航空涡轮盘非均匀异形件平均晶粒尺寸检测方法

本发明属于航空涡轮盘异形件晶粒检测，特别涉及一种航空涡轮盘非均匀异形件平均晶粒尺寸检测方法。

背景技术：

1、作为航空发动机的核心热端承力部件，发动机内涡轮盘需要在复杂苛刻的热、机械循环载荷条件下安全、可靠地进行作业，这对航空涡轮盘质量提出了极高的要求。以镍基高温合金为代表的先进多晶合金是用于制备高性能航空涡轮盘的典型金属材料。对于多晶金属而言，均匀精细的晶粒结构是提高材料抗拉强度及低周疲劳性能的重要基础，晶粒缺陷所造成的性能下降属于难以接受的报废缺陷。采用以超声技术为代表的检测技术，对多晶金属材料的微观晶粒特性进行高效、准确的量化评估，已经成为了工业界的研究热点之一。然而，航空涡轮盘的以下特性给超声技术的实施带来了巨大挑战：结构外形方面，随着航空工业对发动机推重比的要求不断提高，涡轮盘等部件的尺寸越发庞大，外形结构也日趋复杂。由于超声体波的局限性，传统体波超声检测技术在单次测量中只能获得探头下方的局部晶粒尺寸信息。为了实现对航空涡轮盘的复杂构件全体积检测，通常需要将其拆卸进行水浸超声扫查，极大地限制了检测效率。而就航空涡轮盘的组织均匀性而言，一方面，受到当前加工技术水平限制，大型涡轮盘部件加工过程中容易出现晶粒组织不均匀的工艺缺陷；另一方面，为了优化涡轮盘结构设计，近年来出现了结合粗晶与细晶的性能的先进双性能盘，其中不均匀的晶粒尺寸是被有意设计制造的。不论是源于缺陷还是设计要求，对涡轮盘中的非均匀分布晶粒进行准确的识别和量化都属于国防工业的重大需求。但是，为了对涡轮盘部件的非均匀晶粒尺寸进行有效评估，基于扫查的传统体波超声技术而言需要密集分布检测位置，增加检测次数，这与提高效率的工业需求是矛盾的。

2、超声尾波可以为航空涡轮盘提供一种高效、准确的平均晶粒尺寸评估方式。弹性波在非均匀介质中传播时，会与路径上随机分布的非均质相互作用并发生散射，在波形信号的尾部形成具有噪声外观、缓慢衰减的尾波。尾波的性质使其能在单次测量中反映介质大范围内的统计平均信息，适应于航空涡轮盘结构尺寸大、几何外形复杂、晶粒尺寸分布非均匀的特点。基于衰减特征的尾波分析方法主要包含单次散射模型和多重散射模型。然而，由于源自地震学领域，现有的尾波衰减模型均基于半无限介质空间进行推导。在这一过程中，尾波的衰减被认为受到两种衰减机制的共同作用，分别为几何衰减和材料衰减。几何衰减是弹性波波场在介质内不断扩展的结果，随着波阵面从波源向外传播并扩散到更大的区域，波的振幅会不断减小。而材料衰减则被认为包含了介质包括散射性质、热损耗性质在内的物理信息，是描述介质性质的重要参数。而对于以航空涡轮盘为典型代表的有限结构件中传播的尾波，其衰减规律强烈受到来自其介质几何边界的反射的影响。在边界作用下，尾波的能量会在结构内传播一段时间后形成均匀分布，而不再继续发生几何扩散造成的衰减，未考虑边界效应的现有模型在这种情况下表现出较差的性能。因此，对于晶粒尺寸非均匀的复杂航空涡轮盘异形件，建立一种有限散射介质中的超声尾波平均功率衰减模型，实现平均晶粒尺寸的准确、可靠评估，可以为航空涡轮盘的质量诊断与控制提供参考，具有重大工程价值和战略意义。

