沉淀硬化不銹鋼按鋼內(nèi)金相組織形態(tài)可分為沉淀硬化半奧氏體不銹鋼、沉淀硬化奧氏體不銹鋼、沉淀硬化馬氏體不銹鋼。其中,合金17-4PH是在鋼中加入銅、鈮等元素經(jīng)沉淀硬化而獲得的馬氏體不銹鋼,該類材料具有耐腐蝕性強、強度高、塑性及韌性優(yōu)良等特點,因此航運交通、航空航天工程、核工業(yè)等領域常將其作為關(guān)鍵零部件的材料[1-2]。遠洋輪船某型號輪軸即采用17-4PH不銹鋼制成,而船舶在航行過程中輪軸一直承受著巨大的扭力載荷,其即便存在細微缺陷也可能帶來斷軸的風險,因此在生產(chǎn)制造過程中需要對精加工后的輪軸進行磁粉檢測,確保輪軸表面不存在裂紋、夾雜物等缺陷,保障船舶的安全運行[3]。 

工程中開展輪軸熒光磁粉檢測時發(fā)現(xiàn)軸身處常出現(xiàn)大面積條狀、片狀磁痕顯示[4],經(jīng)滲透檢測該區(qū)域未形成類似痕跡,但是大面積磁痕顯示會造成熒光磁粉檢測結(jié)果的信噪比大幅下降,甚至會導致細小相關(guān)顯示的漏判,因此需要尋求其他檢測方法對該類工件進行有效、可靠檢測。據(jù)資料顯示,針對17-4PH不銹鋼材料部件的無損檢測,相關(guān)學者與工程人員做過眾多研究與嘗試。李乾武等[5]利用非線性超聲技術(shù)評估核電廠17-4PH不銹鋼隔離閥閥桿熱老化脆化問題,結(jié)果表明非線性超聲對時效過程中17-4PH不銹鋼的顯微組織變化敏感,可有效評估閥桿的熱脆化程度。劉松等[6]采用熒光磁粉檢測方法對17-4PH鋼渦輪軸進行檢測,發(fā)現(xiàn)輪軸端面存在裂紋缺陷,進一步進行理化檢驗與缺陷診斷分析,得出磁痕為鍍鉻工藝中產(chǎn)生的氫脆裂紋,其研究有效避免了不合格產(chǎn)品的流轉(zhuǎn)。褚英杰等[7]建立了神經(jīng)網(wǎng)絡方法對17-4PH不銹鋼熱老化的磁參數(shù)進行無損評估,為沉淀馬氏體不銹鋼熱老化的無損評估提供了可靠精確的方法。 

文章針對17-4PH不銹鋼輪軸軸身大面積磁痕顯示進行了深入探討,分析其形成原因和該類顯示組織對輪軸性能的影響,并提出采用渦流檢測技術(shù)對輪軸表面細微缺陷進行檢測。首先,分析磁粉檢測過程中形成磁痕的金屬區(qū)域的成分以及其對于渦流檢測的影響；然后,設計輪軸專用渦流檢測探頭,通過試驗優(yōu)化探頭設計參數(shù)；再制定渦流檢測工藝并開展檢測試驗,最終形成了高效、可靠、環(huán)保的渦流檢測工藝[8]。 

1.   檢測原理

1.1   渦流檢測原理

渦流檢測原理示意如圖1所示。渦流檢測過程中,線圈內(nèi)電流it產(chǎn)生激勵磁場H0,當線圈靠近輪軸表面并發(fā)生相對運動時,激勵磁場H0在輪軸中感應出旋渦狀電流Ix。根據(jù)Maxwell方程可推導出輪軸不同深度處的電流Ix,其可表示為 

式中：σ為材料電導率；μ為磁導率；x為探測深度；f為激勵頻率。 

圖  1  渦流檢測原理示

檢測過程中,Ix在輪軸中產(chǎn)生與激勵磁場H0方向相反的感應磁場Hx。根據(jù)電磁感應定律,無缺陷時線圈內(nèi)的磁場強度矢量和ΔH（ΔH=H0-Hx）為固定值,線圈兩端輸出電壓變化量ΔV=0；當存在不連續(xù)時,ΔH為變量值,線圈兩端輸出電壓ΔV≠0。因此,通過分析線圈輸出端的電信號關(guān)系特性即可分析輪軸中是否存在材料不連續(xù)[9]。 

1.2   阻抗分析法

渦流探頭的檢測線圈兩端可看作不含電源的端口電路,電路的激勵電流it的向量表達式可表示為 

式中：ω為角頻率；?i為初始相位角。 

電路端口的輸出電壓ut及其向量表達式可表示為 

式中：?u為初始相位角。 

二者的比值阻抗Z及其代數(shù)表達式為 

式中：R為電阻；X為電抗。 

據(jù)上述分析可知阻抗Z受檢測工藝參數(shù)、待檢材料連續(xù)性的綜合因素影響,其變化規(guī)律可采用渦流檢測阻抗圖（見圖2）進行表示。由圖2可知,當提離高度L不變而特征參數(shù)Pc發(fā)生變化時,其阻抗沿實線方向變動；當特征參數(shù)Pc不變而提離高度L變化時,其阻抗沿虛線方向變動。故降低提離高度可擴大阻抗的變化范圍,有利于提高檢測信號信噪比并提升小缺陷檢出率；保持特征參數(shù)Pc數(shù)值在實線的拐點處可使得有效磁導率μe達到最大（${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">=</span>}\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">0</span>}}}$）,此時渦流檢測靈敏度最高,可通過設計探頭制作參數(shù)和調(diào)試檢測工藝參數(shù)改善渦流檢測效果[10]。 

