基于棒材的多通道超聲檢測(cè)系統(tǒng)的高溫合金組織均勻性檢測(cè)

劉 柯，劉 謹(jǐn)，王建國(guó)，李英浩，劉京州

(西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司, 西安 710018)

高溫合金材料因具有強(qiáng)度高、耐疲勞以及耐高溫的優(yōu)良特性而廣泛地應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中[1]。在鍛造過(guò)程中，主要通過(guò)調(diào)整加工過(guò)程中的變形溫度、變形量、變形速率、鍛造后冷卻速度和熱處理等工藝獲得不同性能的高溫合金鍛件。在這其中，由于工藝參數(shù)控制的影響，鍛件組織中可能會(huì)出現(xiàn)混晶或者組織分布不均勻現(xiàn)象，因此需要檢測(cè)顯微組織結(jié)構(gòu)來(lái)控制材料的質(zhì)量。

超聲檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于顯微組織結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)中，特別是在表征晶粒尺寸等微觀組織特征方面，已在無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中有所涉及。基于超聲檢測(cè)技術(shù)，分析組織結(jié)構(gòu)變化對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)的影響，建立可有效識(shí)別組織不均勻部位的超聲檢測(cè)方法，達(dá)到篩選材料中混晶、樹(shù)枝晶等不均勻組織的目的，已是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。

1 超聲波材料組織檢測(cè)評(píng)價(jià)原理

超聲無(wú)損檢測(cè)是通過(guò)超聲波參量來(lái)間接評(píng)價(jià)材料內(nèi)部組織分布情況的，目前常用的特征參量有聲速、噪聲、衰減以及頻率和非線(xiàn)性分析。例如固體中超聲的聲衰減、噪聲與晶粒的大小、形狀、各向異性等有關(guān)，而材料的晶粒分布與晶體結(jié)構(gòu)、合金元素、溫度、加載速率、冷塑性變形、相變、顯微組織熱處理工藝等因素有關(guān)，因此不同鍛造工藝下的合金組織變化會(huì)對(duì)超聲衰減、噪聲帶來(lái)影響。

早期前蘇聯(lián)和美國(guó)學(xué)者利用超聲波的散射來(lái)預(yù)測(cè)評(píng)估材料的組織性能，如MASON,MCSKIMIN,HUNTINGTON等[2-3]利用超聲信號(hào)的差異研究了鎂和鋁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者正在利用超聲參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)材料的組織性能。大連理工大學(xué)[4-5]通過(guò)引入多種數(shù)字信號(hào)的處理方法，根據(jù)超聲波頻域信號(hào)和時(shí)域信號(hào)的試驗(yàn)分析，提供了部分無(wú)損評(píng)估材料性能的對(duì)比結(jié)論。張萌等[6-7]研究了超聲波非線(xiàn)性與材料位錯(cuò)密度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。唐佳[8]通過(guò)研究高鉻鑄鐵中的馬氏體含量和超聲特性之間的關(guān)系，得到了鑄鐵中馬氏體的百分含量越高超聲聲速越小的結(jié)論。目前的研究結(jié)果中，這些常用的超聲波參量都能一定程度地反映材料的顯微組織情況。對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中的棒材檢測(cè)系統(tǒng)而言，考慮到棒材規(guī)格的偏差以及實(shí)際檢測(cè)的效率問(wèn)題，使用材料散射引起的噪聲來(lái)檢測(cè)材料組織的均勻性是最為合適有效的。

材料的散射衰減和材料的特征緊密相連，生產(chǎn)中常用超聲波時(shí)域參數(shù)進(jìn)行無(wú)損評(píng)價(jià)，進(jìn)而判定材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、分布、形狀等特征[9]。因?yàn)榻橘|(zhì)中微觀組織存在各向異性、粗晶、混晶、樹(shù)枝晶、晶界不平滑等問(wèn)題，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，如果遇到缺陷或不均勻的異面介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生散亂的反射，聲波將沿著不同的方向繼續(xù)傳遞，甚至伴隨著發(fā)生波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，而造成聲波晶粒散射。材料晶粒度對(duì)超聲檢測(cè)的影響表現(xiàn)在散射和衰減兩個(gè)方面。根據(jù)多晶體材料的超聲散射理論，超聲散射可分為三種類(lèi)型，即瑞利散射、隨機(jī)散射與漫散射。在聲學(xué)理論情況下，當(dāng)晶粒平均直徑d與波長(zhǎng)λ的比值小于0.1時(shí)，散射現(xiàn)象較為微弱，對(duì)超聲檢測(cè)不會(huì)造成大的影響；而當(dāng)比值大于0.1時(shí)，散射現(xiàn)象將顯著增強(qiáng)，超聲檢測(cè)的信噪比降低，靈敏度下降[10]。

