沉淀硬化不銹鋼按鋼內金相組織形態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、塑性及韌性優良等特點,因此航運交通、航空航天工程、核工業等領域常將其作為關鍵零部件的材料[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現軸身處常出現大面積條狀、片狀磁痕顯示[4],經滲透檢測該區域未形成類似痕跡,但是大面積磁痕顯示會造成熒光磁粉檢測結果的信噪比大幅下降,甚至會導致細小相關顯示的漏判,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。據資料顯示,針對17-4PH不銹鋼材料部件的無損檢測,相關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評估核電廠17-4PH不銹鋼隔離閥閥桿熱老化脆化問題,結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,發現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生的氫脆裂紋,其研究有效避免了不合格產品的流轉。褚英杰等[7]建立了神經網絡方法對17-4PH不銹鋼熱老化的磁參數進行無損評估,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,通過試驗優化探頭設計參數；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,線圈內電流it產生激勵磁場H0,當線圈靠近輪軸表面并發生相對運動時,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在輪軸中產生與激勵磁場H0方向相反的感應磁場Hx。根據電磁感應定律,無缺陷時線圈內的磁場強度矢量和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系特性即可分析輪軸中是否存在材料不連續[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及其代數表達式為 

式中：R為電阻；X為電抗。 

據上述分析可知阻抗Z受檢測工藝參數、待檢材料連續性的綜合因素影響,其變化規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Pc發生變化時,其阻抗沿實線方向變動；當特征參數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Pc數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和調試檢測工藝參數改善渦流檢測效果[10]。 

圖  2  特征參數Pc的阻抗圖與線圈結構示

2.   試驗過程及結果分析

2.1   磁痕顯示分析

現場采用熒光磁粉檢測技術對17-4PH不銹鋼輪軸進行檢測時出現類似于裂紋顯示的大面積磁痕,如圖3所示。采用滲透檢測技術對出現磁痕的位置進行復驗,結果如圖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,采用電鏡掃描技術進行組織分析,100倍放大倍數下的組織圖像如圖5所示,表明該區域內存在大量帶狀組織,繼續放大圖像如圖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   探頭結構設計

根據統計分析可知,帶狀鐵素體常以區域的形式出現并且邊界變化緩慢,造成了該區域內材料磁導率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,則該區域內會出現大量信號噪聲,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對輪軸開展檢測試驗。其四個通道采用脈沖信號控制發射/接收順序,差分線圈構成兩個電橋橋臂,電橋平衡時輸出電壓為零,當阻抗發生變化時,電橋失去平衡,輸出電壓不為零,因此可通過監測輸出電壓的變化判斷構件是否存在不連續[11]。 

2.3   線圈參數優化

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,分析不同參數的線圈空間磁場強度分布和數值變化,設定線圈內徑r分別為0.5,1.0,1.5 mm,線圈匝數、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,其余各項參數如表1所示,正弦激勵信號頻率f為100 kHz。 

仿真得到不同內徑線圈的磁場分布如圖7所示,可知隨著內徑增加,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區域內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域為線圈內壁,線圈內徑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值并繪制成曲線,如圖8所示,可知線圈內徑r與鋼板不同深度處的磁場強度H軸呈正比。 

圖  7  不同內徑線圈的磁場強度分布

圖  8  不同內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域的埋深缺陷,則需要增加線圈內徑,提升工件內磁場強度。輪軸作為關鍵部件,其表面不允許存在夾雜、裂紋、折疊等影響使用的缺陷,因此內徑為0.5 mm的線圈最合適,但實際檢測中內徑為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,文章選擇內徑為1.0 mm的線圈制作渦流探頭。 

2.4   檢測工藝參數優化

由特征參數公式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優化激勵頻率,采用上述論證得出的探頭結構及線圈參數構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,提取仿真檢測數值繪制成曲線,結果如圖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系

2.5   探頭開發制作

根據上述試驗數據,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。該結構能使得線圈與輪軸曲面產生良好耦合,排除剛性接觸產生的提離效應。邊框側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生的阻抗干擾。經測算,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域和非帶狀鐵素體區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,檢測結果如圖11,12所示。 

圖  11  輪軸非帶狀鐵素體區域檢測結果

圖  12  輪軸帶狀鐵素體區域檢測結果

由圖11,12可知,在非帶狀鐵素體區域可對尺寸（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。 

分析兩區域的渦流檢測結果可知,多通道渦流檢測技術可針對17-4PH不銹鋼輪軸各區域進行有效檢測,帶狀鐵素體區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域內材料變化帶來的阻抗干擾,并且針對材料連續性劇烈變化的微小區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徑呈正比。

（4）一定范圍內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,渦流檢測技術有效避免了帶狀鐵素體的干擾,實現了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