航空發動機盤件徑軸向裂紋底波監控超聲檢測方法研究

楊平華， 梁 菁， 王 錚， 高祥熙

(1. 北京航空材料研究院，北京100095;2. 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京100095;3. 中航(試金石)檢測科技有限公司，北京100095)

發動機盤件是航空發動機的關鍵部件之一，往往要在高溫、高速、高負荷等惡劣環境中工作，在制造過程中產生的裂紋等缺陷，會對航空發動機的安全運行造成重大威脅［1～3］。如何準確而有效地檢測出航空發動機盤件中的裂紋類缺陷，引起了國內外研究者的廣泛關注。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行檢測，裂紋取向不利于檢測;其次，針對開口裂紋，通常采用體波、縱波、表面波、背散射共振和模式轉換等裂紋尖端反射技術進行檢測［4～7］，然而，裂紋尖端對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難以準確檢測裂紋［8，9］;另外，實際盤件中產生的裂紋多為閉合裂紋，尺寸小，閉合緊，聲波對裂紋反應不敏感，從而降低了檢測的可靠性。

國內外研究者在裂紋的超聲檢測方面進行了大量研究，并取得了一定成果。車俊鐵等［10］設計制作試塊研究了不同構件中裂紋寬度、深度以及取向對超聲波檢測的影響;莫潤陽［11］等采用小角度縱波技術，在30CrMSiA 鋼試樣表面上制作高度為1. 5 ～8mm 的小裂紋進行檢測試驗，證明該方法可提高超聲對疲勞小裂紋的反應;Ahmed［12］等采用超聲小角度檢測方法對不加載情況下的微小閉口裂紋進行了定量檢測，結果表明該方法對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，以上研究僅針對于人工制作的模擬裂紋缺陷，且大多尚在實驗室研究階段，研究結果是否適用于實際盤件上的自然裂紋尚不確定;同時，上述研究大都采用脈沖反射法，仍難以克服裂紋反射信號弱的問題。本研究則通過監控裂紋對底面反射回波幅度的影響，針對實際盤件加工過程中發現的徑軸向裂紋進行檢測試驗和數值模擬，優化了聲束入射角度以及探頭參數等重點參數，取得了良好的效果。

1 試驗裝置及方法

本研究的試驗對象為圖1a 所示的鎳基高溫合金GH4169 盤件，在該盤件(厚度19mm)內緣發現了5 條徑軸向裂紋。經體視顯微鏡觀察，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。

試驗采用LS-200-LP 超聲水浸C 掃描系統進行，該設備具有六軸運動控制系統，可對探頭角度進行連續和精確的調整。采用小角度縱波斜入射底波監控法進行裂紋檢測，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(或N點，N 為探頭近場長度)置于盤件表面及內部不同深度，進行檢測參數的優化。試驗所使用的探頭參數見表1。

圖1 試驗對象 (a)盤件實物照片;(b)盤件內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 試驗所用探頭參數Table 1 Parameters of the used probes

2 試驗結果與分析

2.1 聲束入射角度的優化

小角度縱波一般指在第二介質中折射角小于15°的縱波，由于其獨特的傳播特點，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對裂紋的敏感程度，在此主要采用小角度縱波底波監控方法進行檢測，使用3#探頭，通過調整水程距離使焦點落于盤件表面，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，在C 掃描圖像上只能觀察到輕微異常，這在實際檢測中并不能作為缺陷判定的依據;隨著入射角度的增大，裂紋顯示逐漸清晰，當聲束入射角為2°(在盤件中的折射角約為8°)時，5 條裂紋均清晰可見，檢測效果最佳;當繼續增大入射角至3°時，裂紋成像畸變嚴重，距離較近的裂紋邊緣有重疊。分析認為，垂直入射時，主聲束如圖2 中的聲線a 所示，由于裂紋取向不利，導致超聲波信號對裂紋的反應不敏感。當入射角為2°時，主聲束如圖2 中的聲線b 所示，正好到達裂紋中部，由于聲束具有一定寬度，使得折射聲束同時到達裂尖和裂根處，裂尖和裂根對超聲波束同時產生影響，從而導致底波變化明顯;繼續增大入射角時，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，從而導致成像效果變差。以上結果與Ahmed［4］等的研究結果取得了良好的一致性。

為了對試驗結果進行進一步分析，使用與試驗過程完全一致的參數，采用超聲波模擬軟件CIVA模擬了裂紋對超聲波的響應情況。分別在盤件近上表面、中間以及近下表面位置放置三個高度為5mm、延伸方向垂直于盤件端面的裂紋，對不同位置底面反射回波幅度的變化情況進行了模擬，得到的C 掃描圖像如圖4 所示。由聲束垂直入射時的底波監控C 掃描模擬結果(圖4a)可見，不同位置的裂紋并未引起底波的明顯變化;當聲束2°入射(圖4b)時，上、中、下三個位置的裂紋均對底波幅度產生了影響，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較差。由數值模擬結果可見，小角度縱波斜入射底波監控方法較垂直入射具有更好的檢測效果，這與試驗結果是一致的。

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

值得注意的一個特殊現象是，無論試驗還是數值模擬結果中，在聲束以2°入射角進行縱波斜入射檢測時，裂紋附近的底波幅度均呈先增大后減小的變化趨勢，為了解釋這一現象，分別對圖4b中A，B，C 三個位置的聲束傳播路徑進行了數值模擬。由圖5 的模擬結果可見，在無裂紋處，聲束以8°折射角到達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到一定位置后，聲束經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;探頭繼續前移至C 位置，折射聲束首先到達裂尖，由于裂尖對聲波的吸收和散射強、反射弱，本身就很弱的裂尖反射信號又經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值模擬結果 (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 探頭參數的優化

探頭的選擇往往會對檢測效果產生舉足輕重的影響。為了進一步改善檢測效果，分別使用表1 所列的4個超聲波探頭，將焦點(或N 點)置于盤件表面，以最佳聲束入射角度(2°)入射進行裂紋的檢測。通過不同參數探頭檢測效果的比較，進行探頭參數的優化。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 =89mm);(d)4#(focus probe，f =10MHz，F =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于平探頭，因此應優先選用聚焦探頭進行檢測。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。分析認為，與5MHz 聚焦探頭相比，該探頭頻率更高、焦點直徑更小，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致聚焦聲場的差異引起的，具體原因仍有待于進一步的試驗研究。

3 結論

(1)采用小角度縱波斜入射底波監控方法可有效檢出實際盤件中的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)，檢測效果優于傳統的聲束直入射底波監控方法;

(2)對于試驗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致聲波反射情況不同引起的。

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