超聲波的散射與晶粒的尺寸、各向異性的程度和超聲波的頻率關(guān)系，存在以下3種情況(其中as為散射系數(shù);c2,c3,c4為常數(shù)，F(xiàn)為各向異性系數(shù)，f為超聲波頻率)：

試驗(yàn)應(yīng)用的高溫合金牌號(hào)的平均聲速為6 000 m·s-1，檢測(cè)頻率為5 MHz，波長(zhǎng)為1.2 mm，晶粒直徑為0.01～0.1 mm，可見(jiàn)晶粒散射會(huì)引起聲波噪聲的較大波動(dòng)，而隨著超聲頻率的降低，散射系數(shù)會(huì)急劇變小，因此散射與材料組織密切相關(guān)。

圖1 棒材多通道超聲檢測(cè)儀器

2 棒材多通道超聲檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)采用GE公司生產(chǎn)的針對(duì)棒材的多通道超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，儀器設(shè)備實(shí)物圖片如圖1所示。設(shè)備根據(jù)棒材規(guī)格具有7個(gè)深度的檢測(cè)通道以及一個(gè)底波監(jiān)控通道，分區(qū)聚焦檢測(cè)保證了每個(gè)通道可以達(dá)到較高的信噪比，每個(gè)通道使用不同聚焦深度的聚焦探頭可以監(jiān)控1 in.(1 in.=25.4 mm)的深度范圍;其中每個(gè)探頭在材料中的有效聲束寬度為2～3 mm。自動(dòng)掃查過(guò)程中采用棒材旋轉(zhuǎn)，探頭步進(jìn)的方式采集數(shù)據(jù)，通常采用0.5 mm的步距進(jìn)行自動(dòng)掃查。

檢測(cè)試樣為直徑230 mm的高溫合金棒材，對(duì)棒材進(jìn)行5個(gè)通道的超聲波自動(dòng)掃描監(jiān)控。每個(gè)通道采用頻率為5 MHz的水浸聚焦探頭，校準(zhǔn)φ0.8 mm平底孔當(dāng)量的靈敏度，規(guī)劃合適的掃查路徑。圖2所示為2通道深度的檢測(cè)C掃描圖，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄保存每個(gè)通道的掃查數(shù)據(jù)，包括每個(gè)通道不同深度噪聲信號(hào)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值等。針對(duì)試驗(yàn)中相同規(guī)格、牌號(hào)的高溫合金，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納，得到不同組織的噪聲信號(hào)比較低的結(jié)果，其中每個(gè)通道深度的噪聲值都低于φ0.8 mm-18 dB，不能直觀得到材料的顯微組織特性，但數(shù)據(jù)之間都存在一定的階梯差異，需要結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法得到可靠結(jié)論。

圖2 2通道C掃描圖

3 顯微組織分析

對(duì)經(jīng)過(guò)超聲檢測(cè)的不同鍛造工藝下的棒材對(duì)應(yīng)區(qū)域沿著徑向解剖，進(jìn)行顯微組織分析，得到的顯微組織如圖3所示，可見(jiàn)不同工藝下的高溫合金組織主要有混晶、樹(shù)枝晶、均勻組織三種結(jié)構(gòu)形態(tài)。對(duì)不同區(qū)域的金相圖進(jìn)行圖像處理，框取住每個(gè)晶粒組織，根據(jù)提取的特征值可以得到晶粒組織的平均直徑、晶粒直徑分布的變異系數(shù)，晶粒的長(zhǎng)短軸比等特征參量。通過(guò)對(duì)金相組織定量特征參數(shù)的歸納分析，可以確定如表1所示的不同顯微組織的特征參量范圍，可見(jiàn)混晶、樹(shù)枝晶與均勻組織在晶粒平均直徑，晶粒直徑分布的變異系數(shù)和晶粒長(zhǎng)短軸比上有明顯的特征值差異。

圖3 高溫合金棒材的不同顯微組織圖

表1 對(duì)應(yīng)高溫合金不同顯微組織的特征參量

4 鍛造組織和超聲信號(hào)的關(guān)系

對(duì)每個(gè)通道不同深度噪聲信號(hào)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差與對(duì)應(yīng)區(qū)域的金相組織特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到如圖4所示的結(jié)果。由圖4可見(jiàn)：噪聲平均值與晶粒直徑在99%置信區(qū)間顯著正相關(guān)，晶粒平均直徑越大時(shí)，超聲波在晶體內(nèi)的散射噪聲平均值越大，線(xiàn)性擬合準(zhǔn)確度56%；噪聲信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差與晶粒直徑變異系數(shù)在95%置信區(qū)間顯著正相關(guān)，晶粒直徑變異系數(shù)越大，即晶粒直徑離散度越大時(shí)，超聲波在晶體內(nèi)的散射差異越大，導(dǎo)致噪聲信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差越大，線(xiàn)性擬合準(zhǔn)確度50%。

