS的傳播路徑進(jìn)行分析。激光源A與鈦合金板作用時產(chǎn)生表面波，表面波在鈦合金表面向右傳播，在通過探測點(diǎn)N之后抵達(dá)裂紋表面左界點(diǎn)C,其中表面波的部分動能會在C點(diǎn)處反射，產(chǎn)生表面反射回波RR,RR繼續(xù)在鈦合金表面向左傳輸?shù)诌_(dá)探測點(diǎn)N;而表面波的另一部分動能則會沿表面裂紋邊界CD繼續(xù)傳遞，從而形成表面透射波。而表面透射波在抵達(dá)裂紋底部D點(diǎn)處時會發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，形成表面波的橫波轉(zhuǎn)換波、縱波轉(zhuǎn)換波等繼續(xù)向鈦合金內(nèi)部傳輸;橫波轉(zhuǎn)換波在材料內(nèi)擴(kuò)散時，其中一部分會直接向探測點(diǎn)N傳播，形成RS。由此可確定RR波的傳播路徑為A→B→C→B,RS波的傳播路徑為A→B→C→D→B,傳播路徑如圖6所示。在鈦合金材料中，激光激發(fā)的縱波波速CL、橫波波速CS及表面波波速CR可參考下式。式中：E表示彈性模量；ρ表示密度；σ表示泊松比。根據(jù)表面波與裂紋的作用過程，可以通過RS的波峰出現(xiàn)的時間來對裂紋深度進(jìn)行表征。根據(jù)RS的傳播路徑可得：tRS為RS波到達(dá)的時間，其中LDB為RS波的傳播距離，可由下式取得：根據(jù)上式，結(jié)合鈦合金材料的力學(xué)參數(shù)，得到激光在鈦合金材料中激發(fā)的理論縱波波速為6127.07m/s,理論橫波波速為3016.76m/s,理論表面波波速為2815.84m/s。通過圖5中橫波出現(xiàn)時間為1.765、表面波出現(xiàn)時間為1.915,傳播路徑5mm,可以求出仿真橫波波速為2832.86m/s，仿真表面波波速為2610.97m/s,誤差分別是6%和7%,仿真值與理論值基本一致。為了更加清晰和直觀地分析裂紋反射回波，分別采集了無裂紋和預(yù)制了0.2mm×1mm裂紋的鈦合金板材超聲波波形，然后將兩種波形進(jìn)行比對，效果如圖7所示。從圖7可以觀察到，無裂紋和預(yù)制了裂紋的鈦合金板材激光激發(fā)產(chǎn)生始波波形高度重合且峰值最高。相對來說，底面回波信號的峰值較低，這是因為超聲波在鈦合金材料擴(kuò)散的過程中會產(chǎn)生一定能量的損耗，導(dǎo)致超聲波在傳播途中峰值下降。在預(yù)制了裂紋的超聲波波形圖中，在始波信號之后出現(xiàn)一個峰值低于始波的波動，這是由于表面波與裂紋相互作用產(chǎn)生的裂紋回波反向傳播抵達(dá)采集點(diǎn)所致。而在無裂紋的超聲波波形中，除了底面回波產(chǎn)生的擾動外，并沒有很明顯的波動。因此，可以通過裂紋回波信號的采集來判斷鈦合金材料中有無裂紋，并且結(jié)合裂紋反射回波和橫波模式轉(zhuǎn)換波傳播的距離和抵達(dá)時間進(jìn)行計算來定位裂紋及表征裂紋深度。3、裂紋回波影響因素分析3.1探測點(diǎn)位置對裂紋回波的影響在裂紋和激光源之間分別設(shè)置了4個不同距離的探測點(diǎn)(N1、N2、N3、N4),分別距離裂紋3.5mm、4mm、4.5mm、5mm,來研究不同距離探測的表面波裂紋回波信號。在裂紋和邊界之間分別設(shè)置了2個不同距離的探測點(diǎn)(N5、N6),分別距離裂紋2mm、3mm,用于觀察激光激發(fā)的表面波透射信號，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以觀察到，從探測點(diǎn)N1到N4的最大位移峰值隨著表面波傳播距離的增大逐漸減弱，這是由于表面波在傳播過程中會消耗一部分能量的原因。因為探測點(diǎn)距離裂紋越來越近，探測到的始波和裂紋回波的時間間隔也逐漸縮短，表現(xiàn)為始波和裂紋回波逐漸接近，同時裂紋回波的峰值會不斷增大。