一种SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] SiC纤维增强Ti基复合材料（SiCf/Ticomposites,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。
[0003] 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〇. 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。
[0004] 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1_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】
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[0005] 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。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0007] 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。
[0008] 本发明超声定位方法具体包括如下步骤：
[0009] 1)测量超声波在Ti合金测速样块中的声速Vp
[0010] 2)将检测系统声速值设为％，分别测量含环芯在内的环件总厚度\、环件上表面 到环芯上表面的距离Si、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；
[0011] 3)依据公式（1)计算超声波在环件芯部的声速^，公式（1)中S是环件的真实厚
【主权项】
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 ⑵一致。
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. 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：该超声定位方法包括如下步骤： 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Stl、环件上表面 (7)到环芯上表面（3)的距离S1、环件下表面⑶到环芯下表面⑷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)计算超声波在环件芯部（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^，分别测量环芯⑴沿环件轴向的长度和环芯⑴沿环件 径向的长度。
5. 权利要求4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⑶的距离S 1、环件下表面⑶到环芯下 表面⑷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V 1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。
6. 根据权利要求4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V 2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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01N29-07
【公开号】CN104820020
【申请号】CN201510247358
【发明人】张旭, 王玉敏, 蔡桂喜, 张薇, 杨锐
【申请人】中国科学院金属研究所
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月15日