徐 娜，許路路，史亦韋，何方成

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán) 材料檢測與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

粉末高溫合金材料具有成分均勻、無宏觀偏析、熱加工性能好、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制造先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵轉(zhuǎn)動零件[1]，但由于粉末冶金的工藝特點(diǎn)，粉末高溫合金材料中可能會存在微小夾雜物，而粉末冶金制成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動件主要應(yīng)用于高溫、高應(yīng)力環(huán)境，即使存在微小的缺陷(0.1 mm)也會嚴(yán)重影響零件的安全性能。

目前主要采用超聲水浸多區(qū)聚焦檢測技術(shù)[2-3]對有高靈敏度檢測需求的大厚度粉末高溫合金零件進(jìn)行檢測，即采用多個(gè)不同焦距的水浸聚焦探頭分別覆蓋一個(gè)深度區(qū)域，使零件整個(gè)深度范圍均在探頭聚焦區(qū)內(nèi)，保證全深度范圍內(nèi)微缺陷的檢測靈敏度和信噪比，可檢出φ0.4 mm-18 dB平底孔當(dāng)量的缺陷。

隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相控陣超聲成為近年來無損檢測技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，包括基于實(shí)時(shí)成像的常規(guī)相控陣超聲檢測技術(shù)和相控陣超聲后處理成像技術(shù)[4-5]。采用的陣列探頭由一組相互獨(dú)立的壓電晶片組成，改變不同陣元晶片的形狀和排列方式，可設(shè)計(jì)出一維線陣、二維面陣、環(huán)形陣列等多種類型的探頭，其中，環(huán)形陣列探頭的聲場呈完全軸對稱分布[6]，具有優(yōu)越的軸向聚焦能力，能由較少數(shù)量的陣元在中心軸線上形成高分辨率的聚焦聲場，較符合粉末高溫合金材料的高靈敏度檢測要求。

基于超聲環(huán)形陣列的常規(guī)相控陣超聲檢測技術(shù)通過控制發(fā)射的延遲時(shí)間將聲束聚焦于某一深度位置，會使得不同深度聲場的分布不均勻，存在檢測靈敏度和信噪比波動大等問題[7]。相控陣超聲后處理成像技術(shù)采用離線計(jì)算的方式對采集的全矩陣超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理成像，一次數(shù)據(jù)采集即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對聲束可達(dá)區(qū)域內(nèi)各個(gè)位置的聚焦檢測，其中全聚焦成像方法就是一種最常用的相控陣超聲后處理方法[8-9]。根據(jù)超聲環(huán)形陣列在三維空間內(nèi)可沿軸向聚焦的特點(diǎn)，采用全聚焦成像的數(shù)據(jù)后處理方法，一次數(shù)據(jù)采集即可在探頭中心軸線上實(shí)現(xiàn)足夠多的虛擬聚焦，最大化地提高聚焦點(diǎn)數(shù)量[10]。因此，筆者提出采用全聚焦成像方法來對粉末高溫合金中微小缺陷進(jìn)行檢測。

1 環(huán)形陣列的聲場分布

超聲陣列探頭的聲束合成性能直接影響超聲回波信號的幅值和信噪比。筆者采用CIVA軟件分析研究了超聲線陣、環(huán)形陣列探頭的三維聲場能量分布特點(diǎn)。

頻率為10 MHz、陣元晶片個(gè)數(shù)為32、陣元間距為0.6 mm的線形陣列探頭聚焦于40 mm深度位置時(shí)的聲場分布如圖1所示，可見超聲線陣探頭在沿陣元排列方向上聲束聚焦能力很強(qiáng)，但在沿陣元寬度方向上聲束沒有形成聚焦。頻率為10 MHz、陣元晶片個(gè)數(shù)為14的環(huán)形陣列探頭聚焦于40 mm深度位置時(shí)的聲場分布如圖2所示，由于環(huán)形陣列探頭的陣元晶片是軸對稱的，沿中心軸線上的主瓣能量分布非常集中，采用較少的陣元晶片便可表現(xiàn)出極為優(yōu)越的聲場聚焦特性，因此很適合粉末高溫合金材料的高靈敏度檢測。