技术实现思路

1、本发明针对上述现有技术中的缺陷，提出一种航空涡轮盘非均匀异形件平均晶粒尺寸检测方法。其首先搭建针对航空涡轮盘异形件的晶粒尺寸检测平台，对待检测的具有非均匀晶粒的航空涡轮盘异形件采用超声换能器进行超声测试，激励并采集超声尾波信号，并基于所得到的超声尾波信号幅值波形，确定尾波在具有非均匀晶粒的航空涡轮盘异形件内混合均匀的起始时间；进一步，在此时间之前选取参考时间窗并选取一系列尾波时间窗，分别截取时间窗内的信号求取平均功率特征；接下来，根据有限散射介质中的超声尾波平均功率衰减模型，计算尾波的有效衰减系数；最后，通过平均晶粒尺寸量化模型，基于尾波的有效衰减系数得到具有非均匀晶粒的航空涡轮盘异形件的平均晶粒尺寸检测结果。本发明相比于现有的基于体波技术的晶粒尺寸检测方法，检测效率更高；同时，相比于现有的基于尾波技术的晶粒尺寸检测方法，改进了对尾波衰减规律的模型建立，使其更适用于具有非均匀晶粒的航空涡轮盘异形件的平均晶粒尺寸检测问题，得到的平均晶粒尺寸更加准确且鲁棒性好。

2、具体地，本发明提供一种航空涡轮盘非均匀异形件平均晶粒尺寸检测方法，其包括以下步骤：

3、s1、对待检测的航空涡轮盘异形件进行超声测试，采集携带非均匀晶粒信息的超声尾波信号，基于超声尾波信号幅值的包络线，确定尾波在航空涡轮盘异形件内均匀混合的起始时间t0；

4、s2、逐次选取n个尾波时间窗[tc，n，tc，n+tc]，n＝1，…，n，tc为尾波时间窗的宽度，选取过程具体如下：

5、s21、对于第一个尾波时间窗[tc，1，tc，1+tc]，起始时间满足tc，1≥t0；

6、s22、对于第n个尾波时间窗[tc，n，tc，n+tc]，求取时间窗内信噪比snrn，计算公式如下：

7、

8、其中，v(τ)为尾波信号在τ时刻的幅值，pz为背景噪声功率，根据无激励状态下测得的噪声信号波形获得；第n个尾波时间窗内信号的信噪比需满足snrn＞10以使所截取的时间窗内尾波信号能够反映衰减规律；

9、s3、选择[tr-tr/2，tr+tr/2]作为参考时间窗并基于步骤s2选取的n个尾波时间窗分别计算tr和tc，n时刻对应的平均功率特征，计算公式如下所示：

10、

11、其中，v(τ)为超声信号在τ时刻的幅值，p(tr)为tr时刻对应的平均功率，p(tc，n)为tc，n时刻对应的平均功率；[tr-tr/2，tr+tr/2]为参考时间窗；

12、s4、构建航空涡轮盘异形件超声尾波平均功率衰减模型，具体如下：

13、

14、g(t)＝th(t0-t)+t0h(t-t0)   (4)

15、

16、其中，β为几何衰减系数，根据所激励的超声尾波类型选取，p0为拟合常数项，包含了激励源能量、材料弹性常数、材料散射性质等因素的影响；g(t)为描述尾波几何衰减规律的函数，代表在t0时刻前尾波的几何衰减随时间t变化，在t0时刻后保持为常数t0；h(t)为单位阶跃函数；

