基于棒材的多通道超聲檢測系統的高溫合金組織均勻性檢測

劉 柯，劉 謹，王建國，李英浩，劉京州

(西部超導材料科技股份有限公司, 西安 710018)

高溫合金材料因具有強度高、耐疲勞以及耐高溫的優良特性而廣泛地應用于航空發動機的制造中[1]。在鍛造過程中，主要通過調整加工過程中的變形溫度、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，由于工藝參數控制的影響，鍛件組織中可能會出現混晶或者組織分布不均勻現象，因此需要檢測顯微組織結構來控制材料的質量。

超聲檢測技術已經開始應用于顯微組織結構評價中，特別是在表征晶粒尺寸等微觀組織特征方面，已在無損檢測標準中有所涉及。基于超聲檢測技術，分析組織結構變化對超聲檢測信號的影響，建立可有效識別組織不均勻部位的超聲檢測方法，達到篩選材料中混晶、樹枝晶等不均勻組織的目的，已是當今的研究熱點。

1 超聲波材料組織檢測評價原理

超聲無損檢測是通過超聲波參量來間接評價材料內部組織分布情況的，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，而材料的晶粒分布與晶體結構、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，因此不同鍛造工藝下的合金組織變化會對超聲衰減、噪聲帶來影響。

早期前蘇聯和美國學者利用超聲波的散射來預測評估材料的組織性能，如MASON,MCSKIMIN,HUNTINGTON等[2-3]利用超聲信號的差異研究了鎂和鋁的內部結構。在國內也有許多學者正在利用超聲參數來評價材料的組織性能。大連理工大學[4-5]通過引入多種數字信號的處理方法，根據超聲波頻域信號和時域信號的試驗分析，提供了部分無損評估材料性能的對比結論。張萌等[6-7]研究了超聲波非線性與材料位錯密度之間的對應關系。唐佳[8]通過研究高鉻鑄鐵中的馬氏體含量和超聲特性之間的關系，得到了鑄鐵中馬氏體的百分含量越高超聲聲速越小的結論。目前的研究結果中，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。對于實際生產中的棒材檢測系統而言，考慮到棒材規格的偏差以及實際檢測的效率問題，使用材料散射引起的噪聲來檢測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，生產中常用超聲波時域參數進行無損評價，進而判定材料內部微觀結構、晶粒尺寸、分布、形狀等特征[9]。因為介質中微觀組織存在各向異性、粗晶、混晶、樹枝晶、晶界不平滑等問題，超聲波在介質中傳播時，如果遇到缺陷或不均勻的異面介質時，會產生散亂的反射，聲波將沿著不同的方向繼續傳遞，甚至伴隨著發生波型轉換現象，而造成聲波晶粒散射。材料晶粒度對超聲檢測的影響表現在散射和衰減兩個方面。根據多晶體材料的超聲散射理論，超聲散射可分為三種類型，即瑞利散射、隨機散射與漫散射。在聲學理論情況下，當晶粒平均直徑d與波長λ的比值小于0.1時，散射現象較為微弱，對超聲檢測不會造成大的影響；而當比值大于0.1時，散射現象將顯著增強，超聲檢測的信噪比降低，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系，存在以下3種情況(其中as為散射系數;c2,c3,c4為常數，F為各向異性系數，f為超聲波頻率)：

試驗應用的高溫合金牌號的平均聲速為6 000 m·s-1，檢測頻率為5 MHz，波長為1.2 mm，晶粒直徑為0.01～0.1 mm，可見晶粒散射會引起聲波噪聲的較大波動，而隨著超聲頻率的降低，散射系數會急劇變小，因此散射與材料組織密切相關。

圖1 棒材多通道超聲檢測儀器

2 棒材多通道超聲檢測系統數據采集

試驗采用GE公司生產的針對棒材的多通道超聲自動檢測系統，儀器設備實物圖片如圖1所示。設備根據棒材規格具有7個深度的檢測通道以及一個底波監控通道，分區聚焦檢測保證了每個通道可以達到較高的信噪比，每個通道使用不同聚焦深度的聚焦探頭可以監控1 in.(1 in.=25.4 mm)的深度范圍;其中每個探頭在材料中的有效聲束寬度為2～3 mm。自動掃查過程中采用棒材旋轉，探頭步進的方式采集數據，通常采用0.5 mm的步距進行自動掃查。

檢測試樣為直徑230 mm的高溫合金棒材，對棒材進行5個通道的超聲波自動掃描監控。每個通道采用頻率為5 MHz的水浸聚焦探頭，校準φ0.8 mm平底孔當量的靈敏度，規劃合適的掃查路徑。圖2所示為2通道深度的檢測C掃描圖，系統會自動記錄保存每個通道的掃查數據，包括每個通道不同深度噪聲信號的平均值、標準差、最大值等。針對試驗中相同規格、牌號的高溫合金，對數據進行整理歸納，得到不同組織的噪聲信號比較低的結果，其中每個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，但數據之間都存在一定的階梯差異，需要結合數據分析方法得到可靠結論。