圖1 線陣探頭的聲場分布

圖2 環(huán)形陣列探頭的聲場分布

通常使用超聲環(huán)形陣列探頭，基于相控陣多深度聚焦檢測技術(shù)，設(shè)置聚焦延遲法則使同一環(huán)形陣列發(fā)射的聲束分別聚焦于不同深度的位置，以代替多個(gè)不同焦距的常規(guī)水浸聚焦探頭，從而實(shí)現(xiàn)粉末高溫合金材料的C掃描檢測[7]。通過CIVA仿真軟件模擬環(huán)形陣列探頭不同聚焦深度時(shí)的聲場分布。當(dāng)聚焦深度較淺時(shí)，聲場能量高度集中在較小的焦區(qū)內(nèi)，而在該聚焦深度范圍外聲束會明顯發(fā)散，但隨著聚焦深度的增加，聲場聚焦效果逐漸下降，焦柱的軸向長度會逐漸增加。圖3為環(huán)形陣列探頭聚焦于20，50,90 mm深度時(shí)的聲場分布。采用多深度聚焦檢測方法時(shí)，對于深度較淺的缺陷，當(dāng)其深度接近于聚焦深度時(shí)，會表現(xiàn)出極好的檢測靈敏度和信噪比，而遠(yuǎn)離聚焦深度位置的缺陷，其檢測靈敏度和信噪比會顯著下降。這說明該技術(shù)存在檢測靈敏度和信噪比波動大的問題，還可能會導(dǎo)致缺陷漏檢。

圖3 不同聚焦深度下環(huán)形陣列探頭的聲場分布

為了解決上述問題，在實(shí)際檢測時(shí)只能設(shè)置較多的聚焦深度，而過多的聚焦深度會降低采集的重復(fù)頻率，進(jìn)而影響檢測效率，因此，文章提出采用全矩陣捕捉法采集數(shù)據(jù)，并基于全聚焦成像的數(shù)據(jù)后處理方法，以最大化提高在探頭軸線方向上的聚焦點(diǎn)數(shù)量。

2 環(huán)形陣列的全聚焦成像算法

采用一個(gè)包含N個(gè)陣元晶片的環(huán)形陣列探頭采集一組全矩陣數(shù)據(jù)(見圖4)，首先激勵(lì)環(huán)形陣列探頭中第1號陣元晶片，并讓探頭中所有陣元晶片并行接收，將采集的回波數(shù)據(jù)定義為S1,r，其中r=1,2,…,N，共采集到N組數(shù)據(jù)；然后按照上述采集步驟，依次激勵(lì)環(huán)形陣列探頭中各個(gè)陣元晶片，共可獲得N×N組回波數(shù)據(jù)，定義為St,r，其中t=1,2,…,N。由于環(huán)形陣列探頭的陣元晶片數(shù)量較少，全矩陣數(shù)據(jù)采集所消耗的時(shí)間和采集的數(shù)據(jù)量都遠(yuǎn)小于其他類型陣列探頭的。

圖4 超聲環(huán)形陣列的全矩陣數(shù)據(jù)采集示意

依次根據(jù)探頭中心軸線上每個(gè)離散聚焦點(diǎn)的傳播時(shí)間，從全矩陣數(shù)據(jù)中提取對應(yīng)時(shí)刻的幅值并進(jìn)行疊加，即可獲得沿探頭軸線方向上不同深度聚焦點(diǎn)的成像信息。超聲環(huán)形陣列的全聚焦成像算法示意如圖5所示，在成像過程中，對于被測區(qū)域中某一聚焦點(diǎn)(0,z)的幅值可表示為