圖4 噪聲與晶粒直徑的擬合關(guān)系

圖5 噪聲與顯微組織特征聚類(lèi)分析結(jié)果

根據(jù)圖4的結(jié)果，以線(xiàn)性關(guān)系作為參數(shù)模型,與實(shí)際模型之間常常存在較大的差距，故為了能夠較準(zhǔn)確地確定超聲波噪聲參量與晶體組織均勻性的數(shù)據(jù)關(guān)系，可進(jìn)一步結(jié)合聚類(lèi)分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)劃分。文章導(dǎo)入超聲波參量與對(duì)應(yīng)的顯微組織特征參量，根據(jù)高斯核密度模型，得到如圖5所示的基于核密度函數(shù)的聚類(lèi)分析結(jié)果，圖5(a)中根據(jù)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差可以分類(lèi)出晶粒直徑變異系數(shù)(晶粒直徑分布離散度)，圖5(b)中根據(jù)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差可以分類(lèi)出晶粒長(zhǎng)短軸比標(biāo)準(zhǔn)差(晶粒長(zhǎng)短軸比的分布)。

但在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)并不是都只適合一種數(shù)學(xué)模型，從而導(dǎo)致圖5中的核密度聚類(lèi)方法只適合部分超聲參量與顯微組織特征值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且分類(lèi)邊界仍舊存在模糊性，故可以輔助應(yīng)用球形聚類(lèi)的K均值聚類(lèi)方法得到更加接近的分類(lèi)數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步準(zhǔn)確量化基于棒材超聲波檢測(cè)設(shè)備的噪聲與組織均勻性的關(guān)系。

通過(guò)分析比較，應(yīng)用核密度聚類(lèi)與K均值聚類(lèi)結(jié)合的復(fù)合聚類(lèi)方法，同時(shí)參照可用的線(xiàn)性關(guān)系，能夠更加完善試驗(yàn)高溫合金超聲波噪聲參量與顯微組織參量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，對(duì)于混晶組織的超聲波噪聲標(biāo)準(zhǔn)差參量，結(jié)合線(xiàn)性關(guān)系的復(fù)合聚類(lèi)劃分方法具體如下：① 通過(guò)線(xiàn)性關(guān)系確定的混晶組織對(duì)應(yīng)的超聲波噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，精確度為50%;② 應(yīng)用高斯核密度聚類(lèi)分析確定混晶組織對(duì)應(yīng)的超聲波噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，精確度為75%;③ 通過(guò)K均值聚類(lèi)方法確定混晶組織對(duì)應(yīng)的超聲波噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，精確度為65%;④ 結(jié)合以上步驟方法綜合獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，最終確定混晶組織對(duì)應(yīng)的超聲波噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為0.6～0.8，其精確度達(dá)到96%。

以此類(lèi)推，可以獲得不同組織的超聲波參量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示。根據(jù)具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該檢測(cè)方法的最低精確度為94.5%。利用超聲信號(hào)中的噪聲，可以有效檢測(cè)與評(píng)價(jià)高溫合金組織的均勻性，在一定范圍內(nèi)能夠確定顯微組織的晶粒分布情況，區(qū)分出高溫合金材料的混晶、樹(shù)枝晶和均勻組織。

表2 試驗(yàn)高溫合金超聲波噪聲參量與顯微組織參量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

5 結(jié)論

基于棒材的多通道超聲檢測(cè)系統(tǒng)所采集的高溫合金超聲檢測(cè)信號(hào)與鍛造組織均勻性有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中噪聲信號(hào)的平均值與晶粒直徑在99%置信區(qū)間顯著正相關(guān)，噪聲信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差與晶粒直徑變異系數(shù)在95%置信區(qū)間顯著正相關(guān)。使用復(fù)合的聚類(lèi)分析方法得到以下結(jié)論：當(dāng)噪聲平均值為1.6%～1.79%，噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為0.6～0.8時(shí)材料為混晶組織；當(dāng)噪聲平均值1.81%～2.6%，噪聲標(biāo)準(zhǔn)差大于1時(shí)，材料含有樹(shù)枝晶組織。經(jīng)過(guò)合適的數(shù)據(jù)分析，基于棒材的多通道超聲檢測(cè)系統(tǒng)可以有效地檢測(cè)與評(píng)價(jià)高溫合金組織的均勻性，同時(shí)可以為其他形狀材料的多通道組織的均勻性檢測(cè)提供方法依據(jù)。