楊平華， 梁 菁， 王 錚， 高祥熙

(1. 北京航空材料研究院，北京100095;2. 航空材料檢測與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095;3. 中航(試金石)檢測科技有限公司，北京100095)

發(fā)動(dòng)機(jī)盤件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，往往要在高溫、高速、高負(fù)荷等惡劣環(huán)境中工作，在制造過程中產(chǎn)生的裂紋等缺陷，會(huì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行造成重大威脅［1～3］。如何準(zhǔn)確而有效地檢測出航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤件中的裂紋類缺陷，引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。然而，盤件裂紋的超聲檢測仍存在諸多問題。首先，盤件中的裂紋往往垂直于端面延伸，而超聲波聲束多從端面入射進(jìn)行檢測，裂紋取向不利于檢測;其次，針對(duì)開口裂紋，通常采用體波、縱波、表面波、背散射共振和模式轉(zhuǎn)換等裂紋尖端反射技術(shù)進(jìn)行檢測［4～7］，然而，裂紋尖端對(duì)于聲波的吸收和散射明顯，而反射較弱，因此采用裂紋尖端反射技術(shù)難以準(zhǔn)確檢測裂紋［8，9］;另外，實(shí)際盤件中產(chǎn)生的裂紋多為閉合裂紋，尺寸小，閉合緊，聲波對(duì)裂紋反應(yīng)不敏感，從而降低了檢測的可靠性。

國內(nèi)外研究者在裂紋的超聲檢測方面進(jìn)行了大量研究，并取得了一定成果。車俊鐵等［10］設(shè)計(jì)制作試塊研究了不同構(gòu)件中裂紋寬度、深度以及取向?qū)Τ暡z測的影響;莫潤陽［11］等采用小角度縱波技術(shù)，在30CrMSiA 鋼試樣表面上制作高度為1. 5 ～8mm 的小裂紋進(jìn)行檢測試驗(yàn)，證明該方法可提高超聲對(duì)疲勞小裂紋的反應(yīng);Ahmed［12］等采用超聲小角度檢測方法對(duì)不加載情況下的微小閉口裂紋進(jìn)行了定量檢測，結(jié)果表明該方法對(duì)于近表面及底面的開口及閉合裂紋均具有良好的檢測效果。但是，以上研究僅針對(duì)于人工制作的模擬裂紋缺陷，且大多尚在實(shí)驗(yàn)室研究階段，研究結(jié)果是否適用于實(shí)際盤件上的自然裂紋尚不確定;同時(shí)，上述研究大都采用脈沖反射法，仍難以克服裂紋反射信號(hào)弱的問題。本研究則通過監(jiān)控裂紋對(duì)底面反射回波幅度的影響，針對(duì)實(shí)際盤件加工過程中發(fā)現(xiàn)的徑軸向裂紋進(jìn)行檢測試驗(yàn)和數(shù)值模擬，優(yōu)化了聲束入射角度以及探頭參數(shù)等重點(diǎn)參數(shù)，取得了良好的效果。

1 試驗(yàn)裝置及方法

本研究的試驗(yàn)對(duì)象為圖1a 所示的鎳基高溫合金GH4169 盤件，在該盤件(厚度19mm)內(nèi)緣發(fā)現(xiàn)了5 條徑軸向裂紋。經(jīng)體視顯微鏡觀察，裂紋①～⑤的高度分別為5.7mm，5.1mm，4.6mm，4.2mm 和3.7mm，寬度約為0.06mm，圖1b 給出了裂紋分布及取向的局部放大圖。

試驗(yàn)采用LS-200-LP 超聲水浸C 掃描系統(tǒng)進(jìn)行，該設(shè)備具有六軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可對(duì)探頭角度進(jìn)行連續(xù)和精確的調(diào)整。采用小角度縱波斜入射底波監(jiān)控法進(jìn)行裂紋檢測，檢測示意圖見圖2。圖中a、b、c 分別為不同聲束入射角度下的超聲波聲束路徑。探頭在調(diào)定的入射角度下，與盤件端面保持一定的水程并沿圓周方向進(jìn)行掃查，將閘門置于第一次底面反射回波位置，通過比較不同部位底反射信號(hào)幅度的變化來判斷缺陷情況。分別采用不同入射角度、不同頻率的平探頭和聚焦探頭，將焦點(diǎn)(或N點(diǎn)，N 為探頭近場長度)置于盤件表面及內(nèi)部不同深度，進(jìn)行檢測參數(shù)的優(yōu)化。試驗(yàn)所使用的探頭參數(shù)見表1。