圖5 超聲環(huán)形陣列的全聚焦成像算法示意

式中:tt,r(0,z)為聲波從第t號陣元傳播到(0,z)，再被r號陣元接收所用的傳播時(shí)間。

該傳播時(shí)間可表示為

tt,r(0,z)=

式中：cw為耦合層(水或楔塊)中的聲速;cs為試樣中的聲速;xt為第t號激勵(lì)陣元的位置;xr為第r號接收陣元的位置;xm為發(fā)射聲波在耦合層-試樣界面的折射點(diǎn)位置;xn為接收聲波在耦合層-試樣界面的折射點(diǎn)位置；h為耦合層的高度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)條件

采用M2M公司的PANTHER型相控陣超聲檢測設(shè)備，并配合自主研制的超聲水浸檢測系統(tǒng)，對一組不同埋深的φ0.4 mm平底孔粉末高溫合金對比試塊進(jìn)行檢測，試塊埋深分別為1.52，3.20，6.35，12.70，19.05，31.75，44.45，57.15，63.50，76.20，88.90，101.60 mm。試驗(yàn)驗(yàn)證了全聚焦成像方法的檢測能力，并與常規(guī)相控陣超聲多深度聚焦檢測方法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。試驗(yàn)采用IMASONIC公司生產(chǎn)的超聲環(huán)形陣列探頭，中心頻率為10 MHz，陣元晶片為14個(gè)，有效晶片直徑為32 mm。

3.2 檢測靈敏度

在上述粉末高溫合金平底孔對比試塊上，分別采用全聚焦成像方法和多深度聚焦檢測方法開展檢測靈敏度試驗(yàn)。全聚焦成像方法的聚焦點(diǎn)間隔為0.1 mm，多深度聚焦檢測方法采用了2種聚焦法則，其中法則1的聚焦起點(diǎn)為10 mm、聚焦終點(diǎn)為100 mm，聚焦點(diǎn)間隔為15 mm，共計(jì)7個(gè)聚焦深度；法則2的聚焦起點(diǎn)為10 mm、聚焦終點(diǎn)為100 mm，聚焦點(diǎn)間隔為10 mm，共計(jì)10個(gè)聚焦深度。

不同檢測靈敏度埋深為89 mm的φ0.4 mm平底孔的全聚焦成像結(jié)果如圖6所示。通過試驗(yàn)可知，采用全聚焦成像方法對埋深為6.35，12.70，19.05，31.75，44.45，57.15，63.50，76.20，88.90，101.60 mm的平底孔進(jìn)行檢測，均能達(dá)到φ0.4 mm+18 dB的檢測靈敏度。

圖6 不同檢測靈敏度埋深為89 mm的φ0.4 mm平底孔的全聚焦成像結(jié)果

將全聚焦成像方法和多深度聚焦檢測方法進(jìn)行對比，分別記錄下不同埋深平底孔缺陷在反射信號幅值達(dá)到80%波高時(shí)所需要的增益，繪制成檢測靈敏度曲線(見圖7)。由圖7可見，采用多深度聚焦檢測方法，當(dāng)聚焦深度為7個(gè)時(shí)，檢測靈敏度一致性波動較大，但當(dāng)聚焦深度增加到10個(gè)時(shí)，檢測靈敏度的一致性得到有效改善；采用全聚焦成像方法得到的增益變化曲線十分平穩(wěn)，檢測結(jié)果表現(xiàn)出很高的靈敏度一致性。