圖2 2通道C掃描圖

3 顯微組織分析

對經過超聲檢測的不同鍛造工藝下的棒材對應區域沿著徑向解剖，進行顯微組織分析，得到的顯微組織如圖3所示，可見不同工藝下的高溫合金組織主要有混晶、樹枝晶、均勻組織三種結構形態。對不同區域的金相圖進行圖像處理，框取住每個晶粒組織，根據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，晶粒的長短軸比等特征參量。通過對金相組織定量特征參數的歸納分析，可以確定如表1所示的不同顯微組織的特征參量范圍，可見混晶、樹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和晶粒長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 對應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的關系

對每個通道不同深度噪聲信號的平均值、標準差與對應區域的金相組織特征參數進行統計分析，得到如圖4所示的結果。由圖4可見：噪聲平均值與晶粒直徑在99%置信區間顯著正相關，晶粒平均直徑越大時，超聲波在晶體內的散射噪聲平均值越大，線性擬合準確度56%；噪聲信號標準差與晶粒直徑變異系數在95%置信區間顯著正相關，晶粒直徑變異系數越大，即晶粒直徑離散度越大時，超聲波在晶體內的散射差異越大，導致噪聲信號標準差越大，線性擬合準確度50%。

圖4 噪聲與晶粒直徑的擬合關系

圖5 噪聲與顯微組織特征聚類分析結果

根據圖4的結果，以線性關系作為參數模型,與實際模型之間常常存在較大的差距，故為了能夠較準確地確定超聲波噪聲參量與晶體組織均勻性的數據關系，可進一步結合聚類分析方法對數據進行歸類劃分。文章導入超聲波參量與對應的顯微組織特征參量，根據高斯核密度模型，得到如圖5所示的基于核密度函數的聚類分析結果，圖5(a)中根據噪聲標準差可以分類出晶粒直徑變異系數(晶粒直徑分布離散度)，圖5(b)中根據噪聲標準差可以分類出晶粒長短軸比標準差(晶粒長短軸比的分布)。

但在實際應用中數據并不是都只適合一種數學模型，從而導致圖5中的核密度聚類方法只適合部分超聲參量與顯微組織特征值的對應關系，并且分類邊界仍舊存在模糊性，故可以輔助應用球形聚類的K均值聚類方法得到更加接近的分類數據，以進一步準確量化基于棒材超聲波檢測設備的噪聲與組織均勻性的關系。

通過分析比較，應用核密度聚類與K均值聚類結合的復合聚類方法，同時參照可用的線性關系，能夠更加完善試驗高溫合金超聲波噪聲參量與顯微組織參量的對應關系。例如，對于混晶組織的超聲波噪聲標準差參量，結合線性關系的復合聚類劃分方法具體如下：① 通過線性關系確定的混晶組織對應的超聲波噪聲標準差，精確度為50%;② 應用高斯核密度聚類分析確定混晶組織對應的超聲波噪聲標準差，精確度為75%;③ 通過K均值聚類方法確定混晶組織對應的超聲波噪聲標準差，精確度為65%;④ 結合以上步驟方法綜合獲得更準確的數據，最終確定混晶組織對應的超聲波噪聲標準差為0.6～0.8，其精確度達到96%。

以此類推，可以獲得不同組織的超聲波參量的對應關系，如表2所示。根據具體試驗數據，該檢測方法的最低精確度為94.5%。利用超聲信號中的噪聲，可以有效檢測與評價高溫合金組織的均勻性，在一定范圍內能夠確定顯微組織的晶粒分布情況，區分出高溫合金材料的混晶、樹枝晶和均勻組織。

表2 試驗高溫合金超聲波噪聲參量與顯微組織參量的對應關系

5 結論

基于棒材的多通道超聲檢測系統所采集的高溫合金超聲檢測信號與鍛造組織均勻性有一定的對應關系，其中噪聲信號的平均值與晶粒直徑在99%置信區間顯著正相關，噪聲信號標準差與晶粒直徑變異系數在95%置信區間顯著正相關。使用復合的聚類分析方法得到以下結論：當噪聲平均值為1.6%～1.79%，噪聲標準差為0.6～0.8時材料為混晶組織；當噪聲平均值1.81%～2.6%，噪聲標準差大于1時，材料含有樹枝晶組織。經過合適的數據分析，基于棒材的多通道超聲檢測系統可以有效地檢測與評價高溫合金組織的均勻性，同時可以為其他形狀材料的多通道組織的均勻性檢測提供方法依據。