圖1 試驗(yàn)對(duì)象 (a)盤件實(shí)物照片;(b)盤件內(nèi)緣徑軸向裂紋分布及取向局部放大圖Fig.1 Experimental disk (a)photo of experimental disk;(b)detail view of the cracks in the inner edge of the disk

圖2 檢測示意圖Fig.2 Schematic of the ultrasonic testing configuration

表1 試驗(yàn)所用探頭參數(shù)Table 1 Parameters of the used probes

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聲束入射角度的優(yōu)化

小角度縱波一般指在第二介質(zhì)中折射角小于15°的縱波，由于其獨(dú)特的傳播特點(diǎn)，被用于檢測奧氏體不銹鋼小裂紋［4］、鋁合金膠接界面的緊粘型脫粘［13］，以及支柱瓷絕緣子裂紋等缺陷［8］。為了提高超聲波信號(hào)對(duì)裂紋的敏感程度，在此主要采用小角度縱波底波監(jiān)控方法進(jìn)行檢測，使用3#探頭，通過調(diào)整水程距離使焦點(diǎn)落于盤件表面，并改變探頭角度，使聲束分別以0°，1°，2°，3°入射，試驗(yàn)確定最佳聲束入射角度。C 掃描圖像見圖3。

圖3 不同聲束入射角度下的底波監(jiān)控C 掃描圖像Fig.3 C-scan images of back-wall echo monitoring method with different incidence angles(a)0°;(b)1°;(c)2°;(d)3

由圖3 可見，聲束垂直入射時(shí)，在C 掃描圖像上只能觀察到輕微異常，這在實(shí)際檢測中并不能作為缺陷判定的依據(jù);隨著入射角度的增大，裂紋顯示逐漸清晰，當(dāng)聲束入射角為2°(在盤件中的折射角約為8°)時(shí)，5 條裂紋均清晰可見，檢測效果最佳;當(dāng)繼續(xù)增大入射角至3°時(shí)，裂紋成像畸變嚴(yán)重，距離較近的裂紋邊緣有重疊。分析認(rèn)為，垂直入射時(shí)，主聲束如圖2 中的聲線a 所示，由于裂紋取向不利，導(dǎo)致超聲波信號(hào)對(duì)裂紋的反應(yīng)不敏感。當(dāng)入射角為2°時(shí)，主聲束如圖2 中的聲線b 所示，正好到達(dá)裂紋中部，由于聲束具有一定寬度，使得折射聲束同時(shí)到達(dá)裂尖和裂根處，裂尖和裂根對(duì)超聲波束同時(shí)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致底波變化明顯;繼續(xù)增大入射角時(shí)，聲束折射角也隨之增大(圖2 中聲線c)，大角度的折射聲束經(jīng)裂紋反射后，在傳播路徑上很容易受到附近其它裂紋的影響，從而導(dǎo)致成像效果變差。以上結(jié)果與Ahmed［4］等的研究結(jié)果取得了良好的一致性。

為了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，使用與試驗(yàn)過程完全一致的參數(shù)，采用超聲波模擬軟件CIVA模擬了裂紋對(duì)超聲波的響應(yīng)情況。分別在盤件近上表面、中間以及近下表面位置放置三個(gè)高度為5mm、延伸方向垂直于盤件端面的裂紋，對(duì)不同位置底面反射回波幅度的變化情況進(jìn)行了模擬，得到的C 掃描圖像如圖4 所示。由聲束垂直入射時(shí)的底波監(jiān)控C 掃描模擬結(jié)果(圖4a)可見，不同位置的裂紋并未引起底波的明顯變化;當(dāng)聲束2°入射(圖4b)時(shí)，上、中、下三個(gè)位置的裂紋均對(duì)底波幅度產(chǎn)生了影響，近下表面裂紋處變化最為明顯，而近上表面裂紋的檢測效果相對(duì)較差。由數(shù)值模擬結(jié)果可見，小角度縱波斜入射底波監(jiān)控方法較垂直入射具有更好的檢測效果，這與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

圖4 不同入射角度下、不同位置裂紋的底波監(jiān)控?cái)?shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of back-wall echo monitoring method with different incidence angle and crack location(a)0°;(b)2°