圖7 3種檢測方法的檢測靈敏度曲線

3.3 信噪比

對于高靈敏度檢測，噪聲信號會較為明顯，因此，在φ0.4 mm平底孔當(dāng)量靈敏度下增加18 dB，記錄噪聲水平，進(jìn)一步評價(jià)檢測信噪比。采用全聚焦成像方法在φ0.4 mm+18 dB的檢測靈敏度下，除埋深為101.60 mm平底孔缺陷的噪聲為35%外，其余均為5%～20%，各平底孔的信噪比如表1所示。3種檢測方法的信噪比變化曲線如圖8所示，可見，多深度聚焦檢測方法的信噪比波動也較大，當(dāng)聚焦深度為7個(gè)時(shí)，信噪比為10.0～21.2 dB;當(dāng)聚焦深度為10個(gè)時(shí)，信噪比為7.2～32.0 dB。在信噪比方面，全聚焦成像方法與多深度聚焦檢測方法基本相當(dāng)，在φ0.4 mm+18 dB的檢測靈敏度下，二者均滿足信噪比不小于6 dB的要求。

表1 φ 0.4 mm+18 dB靈敏度下各平底孔全聚焦成像的信噪比

圖8 3種檢測方法的信噪比變化曲線

3.4 近表面分辨力

相控陣超聲檢測的近表面分辨力普遍較差，這是因?yàn)殛嚵刑筋^多個(gè)陣元晶片發(fā)射和接收時(shí)不同步，進(jìn)而界面反射回波信號到達(dá)探頭的時(shí)間不一致，在時(shí)基線上占寬較大，從而造成近表面缺陷回波與界面回波發(fā)生混疊，出現(xiàn)較大的近表面盲區(qū)。

分別對埋深為1.52,3.20,6.35 mm的φ0.4 mm平底孔進(jìn)行全聚焦成像檢測，在φ0.4 mm檢測靈敏度下，使埋深為6.35 mm平底孔的回波信號達(dá)到滿量程為80%時(shí)，與其相鄰界面回波的相交處信號不大于滿量程的20%，可以與界面回波明顯區(qū)分，而埋深1.52和3.20 mm的平底孔則無法分辨。采用上述多深度聚焦檢測方法，聚焦于第一分區(qū)(即10 mm深度位置)時(shí)，結(jié)果顯示3個(gè)不同埋深的平底孔均難以分辨。

為了改善相控陣超聲檢測的近表面分辨力，文獻(xiàn)[7]提出了一種變孔徑的聚焦法則，即在檢測近表面區(qū)域時(shí)采用較少的陣元晶片。因此，文中提出變孔徑的超聲環(huán)形陣列全聚焦成像方法，即選擇環(huán)形陣列探頭中部分陣元的全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理成像計(jì)算。

采用超聲環(huán)形陣列探頭中第1～6號陣元對上述3個(gè)不同埋深的平底孔進(jìn)行全聚焦成像和多深度聚焦檢測。埋深為3.2 mm平底孔的變孔徑全聚焦成像結(jié)果如圖9所示，可見，全聚焦成像方法可以發(fā)現(xiàn)3.2 mm埋深的平底孔缺陷，且檢測靈敏度可提高到φ0.4 mm+18 dB，近表面分辨力有所改善，但1.52 mm埋深的平底孔仍不能分辨。多深度聚焦檢測方法的近表面分辨力也有所提高，可發(fā)現(xiàn)埋深為3.2 mm的平底孔缺陷，但當(dāng)檢測靈敏度增加到為φ0.4 mm+12 dB時(shí)，該平底孔信號已不能與界面回波區(qū)分。由試驗(yàn)結(jié)果可見，全聚焦成像方法的近表面分辨力明顯優(yōu)于多深度聚焦檢測方法的。

圖9 埋深為3.2 mm平底孔的變孔徑全聚焦成像結(jié)果

4 結(jié)語

超聲環(huán)形陣列全聚焦成像技術(shù)可以滿足粉末高溫合金材料φ0.4 mm+18 dB的高靈敏度檢測要求，與常規(guī)相控陣多深度聚焦檢測方法相比，在靈敏度一致性、近表面分辨力等方面具有顯著優(yōu)勢，可為粉末高溫合金零件檢測提供一種可行的技術(shù)方案。