《Optics & Laser Technology》：Non-Destructive yield strength evaluation of TA2 titanium by laser ultrasonics
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激光超声技术用于非破坏评估TA2钛合金微观结构演变及屈服强度预测，通过时间-频率分析提取衰减系数和能量分布，建立与晶粒尺寸及Hall-Petch关系的模型，验证了不同冷却条件下的有效性。
Xing Mao | Xiaochen Wang | Quan Yang | Jingdong Li | Yanjie Zhang | Wenjun Gao | Yingying Meng
北京科技大学工程技术研究院，中国北京 100083
摘要
本研究应用激光超声技术对热处理后的TA2钛合金的微观结构演变进行了无损检测，并预测了其屈服强度。通过将超声衰减系数与晶粒尺寸关联起来，进而利用Hall–Petch关系将晶粒尺寸与屈服强度联系起来，建立了一个预测模型。时频分析提取了关键的光谱参数，包括衰减系数和能量分布，有效反映了晶粒粗化和相变过程。结果表明，超声衰减、晶粒尺寸和屈服强度之间存在强相关性。空气冷却样品在长时间退火后表现出峰值频率降低和能量带宽变窄的趋势，而水淬样品则保持了较高的频率和较宽的带宽，表明其微观结构更为稳定。在不同冷却条件下验证了该激光超声检测方法的可行性，证实了其在实验室规模上预测屈服强度的潜力。本研究展示了激光超声作为一种无损方法在预测钛合金力学性能方面的潜力，利用衰减系数作为桥梁将晶粒尺寸与屈服强度联系起来。
引言
商业纯钛TA2因其低密度、高比强度、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性，在航空航天、化工加工和生物医学设备等轻量化结构应用中得到广泛应用[1]。先前的研究表明，TA2的力学性能受到晶粒尺寸、相组成和位错密度等微观结构因素的显著影响[2]、[3]、[4]。因此，准确高效地表征微观结构和力学性能对于材料设计优化和服务可靠性评估至关重要。
尽管传统的金相分析能够提供准确的微观结构信息，但它具有破坏性且耗时较长，不适合实时或在线检测。相比之下，无损检测（NDE）技术因其高效性和非接触式操作而受到越来越多的关注。其中，超声检测因其强大的穿透能力和对金属微观结构的高敏感性而脱颖而出。Carreon等人[5]发现，铝合金在老化过程中超声速度的变化反映了微观结构的变化；Dong等人[6]通过分析超声衰减来表征钛合金的晶粒尺寸和缺陷分布；Tariq等人[7]结合超声速度、硬度和电导率对2xxx系列铝合金的力学性能进行了定量预测。这些结果证实，超声速度和衰减等参数可以有效用于钛合金微观结构和屈服强度的无损评估。
基于传统超声技术的优势，激光超声技术进一步扩展了这些能力，实现了非接触式测量和更宽的可用带宽。当脉冲激光照射材料表面时，热膨胀或烧蚀会产生多种超声模式，包括纵波、剪切波、表面波和导波[8]、[9]。通过分析波的传播特性可以获取关于微观结构和力学状态的信息。例如，Yin[10]使用脉冲激发散射激光超声技术测量了BCC单晶中的表面声波角度色散；Garcin等人[11]、[12]、[13]对纯钛、Ti-6Al-4V和Inconel 718的晶粒尺寸进行了原位激光超声测量；Zhu等人[14]建立了7055铝合金中沉淀物尺寸与超声衰减之间的定量关系，揭示了微观结构对波衰减的显著影响。
此外，最近的研究表明，非线性超声参数也与晶粒尺寸和力学性能相关。虽然非线性超声技术传统上用于检测疲劳、蠕变、热老化和塑性变形损伤[15]、[16]、[17]，但新兴研究显示它对位错密度、沉淀物和相变等微观结构因素也很敏感。一些研究表明，晶粒生长会导致非线性超声响应和硬度的降低[18]。
在本研究中，利用晶粒散射引起的超声衰减来表征晶粒尺寸，并采用Hall–Petch关系将晶粒尺寸与屈服强度关联起来。通过整合这两种机制，开发了一个无损模型来预测TA2钛的屈服强度。构建表征模型的整个过程如图1所示。通过调整热处理参数制备了具有不同微观结构的样品，随后进行金相分析、拉伸测试和激光超声测量。从微观结构图像中量化平均晶粒尺寸，并通过单轴拉伸试验获得相应的屈服强度。对超声信号进行去噪处理以提取每个样品的衰减系数。通过超声衰减间接表征晶粒尺寸，然后利用Hall–Petch方程建立衰减与屈服强度之间的关系。基于此，建立了一个适用于TA2钛的屈服强度预测模型。
实验部分
热处理实验
初始材料为冷轧TA2钛板（含Ti 99.5 wt%），厚度约为3 mm。将其切割成10个尺寸为80 × 68 × 3 mm3的样品，并在ZK-16QX-1400TP箱式炉（北京中科北仪科技有限公司）中进行等温热处理。保温温度设定为800 °C，低于β转变温度（882 °C）[19]，保温时间分别为0.5、1、2、4和8小时。空气中冷却的样品分别标记为A1#至A5#。
晶粒散射机制简介
在多晶材料中，超声波的衰减主要由两种机制控制：吸收和散射。因此，总衰减系数α可以表示为吸收衰减系数（αa）和散射衰减系数（αs）的组合：
在这些机制中，散射损失在多晶固体中占主导地位，因为超声波与晶粒和界面相互作用。而吸收衰减通常要小得多。
微观结构
每个样品的平均晶粒尺寸是使用ImageJ软件根据图2所示的微观结构图像通过截距法确定的，结果如图4所示。所有样品的平均晶粒尺寸范围在38–55 μm之间。在每个保温时间点，水淬样品的晶粒尺寸始终小于空气冷却样品。例如，在样品1（保温时间：0.5小时）中，平均晶粒尺寸分别为38.29 μm和44.32 μm。
结论
本研究证明了利用激光超声无损评估热处理TA2钛的微观结构演变和预测其屈服强度的可行性。通过将基于衰减的超声表征与Hall–Petch关系相结合，建立了一个实用的定量框架来评估力学性能。主要贡献总结如下：
(1) 建立了连接晶粒尺寸、超声衰减和屈服强度的关联模型
作者贡献声明
Xing Mao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件开发，方法论，数据分析。
Xiaochen Wang：指导，资金获取。
Quan Yang：指导，资源提供。
Jingdong Li：指导，软件开发，方法论。
Yanjie Zhang：指导，数据分析。
Wenjun Gao：方法论，数据分析。
Yingying Meng：软件开发。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢中国国家重点研发计划（项目编号2023YFB3712400）提供的财务支持。
