[發明專利]一種高溫合金盤鍛件的宏觀殘余應力的中子衍射測量方法

在審

• 申請號: 201810156822.7
• 申請日: 2018-02-24
• 公開（公告）號: CN110196126A
• 公開（公告）日: 2019-09-03
• 發明（設計）人: 徐小嚴;馬向東;王虹;徐瑤;常建衛;李建;呂維潔;孫光愛
• 申請（專利權）人: 中國航發商用航空發動機有限責任公司
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 喻學兵

一種鎳基高溫合金盤鍛件的宏觀殘余應力的中子衍射測量方法，所述方法包括，步驟一：確定中子衍射測量參數；步驟二：從所述盤鍛件的殘余應力集中處切割試樣，將所述試樣進行退火熱處理；步驟三：將經過所述步驟二退火熱處理的試樣，在所述步驟一中設定的中子衍射測量參數下，測量經過所述步驟二退火熱處理的試樣的晶格間距；步驟四：將所述盤鍛件在所述步驟一中設定的中子衍射測量參數下，測量所述盤鍛件的晶格間距，得到所述盤鍛件的宏觀殘余應力。

技術領域

本發明屬于工程材料技術領域，尤其涉及一種中子衍射測量工件殘余應力的方法。

背景技術

鎳基高溫合金，例如IN718(國內對應牌號GH4169)是含鈮、鉬的沉淀強化型鎳基高溫合金，具有高強度、良好的疲勞性能和高溫蠕變及抗氧化性能。現代航空發動機的許多零件都采用IN718制成，例如壓氣機盤、渦輪盤、葉片、機匣、定子、封嚴、支撐件、管路、緊固件等。在國外現役先進航空發動機中，IN718占高溫合金總用量的30～50％。IN718高溫合金構件在制造加工過程中不僅有鍛造、熱處理等熱加工還有機械加工、表面處理等冷加工，這些加工過程導致材料內部的溫度分布不均勻及變形不均勻，引入殘余應力，降低構件的疲勞性能，甚至會導致零件的變形，影響航空發動機的安全性、可靠性、耐久性和使用壽命。因此，在航空發動機盤類零件的研制生產過程中，應對其殘余應力檢測的精確性提出要求。上述鎳基高溫合金盤鍛件的殘余應力，其是存在于整個體積或較大尺寸范圍內保持平衡的應力，因此為第一類內應力，即宏觀殘余應力。

中子衍射法檢測殘余應力的方法是一種無損測試方法。與X射線、同步輻射相比，中子具有更強的穿透能力，可測定材料內宏觀應力、特殊相應力及晶粒間的應力。使用中子衍射裝置測量殘余應力始于上世紀80年代，與X射線相比，中子的穿透能力要強數個量級，可延伸至結構部件內幾個厘米的深處去獲取殘余應變信息，且原則上中子的穿透本領能夠允許自由地選擇材料內部應變的測量方向。中子衍射測量殘余應力技術已被證明是產品設計和開發、加工過程優化、失效評估的有力工具。

中子衍射測量方法利用的中子由裂變產生，利用Si單晶單色器從多色中子束中選出特定波長的中子，中子束波長范圍為0.089nm-0.282nm。

中子衍射的測量原理如下：

當晶體材料受到與其晶面間距相近波長的射線照射時，射線將被衍射從而形成特定的布拉格峰，衍射線產生的角度由布拉格衍射定律給出：

2d_hklsinθ_hkl＝λ (1)

式中，λ為射線波長，d_hkl為產生的布拉格峰的(hkl)晶面間距，θ為布拉格角。當樣品受到已知波長的單色平行中子束照射時，它的晶格間距d_hkl可根據布拉格定律公式(1)得到。

樣品無應變時，晶格間距對應于材料的無應變(或無應力)值，定義為d_0,hkl。

當樣品存在殘余應力時，晶格間距改變，并且每一個布拉格峰都將偏移。根據衍射峰角度的值，彈性應變ε_hkl可表示為：

中子衍射可以測量晶體一定體積內的彈性應變，如果相關彈性常數已知，便可以計算相應體積內的平均應力。完全確定應變張量需要測量至少六個獨立方向的彈性應變，如果主應變方向已知，沿三個方向的量就足夠了。

某點的正應力可沿該點正交坐標軸x，y和z方向測量的應變計算，此時，應力可表示為：

其中，υ_hkl為與(hkl)衍射晶面相關的泊松比，E_hkl與(hkl)衍射晶面相關的彈性模量，σ為應力，ε為應變；當主坐標與主變形方向一致時，這些正應力就是主應力。