圖  2  特征參數(shù)Pc的阻抗圖與線圈結(jié)構(gòu)示

2.   試驗過程及結(jié)果分析

2.1   磁痕顯示分析

現(xiàn)場采用熒光磁粉檢測技術(shù)對17-4PH不銹鋼輪軸進行檢測時出現(xiàn)類似于裂紋顯示的大面積磁痕,如圖3所示。采用滲透檢測技術(shù)對出現(xiàn)磁痕的位置進行復驗,結(jié)果如圖4所示,可知該位置不存在表面開口類缺陷。為了進一步探尋磁痕的形成原因,采用電鏡掃描技術(shù)進行組織分析,100倍放大倍數(shù)下的組織圖像如圖5所示,表明該區(qū)域內(nèi)存在大量帶狀組織,繼續(xù)放大圖像如圖6所示,分析得出帶狀組織成分為鐵素體。由于鐵素體為軟磁性材料,鐵素體材料的磁導率大于馬氏體的,則磁化過程中B鐵素體>B馬氏體（B為磁感應強度）,因此帶狀鐵素體區(qū)域更容易吸附磁粉,從而造成了磁痕顯示。 

圖  3  軸身磁痕顯示

圖  4  軸身磁痕位置處的滲透檢測顯示

圖  5  圖3組織的放大100倍電鏡掃描圖片

圖  6  圖3組織的放大500倍電鏡掃描圖片

2.2   探頭結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)統(tǒng)計分析可知,帶狀鐵素體常以區(qū)域的形式出現(xiàn)并且邊界變化緩慢,造成了該區(qū)域內(nèi)材料磁導率μ、電導率σ的變化,進而導致了阻抗變化的不同。如果采用單線圈探頭進行檢測,則該區(qū)域內(nèi)會出現(xiàn)大量信號噪聲,而雙線圈差分式探頭有利于抑制材料緩慢變化帶來的阻抗擾動。因此,文章采用雙線圈差分渦流探頭進行檢測。單通道渦流探頭檢測區(qū)域小,考慮到實際檢測過程中的效率問題,故采用四通道渦流檢測技術(shù)對輪軸開展檢測試驗。其四個通道采用脈沖信號控制發(fā)射/接收順序,差分線圈構(gòu)成兩個電橋橋臂,電橋平衡時輸出電壓為零,當阻抗發(fā)生變化時,電橋失去平衡,輸出電壓不為零,因此可通過監(jiān)測輸出電壓的變化判斷構(gòu)件是否存在不連續(xù)[11]。 

2.3   線圈參數(shù)優(yōu)化

為進一步分析線圈的電磁特性,采用ANSYS軟件建立模型并進行仿真試驗,分析不同參數(shù)的線圈空間磁場強度分布和數(shù)值變化,設定線圈內(nèi)徑r分別為0.5,1.0,1.5 mm,線圈匝數(shù)、線徑、壁厚、高度相等,檢測材料為17-4PH鋼,提離高度L為0.2 mm,其余各項參數(shù)如表1所示,正弦激勵信號頻率f為100 kHz。 

仿真得到不同內(nèi)徑線圈的磁場分布如圖7所示,可知隨著內(nèi)徑增加,線圈空心部位的磁場強度逐漸降低。提取線圈下端部徑向距離線圈中心5 mm區(qū)域內(nèi)的磁場強度并繪制磁場強度變化曲線,如圖8所示,可知線圈端部磁場最強區(qū)域為線圈內(nèi)壁,線圈內(nèi)徑r與徑向磁場強度H徑的衰減速度呈反比。提取線圈軸線下方鋼板不同深度處的磁場強度數(shù)值并繪制成曲線,如圖8所示,可知線圈內(nèi)徑r與鋼板不同深度處的磁場強度H軸呈正比。 

圖  7  不同內(nèi)徑線圈的磁場強度分布

圖  8  不同內(nèi)徑線圈的徑向及軸向磁場強度變化曲線

綜上可知,如果對埋深缺陷檢測要求不高則選擇內(nèi)徑較小的線圈,該類線圈具有很高的表面檢測靈敏度,可針對細微缺陷進行檢測；如果需要兼顧近表面區(qū)域的埋深缺陷,則需要增加線圈內(nèi)徑,提升工件內(nèi)磁場強度。輪軸作為關(guān)鍵部件,其表面不允許存在夾雜、裂紋、折疊等影響使用的缺陷,因此內(nèi)徑為0.5 mm的線圈最合適,但實際檢測中內(nèi)徑為0.5 mm的線圈覆蓋面太小,會導致檢測效率低下,綜合考慮下,文章選擇內(nèi)徑為1.0 mm的線圈制作渦流探頭。 