17、s5、基于步骤s4构建的航空涡轮盘异形超声尾波平均功率衰减模型计算航空涡轮盘异形件的尾波有效衰减系数α，计算公式如下：

18、

19、其中，n个时间窗对应n个有效衰减系数的评估结果，n＝1，…，n；

20、s6、基于试件平均晶粒尺寸与尾波的有效衰减系数α之间的关系计算具有非均匀晶粒的航空涡轮盘异形件的平均晶粒尺寸

21、优选地，步骤s1中对待检测的航空涡轮盘异形件进行超声测试，采集携带非均匀晶粒信息的超声尾波信号具体包括以下步骤：

22、s11、用于激励超声尾波的激励信号采用汉宁窗调制的正弦波脉冲，依据待检测航空涡轮盘的弹性模量选择超声信号频率；

23、s12、对于待检测的航空涡轮盘异形件，将超声换能器布置在试件表面靠中心的位置，进行脉冲回波式测量；

24、s13、利用函数发生器输出激励信号，信号输出端连接至功率放大器，经放大后传递至超声换能器激励航空涡轮盘异形件中的超声波，触发输出端传递给混合域示波器的触发通道；

25、s14、混合域示波器根据触发通道接收到的触发信号，采集换能器接收的超声波信号并传输至计算机进行后续处理。

26、优选地，步骤s1中基于超声尾波信号幅值的包络线，确定尾波在航空涡轮盘异形件内均匀混合的起始时间t0具体包括以下子步骤：

27、s15、根据信号的时域波形，采用样条曲线对波形中离散的局部峰值进行拟合，形成信号的幅值包络线，并确定包络线的极大值vmax；

28、s16、将包络线极大值向后查找包络线幅值下降至vmax的一定比例η×vmax所对应的时刻，定义为尾波在航空涡轮盘异形件内均匀混合的起始时间t0。

29、优选地，步骤s1中用于确定幅值包络线的信号为剔除信号起始串扰部分后的信号。

30、优选地，步骤s3中提取的参考时间窗包含超声信号的主能量。

31、优选地，步骤s4中，对体波为主的尾波，β＝2，对表面波为主的尾波，β＝1，对发生强散射或以扩散波场为主的尾波，β＝1.5。

32、优选地，步骤s6中航空涡轮盘异形件的平均晶粒尺寸由n个时间窗的评估结果求取平均值获得。

33、优选地，步骤s6中航空涡轮盘非均匀异形件的平均晶粒尺寸的量化模型为：

34、

35、其中，θ1、θ2分别表示模型第一拟合参数和模型第二拟合参数。

36、优选地，步骤s6中模型第一拟合参数和第二拟合参数采用一系列与待测航空涡轮盘相同材料但具有不同已知晶粒尺寸的均匀试件进行确定。

37、与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

38、(1)本发明提出的航空涡轮盘非均匀异形件平均晶粒尺寸检测方法，采用超声尾波技术对具有非均匀晶粒的航空涡轮盘异形件平均晶粒尺寸进行检测评估，相比于传统体波方法，本发明所提出的方法利用了尾波所携带的大范围微观结构信息，适用于具有非均匀晶粒的航空涡轮盘异形件平均晶粒尺寸的检测，且有利于对具有非均匀晶粒的航空涡轮盘异形件进行快速检测，提高了检测效率。同时，本发明的平均晶粒尺寸方法通过平均来自多个时间窗口的量化值，大幅度提高了检测得到的平均晶粒尺寸的鲁棒性。

39、(2)本发明的方法在选取超声尾波时间窗时选取信噪比在一定数值内的时间窗，以使所截取的时间窗内尾波信号能够反映衰减规律，保证选取的超声尾波能够准确反应晶粒尺寸，最终通过求取n个时间窗的评估结果求取平均值获得航空涡轮盘异形件的平均晶粒尺寸进一步保证了检测结果的准确度。

40、(3)本发明提出的航空涡轮盘非均匀异形件平均晶粒尺寸检测方法，利用了有限散射介质中的超声尾波平均功率衰减模型，该模型中考虑了边界对尾波衰减规律的影响并对其进行修正，根据来自航空涡轮盘的超声信号确定衰减机理的转变时间，使基于衰减特征的尾波技术对航空涡轮盘异形件的平均晶粒尺寸检测结果更加准确。