值得注意的一個(gè)特殊現(xiàn)象是，無論試驗(yàn)還是數(shù)值模擬結(jié)果中，在聲束以2°入射角進(jìn)行縱波斜入射檢測時(shí)，裂紋附近的底波幅度均呈先增大后減小的變化趨勢，為了解釋這一現(xiàn)象，分別對(duì)圖4b中A，B，C 三個(gè)位置的聲束傳播路徑進(jìn)行了數(shù)值模擬。由圖5 的模擬結(jié)果可見，在無裂紋處，聲束以8°折射角到達(dá)盤件底面后被直接反射回盤件表面，將有部分聲波無法被探頭接收(圖5a);探頭向靠近裂紋的方向移動(dòng)到一定位置后，聲束經(jīng)底面反射后遇到裂紋形成端角反射，最終以平行于折射聲束的方向返回探頭被接收(圖5b)，使得B 位置的底波幅度反而高于無裂紋處;探頭繼續(xù)前移至C 位置，折射聲束首先到達(dá)裂尖，由于裂尖對(duì)聲波的吸收和散射強(qiáng)、反射弱，本身就很弱的裂尖反射信號(hào)又經(jīng)底面反射后才返回探頭，從而使C 位置的底波幅度降低(圖5c)。

圖5 縱波小角度斜入射不同位置聲束路徑數(shù)值模擬結(jié)果 (a)A 位置;(b)B 位置;(c)C 位置Fig.5 Simulation results of the beam paths at different position of small angle incidence longitudinal wave(a)point A;(b)point B;(c)point C

2.2 探頭參數(shù)的優(yōu)化

探頭的選擇往往會(huì)對(duì)檢測效果產(chǎn)生舉足輕重的影響。為了進(jìn)一步改善檢測效果，分別使用表1 所列的4個(gè)超聲波探頭，將焦點(diǎn)(或N 點(diǎn))置于盤件表面，以最佳聲束入射角度(2°)入射進(jìn)行裂紋的檢測。通過不同參數(shù)探頭檢測效果的比較，進(jìn)行探頭參數(shù)的優(yōu)化。不同探頭得到的C 掃描圖像見圖6。

圖6 不同探頭的底波監(jiān)控C 掃描成像 (a)1#探頭(5MHz 平探頭);(b)2#探頭(5MHz 聚焦探頭);(c)3#探頭(10MHz 聚焦探頭，焦距89mm);(d)4#探頭(10MHz 聚焦探頭，焦距200mm)Fig.6 C-scan images of back-wall echo monitoring method with different probes (a)1#(flat probe，f =5MHz);(b)2#(focus probe，f =5MHz);(c)3#(focus probe，f =10MHz，F(xiàn) =89mm);(d)4#(focus probe，f =10MHz，F(xiàn) =200mm)

由圖6a、b 比較可見，相同頻率下，使用聚焦探頭的成像分辨力優(yōu)于平探頭，因此應(yīng)優(yōu)先選用聚焦探頭進(jìn)行檢測。同為聚焦探頭的圖6b，c，d 圖相比較，焦距為89mm 的10MHz 聚焦探頭檢測效果最佳。分析認(rèn)為，與5MHz 聚焦探頭相比，該探頭頻率更高、焦點(diǎn)直徑更小，從而提高了檢測靈敏度;另外，該探頭的檢測效果優(yōu)于焦距為200mm 的10MHz 聚焦探頭，可能是由于兩探頭的焦距及晶片直徑不同導(dǎo)致聚焦聲場的差異引起的，具體原因仍有待于進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

3 結(jié)論

(1)采用小角度縱波斜入射底波監(jiān)控方法可有效檢出實(shí)際盤件中的5 條徑軸向裂紋(其中尺寸最小的裂紋高度為3.7mm，寬度0.06mm)，檢測效果優(yōu)于傳統(tǒng)的聲束直入射底波監(jiān)控方法;

(2)對(duì)于試驗(yàn)所用盤件上的徑軸向裂紋，采用焦距為89mm 的10MHz 聚焦探頭，使聲束以2°入射可得到最佳檢測效果;

(3)小角度縱波斜入射底波監(jiān)控C 掃描圖像中，裂紋位置附近底波幅度先增大后減小，是由于不同部位的聲束傳播路徑不同從而導(dǎo)致聲波反射情況不同引起的。

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