2.4   檢測工藝參數(shù)優(yōu)化

由特征參數(shù)公式Pc=ωfμσr2可知,激勵頻率f的變化會直接影響線圈阻抗的擾動,且理論分析表明,當μe達到最大值時渦流檢測靈敏度最高,即在阻抗圖拐點處所對應的激勵頻率為最佳頻率。進一步采用仿真分析技術(shù)優(yōu)化激勵頻率,采用上述論證得出的探頭結(jié)構(gòu)及線圈參數(shù)構(gòu)建渦流檢測探頭模型,激勵頻率分別設置為50,100,200,300 kHz。針對深度為0.1~0.5 mm的一組刻槽進行掃查,提取仿真檢測數(shù)值繪制成曲線,結(jié)果如圖9所示,可知頻率增加有利于提高缺陷檢測靈敏度,但頻率超過200 kHz時檢測信號幅值變化不明顯,且高頻率會導致噪聲信號的增加,因此應在確保檢測靈敏度的情況下盡量降低激勵頻率。 

圖  9  不同深度缺陷的頻率-檢測信號幅值對應關(guān)系

2.5   探頭開發(fā)制作

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù),設計制作四通道渦流檢測探頭,開展輪軸檢測試驗。探頭模型及實物如圖10所示。線圈采用柔性電路板承載空心線圈,背部填充柔性材料。該結(jié)構(gòu)能使得線圈與輪軸曲面產(chǎn)生良好耦合,排除剛性接觸產(chǎn)生的提離效應。邊框側(cè)面設計成與輪軸弧度相同的凹槽,降低檢測過程中因抖動產(chǎn)生的阻抗干擾。經(jīng)測算,該探頭一次性掃查可覆蓋的寬度為10 mm,效率明顯高于單點式檢測探頭效率。 

圖  10  四通道探頭模型及實物

3.   檢測試驗

為進一步驗證設計的渦流探頭和檢測工藝的檢測效果,在輪軸表面帶狀鐵素體區(qū)域和非帶狀鐵素體區(qū)域分別加工人工刻槽缺陷,缺陷長度為5.00 mm,寬度為0.08 mm,深度分別為0.1,0.3,0.5 mm。采用四通道設備搭載渦流探頭開展輪軸檢測試驗,檢測結(jié)果如圖11,12所示。 

圖  11  輪軸非帶狀鐵素體區(qū)域檢測結(jié)果

圖  12  輪軸帶狀鐵素體區(qū)域檢測結(jié)果

由圖11,12可知,在非帶狀鐵素體區(qū)域可對尺寸（長×寬×深,下同）為5.00 mm×0.08 mm×0.10 mm的人工刻槽進行有效檢出,缺陷信號幅值為滿屏刻度32%,噪聲信號幅值為滿屏刻度3.2%,信噪比為10。在帶狀鐵素體區(qū)域,電導率和磁導率的不均勻造成了噪聲信號幅值的上升,該區(qū)域尺寸為5.00 mm×0.08 mm×0.10 mm的人工刻槽信號幅值為滿屏刻度32%,噪聲信號幅值為滿屏刻度6%,信噪比為5.3。 

分析兩區(qū)域的渦流檢測結(jié)果可知,多通道渦流檢測技術(shù)可針對17-4PH不銹鋼輪軸各區(qū)域進行有效檢測,帶狀鐵素體區(qū)域缺陷信號特征明顯,信噪比大于5,有效避免了磁粉檢測過程中的噪聲干擾。 

4.   結(jié)論

（1）17-4PH不銹鋼輪軸表面存在帶狀分布的鐵素體組織,由于磁導率的變化,磁粉檢測過程中帶狀鐵素體會吸附磁粉形成磁痕,造成磁粉檢測信噪比的下降。 

（2）雙線圈差分渦流檢測探頭可以有效減小大面積區(qū)域內(nèi)材料變化帶來的阻抗干擾,并且針對材料連續(xù)性劇烈變化的微小區(qū)域具有較高的檢測靈敏度。 

（3）相同激勵條件下,渦流探頭的線圈內(nèi)徑與導電材料表面缺陷的檢測靈敏度呈反比,相同深度處的磁場強度與渦流探頭的線圈內(nèi)徑呈正比。

（4）一定范圍內(nèi)增加激勵頻率可提高檢測靈敏度,但同時會造成噪聲信號的增加和渦流滲入深度的下降,因此檢測過程中需要根據(jù)檢測要求進行設置。 

（5）四通道渦流檢測探頭可針對17-4PH不銹鋼輪軸帶狀鐵素體區(qū)域尺寸為5.00 mm×0.08 mm×0.10 mm的人工刻槽進行有效檢測,檢測信號信噪比大于5。因此,渦流檢測技術(shù)有效避免了帶狀鐵素體的干擾,實現(xiàn)了17-4PH不銹鋼輪軸表面及近表面缺陷的快速檢測。

文章來源——材料與測試網(wǎng)