多因素耦合的激光熔覆层应力及应力损伤的超声波评价物理机制

Based on non-destructive evaluation of remanufacturing key component quality, improving the service life and reliability of remanufacturing component is seen as the goal,with the idea of laser cladding coating quality affected by factors, the effect of flaw, initial residual stress and applied stress on stress and stress damage with ultrasonic wave is investigated, and the evaluation physical mechanism is researched. The interaction physical model between ultrasonic wave and microstructure of laser cladding coating is bulit, theory of ultrasonic wave signal anslysis is cleared. Be the non-flaw and non-initial residual stress laser cladding coating (abbreviation SLCC) sample as studied object, the characteristic parameters for stress and stress damage evaluation will be studied, the relationship between characteristic parameters and stress, stress damage will be confirmed, the evaluation mechanism will be investigated. Based on the research of single influence factor on evaluation result, the combining effect of flaw, initial residual stress and applied stress attribute to the result will be analyzed, and the influence mechanism will also be clarified. The project shows the intercross and coalescence among the subjects of materials science,acoustics science and non-destructive testing science, as to provide the theoretical and technological supports for the fast non-destructive evaluation of quality and service life of remanufacturing key mechanical component.

针对机械关键再制造零部件质量无损评价问题，以提高其服役寿命及安全可靠性为目标，基于多因素耦合影响激光熔覆层质量的思路，研究缺陷、初始残余应力与外加应力交互作用下激光熔覆层应力与应力损伤的超声波评价物理机制与方法。基于超声波与激光熔覆层组织结构的相互作用规律，明确激光熔覆层超声波信号分析理论，构建无宏观缺陷去应力退火激光熔覆层（简称SLCC）试样应力及应力损伤与其特征参量间的关联，揭示其响应机制，在单一因素研究基础上，实现多因素交互作用影响SLCC试样应力及应力损伤评价机理的研究，获得其理论模型。本项目研究内容体现材料学、声学与无损检测理论学科的交叉，为实现机械关键再制造零部件质量及服役寿命的快速无损评价提供理论与技术支持。

因具有热影响区小、可获得良好冶金结合等优点，激光熔覆技术逐渐成为机械装备再制造常用技术之一，但其再制造产品质量保障问题一直未得到良好解决，因而探索可实现激光熔覆再制造产品质量保障的技术方法就亟待解决。为此，本项目以Fe314合金激光熔覆层为研究对象，以实现Fe314合金激光熔覆层应力与应力损伤评价为目标，结合现有研究基础，探讨多因素交互作用下超声波评价Fe314合金激光熔覆层应力与应力损伤的技术方法，并揭示其评价机制。研究结果表明：Fe314合金激光熔覆层组织结构是影响其超声波信噪比(SNR)的重要因素，以sym8小波为母小波，选取软阈值对超声波进行6层分解，即可实现Fe314合金激光熔覆层超声波的降噪处理，并满足超声波评价Fe314合金激光熔覆层应力的要求；通过“染噪+降噪”方法实现了Fe314合金激光熔覆层超声波的重构，进而明确了Fe314合金激光熔覆层各向异性组织结构引起的超声波波形畸变是影响其应力与应力损伤评价结果的主要因素之一，随互相关步长增大，超声波评价Fe314合金激光熔覆层应力与应力损伤的精度逐渐提高，综合认为1周期为最佳互相关步长；随应力增大，平行于加载方向上超声波在Fe314合金激光熔覆层中的传播速度逐渐减小，这与超声波声弹性理论基本相符，当应力达到492MPa（小于试样屈服强度）时，Fe314合金激光熔覆层中超声波传播速度随应力呈无规律变化，这与超声波声弹性理论不相符。此外，传播方向不同，超声波评价Fe314合金激光熔覆层应力与应力损伤的结果也略有不同。分析认为，不均匀组织结构引起Fe314合金激光熔覆层的不均匀弹塑性变形是导致上述结果的重要原因；初始残余应力越大，超声波评价Fe314合金激光熔覆层应力与应力损伤的误差也越大；随预制盲孔缺陷直径增大，超声波声弹性系数呈幂函数形式随之减小。分析认为，缺陷引起的应力不均匀分布是导致上述结果的关键原因。本项目从材料学、声学、力学等角度出发，不仅为系统、科学的揭示超声波评价激光熔覆层应力与应力损伤的物理本质提供参考依据，而且为机械装备再制造产品的服役安全及可靠性评价提供技术支撑。