而在裂紋右側(cè)的探測點(diǎn)(N5、N6)檢測到的是表面波穿過裂紋之后產(chǎn)生的透射波，透射波的最大位移峰值明顯小于裂紋左側(cè)接收到的表面波的幅值，這是因為裂紋對聲波具有明顯阻隔效果。而隨著探測點(diǎn)距激光源的距離增長，在時域上始波峰值明顯滯后于左側(cè)的探測點(diǎn)。在鈦合金材料距離激勵激光點(diǎn)10mm(LAC)處預(yù)制一道裂紋，利用回波法，通過不同位置探測點(diǎn)提取到的始波與裂紋回波的時間間隔如圖8所示。N1~N4時間間隔分別是3.79μs、3.41μs、3.11μs、2.73μs,計算出裂紋與探測點(diǎn)的距離(LBC),與探測點(diǎn)位置(LAB)相加，就可以得出裂紋距離激光源的距離(LAC)。仿真計算值見表2,仿真計算結(jié)果與預(yù)制裂紋設(shè)置的理論值10mm基本一致，計算偏差不超過1%。3.2不同裂紋深度對裂紋回波的影響為了研究裂紋深度對裂紋回波的影響作用，在同一個探測點(diǎn)位采集不同裂紋深度的裂紋回波進(jìn)行比對。保證其他參數(shù)不變，分別設(shè)置裂紋深度為0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm,如圖9所示為不同裂紋深度下的波形圖。由圖9觀察到，受裂紋影響的各波形峰值均有變化，裂紋回波最大位移峰值隨著表面裂紋的深度增加而增加。為了更清楚地研究裂紋深度對裂紋回波峰值的影響，提取不同裂紋深度位移峰值，見圖10。由圖10觀察到，當(dāng)裂紋深度在0.5~1.0mm時，回波峰值增長緩慢，當(dāng)裂紋在1.0~2.0mm時，回波峰值增長加快，并且大致呈線性趨勢。這是因為當(dāng)表面裂紋深度較淺時，表面波與裂紋作用過程中，表面波的部分能量會跨過裂紋繼續(xù)沿表面?zhèn)鞑?，探測點(diǎn)檢測到反射回來的能量相對減弱。當(dāng)裂紋深度較深時，探測點(diǎn)檢測到反射回來的能量相對增強(qiáng)，所以表現(xiàn)為峰值增加。將圖9中裂紋回波部分進(jìn)行放大，如圖11所示?？梢栽诰植繄D中觀察到有兩個明顯的峰值信號RR和RS,這是由于表面波沿鈦合金材料表面?zhèn)鞑ブ亮鸭y邊緣處時與裂紋作用，發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，部分能量會原路返回至探測點(diǎn)形成RR,而另一部分能量則會沿裂紋深度向下傳播，在抵達(dá)裂紋底部時發(fā)生模式轉(zhuǎn)換形成橫波轉(zhuǎn)換波，而橫波轉(zhuǎn)換波通過內(nèi)部傳播最終抵達(dá)探測點(diǎn)形成RS。在RS傳播路程中，相對于RR多包含了裂紋的深度及內(nèi)部傳播部分，所以在時域中表現(xiàn)為滯后于RR,并且隨著裂紋深度的增加，RS波峰時間呈線性持續(xù)滯后。同時，不同裂紋深度下RR波峰時間高度重合，這表明裂紋深度對裂紋的定位無影響，而裂紋深度的定量表征則可以根據(jù)RS波峰出現(xiàn)時間結(jié)合公式(11)求出。通過計算得出仿真中RR的波速為2610.96m/sRS的波速為2630.27m/s,兩者都與表面瑞利波的波速十分接近，這表明RR和RS波都是表面波的轉(zhuǎn)換波。在裂紋寬度不變的情況下，設(shè)置裂紋深度從0.5mm逐步增長到2mm,增量為0.5mm。然后通過式(11)中已知RS波到達(dá)時間來計算裂紋深度LCD。表3是裂紋深度計算結(jié)果，從表3中可以觀察出裂紋深度計算值與理論值大致相同，相對偏差均不大于4%。由此可驗證RS波峰時間表征裂紋深度的準(zhǔn)確性。3.3不同裂紋形狀對裂紋回波的影響為了研究不同裂紋形狀對表面裂紋回波的影響，預(yù)制了3種形狀的裂紋。分別為矩形裂紋、三角形裂紋、橢圓形裂紋，模型如圖12所示。在保證激光源不動的情況下，分別在N1點(diǎn)提取裂紋的反射回波，在N5探測點(diǎn)提取透射波，將波形進(jìn)行比對來觀察不同裂紋形狀對波形的影響。結(jié)果如圖13所示。由圖13可見，