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

本发明专利技术公开了一种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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部超声定位方法
本专利技术涉及复合材料制备与检测
，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。
技术介绍
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。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0.1mm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。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1mm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。
技术实现思路
：本专利技术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。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：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。本专利技术超声定位方法具体包括如下步骤：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，分别测量含环芯在内的环件总厚度S0、环件上表面到环芯上表面的距离S1、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；3)依据公式(1)计算超声波在环件芯部的声速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V2，分别测量环芯沿环件轴向的长度和环芯沿环件径向的长度。上述步骤2)中，测量环件上表面到环芯上表面的距离S1、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、环件内表面到环芯内表面的距离时，均采用在声速V1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。上述步骤4)中，测量环芯沿环件轴向的长度和环芯沿环件径向的长度时，均采用在声速V2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。本专利技术具有如下优点：采用本专利技术一种SiC纤维增强Ti基复合材料环件芯部定位方法解决了目前通过常规无损检测方法尚未实现准确定位复合材料芯部的难题，定位准确程度达到了0.1mm量级，该方法相比较于解剖件直接测量法，节约了大量制造成本。对于提高SiC纤维增强Ti基复合材料环件的加工过程质量以及保证其安全服役具有重要意义。附图说明图1为典型的SiC纤维增强Ti基复合材料环件剖面结构示意图；图1中：1-复合材料环芯，2-Ti合金外包套，3-环芯上表面，4-环芯下表面、5-环芯外表面，6-环芯内表面，7-环件上表面，8-环件下表面，9-环件外表面，10-环件内表面。图2为本专利技术中测量环件各表面到复合材料环芯各表面距离时探头发射超声波方位示意图；图2中：11-测量环件上表面到环芯上表面距离时探头方位，12-测量环件下表面到环芯下表面距离时探头方位，13-测量环件外表面到环芯外表面距离时探头方位，14-测量环件内表面到环芯内表面距离时探头方位。具体实施方式本专利技术为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1和四周Ti合金外包套2组成，其剖面结构示意图如图1所示；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(2)一致，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接近，偏差介于±20％。所述用于测速的厚度是在垂直于超声波入射方向上测速样块的厚度。指测速样块实施例1本实施例采用SiCf/TC4复合材料环件为检测对象，它由复合材料环芯和四周Ti合金外包套组成夹心结构，内部结构各主要尺寸见表1，环芯(芯部)与Ti合金外包套界面为扩散焊连接，焊缝结合良好，无开裂。如图1所示，在水浸超声系统中，该环件由上到下(或由外到内)存在4个界面，依次是表面(环件上表面7或环件外表面9)、环芯-外包套界面(环芯上表面3或环芯外表面5)、环芯-外包套界面(环芯下表面4或环芯内表面6)、表面(环件下表面8或环件内表面10)，因此水浸超声检A扫描图中存在4个较强的回波，依次对应于上述4个界面的是第一个表面波、第一个环芯-外包套界面波、第二个环芯-外包套界面波、第二个表面波。通过测量这4个波峰中临近2个波峰的间距，即能够实现对环芯的准确定位。TC4合金测速样块是为准确测定SiCf/TC4复合材料环件中TC4合金外包套的声速而专门制作的试块，该样块除了表面平整光滑、内部无缺陷外，更重要的是样块的材质、制造工艺与TC4合金外包套完全一致，垂直于超声波入射方向用于测速的厚度与环件总厚度一致，为24.9mm，可以有效保证声速测量的准确性。为了提高SiCf/TC4复合材料环件芯部定位精度，本实施例中采用以色列SCANMASTER公司的LS200型水浸超声检测系统，该系统扫描移动精度高，可在WINDOWS操作系统下实现全数字化软件程序控制检测。检测方式包括A扫描、B扫描和C扫描，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(2)一致。

【技术特征摘要】
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(2)一致；所述超声定位方法具体包括如下步骤：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S0、环件上表面(7)到环芯上表面(3)的距离S1、环件下表面(8)到环芯下表面(4)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)计算超声波在环芯(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V2，分别测量环芯(1)沿环件轴向的长度和环芯(1)沿环件径向的长度。2.根据权利要求1所述的SiC纤维增强Ti基复合材...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭，王玉敏，蔡桂喜，张薇，杨锐，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21