非线性导波的静态分量作为超合金蠕变损伤的优选指标

《Ultrasonics》：Static component of nonlinear guided wave as a Preferable indicator of creep damage in superalloys

本研究提出利用静态分量（SC）增强超合金蠕变损伤评估的稳定性，对比发现SC参数线性增长且不受模态匹配影响，优于传统二阶谐波方法，有效解决后期信号衰减问题，为高温材料全生命周期监测提供新方法。

　　非线性超声检测技术在早期蠕变损伤识别中展现出了良好的潜力，尤其基于二次谐波生成的方法。然而，该技术的实际应用仍面临一定的限制，主要体现在其对模式匹配条件的高度依赖以及在损伤发展到后期阶段时信号的衰减问题。这些因素在复杂服役环境中限制了其有效性，特别是在对材料微观结构变化进行连续、可靠表征方面存在不足。传统方法往往难以在材料整个蠕变过程中准确捕捉微观结构的演变过程，从而影响了损伤评估的精度。

为了解决这些问题，本文引入了一种新的非线性超声响应表征方法，即静态成分信号（Static Component, SC）。该方法利用了导波传播过程中产生的静态成分，其物理机制源于有限振幅激励下材料中产生的零频非线性声辐射现象。静态成分信号表现为一个不随时间振荡的稳态位移场，其在材料中传播时并不依赖于严格的相速度匹配条件，从而提高了检测的稳定性和适应性。此外，SC信号具备非共振激励、低衰减和高信噪比等优势，这些特性使其在复杂结构、长距离传输和高阻尼材料中表现出更强的鲁棒性与灵活性。

与传统的二次谐波方法相比，SC信号在蠕变寿命期间呈现出稳定的线性增长趋势，而非线性参数通常会表现出非单调的“先升后降”变化模式。这种差异使得SC信号在损伤识别过程中更具优势，尤其是在材料损伤较为严重的情况下，SC信号仍然能够保持较高的可提取性与信噪比。这为材料在服役过程中的长期健康监测提供了新的可能性，特别是在需要对蠕变损伤进行全生命周期评估的高温度服役结构中。

本文的研究重点在于探讨SC信号在超合金材料中的适用性，并评估其在非线性超声监测中的性能。为了实现这一目标，研究选择了三种具有代表性的超合金材料：马氏体钢P92、奥氏体合金HP40以及近α钛合金Ti60。这些材料在高温和高应力环境下广泛应用于航空、航天及能源等领域，其蠕变损伤的检测与评估对于保障设备安全运行具有重要意义。

研究采用了一种分阶段的蠕变加载策略，以制备具有不同损伤程度的试样。试样的设计基于国家标准GB/T 2039–2012《金属材料 单轴蠕变试验方法》，并在实际应用中进行了优化，以确保能够全面反映材料在不同蠕变阶段的损伤演化过程。通过这种方式，研究人员能够系统地分析SC信号与蠕变寿命之间的关系，从而为非线性超声检测技术在蠕变损伤评估中的应用提供理论支持与实践依据。

为了验证SC信号的有效性，研究首先对原始状态的HP40、P92和Ti60试样进行了快速傅里叶变换（FFT）分析。结果表明，在频率谱中可以清晰地识别出与基频频率两倍接近的二次谐波成分，且未观察到显著的寄生峰。这说明所选的激励模式和参数能够准确激发并提取非线性超声信号，为后续的实验研究奠定了基础。进一步的实验表明，SC信号在材料蠕变过程中能够保持良好的稳定性，即使在材料损伤较为严重的情况下，其信号强度依然呈现出持续增长的趋势，而非二次谐波信号则容易出现衰减现象。

研究还发现，SC信号的非线性响应与材料的微观结构变化密切相关。在蠕变过程中，材料内部的位错密度增加、次相沉淀、微孔形成等微观结构变化都会对SC信号的强度产生影响。这种影响具有一定的累积性，使得SC信号能够更全面地反映材料的损伤演化过程。此外，SC信号对模式匹配条件的依赖性较低，因此在复杂边界条件、多模态干扰以及异质材料中仍然能够保持较高的检测性能。这一特性使得SC信号在工程实践中具备更强的适应性，特别是在需要对材料进行长期监测的场景中。

在实验过程中，研究人员通过控制不同的蠕变条件，如温度、应力水平和加载时间，系统地分析了SC信号的变化规律。结果表明，SC信号在材料蠕变过程中表现出良好的线性增长特性，其变化趋势与材料的蠕变寿命之间存在显著的相关性。这种线性增长的特性使得SC信号能够作为评估材料损伤程度的可靠指标，尤其适用于需要对材料进行全生命周期监测的场合。相比之下，二次谐波信号的变化趋势更为复杂，容易受到多种因素的影响，导致其在实际应用中出现不稳定的情况。

此外，研究还探讨了SC信号在不同材料中的表现差异。对于P92钢、HP40合金和Ti60钛合金而言，SC信号的变化趋势在一定程度上反映了各自材料的微观结构演化过程。例如，在P92钢中，SC信号的增强可能与位错墙的形成以及次相沉淀的增加有关；而在Ti60钛合金中，SC信号的变化则可能与位错密度的增加和微孔的形成密切相关。这些发现不仅揭示了SC信号在不同材料中的适用性，也为非线性超声检测技术在不同材料体系中的推广提供了理论支持。

在工程应用方面，SC信号的引入为非线性超声检测技术开辟了新的研究方向。传统二次谐波方法在高损伤阶段容易出现信号衰减，导致检测结果的不稳定性，而SC信号则能够克服这一问题，为材料在不同损伤阶段的检测提供更加可靠的数据支持。此外，SC信号的非共振激励特性使其能够在不依赖特定共振模式的情况下实现对材料的检测，这一优势在复杂结构和多材料系统中尤为重要。例如，在铝合金板中，SC信号已被成功用于微裂纹和早期疲劳的检测；在碳纤维增强复合材料中，SC信号也显示出对热疲劳和界面脱粘的有效识别能力。

研究还发现，即使在组速度不匹配的条件下，SC信号仍然能够诱导局部空间响应，从而实现对损伤区域的准确定位。这一特性使得SC信号在工程检测中具有更高的灵活性和适应性，能够应对不同材料和结构的复杂情况。与传统的二次谐波方法相比，SC信号在模式选择上更加自由，能够在更宽泛的频率范围内实现对材料的非线性响应表征，这为多尺度损伤监测提供了新的物理基础。

从实际应用的角度来看，SC信号的引入为高温服役结构的健康监测提供了更加可靠的工具。在航空、航天和能源等关键领域，超合金材料长期处于高温和高应力环境下，其蠕变损伤的积累过程对设备的安全性和使用寿命具有重要影响。传统的检测方法往往难以在这些复杂环境下实现对材料损伤的准确评估，而SC信号则能够在不依赖严格模式匹配的情况下，提供稳定、可靠的检测结果。这使得SC信号在实际工程应用中具备更高的可行性与推广价值。

综上所述，本文通过引入静态成分信号，为非线性超声检测技术在蠕变损伤评估中的应用提供了新的思路和方法。SC信号的稳定性和适应性使其能够在材料整个蠕变过程中持续反映损伤的演变过程，为实现高温度服役结构的长期健康监测和寿命评估提供了重要的技术手段。研究结果表明，SC信号在损伤识别和评估方面具有显著的优势，特别是在应对复杂结构和高损伤阶段的检测需求时。未来的研究可以进一步探索SC信号在不同材料体系中的适用性，以及其在实际工程中的具体应用方式，从而推动非线性超声检测技术的发展与应用。