一種鋁合金鍛件超聲檢測異常信號分析

楊 娟

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 200241）

鋁合金是工業中應用廣泛的一類有色金屬結構材料，由于具有密度小、比強度高、比剛度高、導熱性好等優點，成為航空航天輕量化的首選材料之一。統計目前在役民用飛機選材，鋁合金在總結構用量上占70%～80%的比例。盡管先進復合材料和鈦合金在新型民用飛機的應用比例愈來愈高，但鋁合金由于其成本和工藝上的優勢，使其仍是民用飛機的主要結構材料[1]。

鋁合金以鋁為基體，加入鋅、錳、銅、硅等各種元素材料而形成，這些元素是鋁合金的強化元素，在鋁中溶解，形成固溶體強化；另一方面，在鋁合金中形成大量的化合物，成為鋁合金的強化相。供鍛造的鋁合金原坯料，一般采用鑄錠和擠壓坯料，鋁合金鑄錠往往具有疏松、氣孔、縮孔、裂紋、夾雜、氧化膜和偏析等缺陷[2-4]。坯料的這些缺陷，不僅鍛造時容易造成鍛件開裂，而且直接影響到鍛件質量，所以鍛造前需對坯料進行檢測，以提高鍛件的合格率。超聲波檢測是檢測材料內部缺陷的一種常用無損檢測手段，在國內外航空工業制造領域里應用最為廣泛[5]。超聲波缺陷信號的識別直接影響鋁合金材料的缺陷檢出率，影響到鋁合金材料的內部質量是否合格，作用至關重要。

1 國內鋁合金鑄錠和鍛件超聲檢測標準要求

目前，國內常用的鋁合金棒材的標準為GB/T 3191-2010[6]，該標準不要求棒材開展超聲檢測。常用的鍛件標準為GJB2351-1995[7]，標準要求鍛件按GB6519/T-2013[8]進行超聲檢測，并按GJB2351-1995中相應級別進行驗收。

2 某型發動機2A70鋁合金外機匣鍛件超聲檢測

2.1 鋁合金外機匣鍛件材料及結構形式

材料牌號：2A70；原材料標準：GB/T3191-2010；鍛件標準：GJB2351-1995；批次鍛件數量：3件；鍛件類別：環軋件；鍛件尺寸信息：外徑尺寸Φ1648mm，內徑尺寸Φ1320mm，高度528mm。外機匣鍛件實物如圖1所示。

圖1 外機匣鍛件

2.2 鋁合金外機匣超聲檢測參數

鋁合金外機匣按GB6519/T-2013變形鋁合金超聲波檢驗方法進行超聲檢測，按GJB2351-1995A級驗收。本次檢測采用接觸法進行超聲檢測，耦合劑為機油，設備型號CTS-9009，探頭類型N2.5P20L，N2.5P14L。

該零件最大厚度為528 mm，現場無相應的超聲檢測試塊，故采用底波計算法確定超聲檢測掃查靈敏度。底波計算法為原材料廠和鍛件廠常用的超聲檢測靈敏度調整方法。檢測靈敏度按照GJB2351-1995A級，掃查靈敏度采用大平底計算法，見公式（1）。

底波：44.8 dB。

式中：d為平底孔孔徑，1.2 mm；λ為鋁合金中聲波波長，λ=CL，鋁合金內聲波波速/聲波頻率=6300/2500=2.52 mm；x為規則反射體距聲源距離，528 mm。

掃查靈敏度為44.8 dB+55 dB=99.8 dB。超聲檢測掃查示意圖如圖2所示。

圖2 超聲檢測面示意圖

2.3 鋁合金外機匣超聲檢測結果

批次3件外機匣鍛件均發現超聲檢測異常信號，統計如表1所示。在檢測過程中發現異常信號波幅信號不強，且多數以單點聚集形式居多。鍛件廠家針對該3件鍛件進行超聲檢測后，對缺陷信號進行了實測記錄，并懷疑為原材料問題，通知原材料廠家來開展復檢。原材料廠家對該批鍛件進行超聲復檢后，給出的結論是按照標準要求，上述缺陷可評判為面積型缺陷，但缺陷不超標，滿足GJB2351-1995A級要求。針對該檢測結果不一致的情況，邀請第三方檢測機構對該3件鍛件重新進行超聲檢測復檢，第三方檢測機構認為異常信號雖不超標，但結合檢測經驗，疑似為缺陷信號。

表1 超聲異常信號統計表

經對1-1缺陷位置進行切樣后（切樣示意如圖3所示，黑色點狀為超聲異常位置），結合金相檢測分析結果，冶金部門確認該顯示為氧化膜缺陷。氧化膜缺陷一般為薄片狀，非常薄，會透過很多超聲能量，所以會造成波幅信號不強，從而產生誤判，認為不是超標缺陷。氧化膜缺陷在零件驗收標準中是不允許存在的，該類缺陷破壞了金屬的連續性，導致產品的性能下降，對產品質量的危害性非常大。

圖3 超聲檢測異常區域取樣圖

2.4 鋁合金外機匣超聲檢測結果分析

基于2.3節鋁合金外機匣鍛件的超聲檢測及理化分析結果，該批鍛件全部報廢。分析該零件的工藝過程：鋁合金鑄錠（不進行超聲檢測）——鍛造（進行超聲檢測）。可以看出，本次報廢的風險是鑄錠未進行超聲檢測造成的。基于本次的情況，某型發動機設計單位對于其鋁合金原材料采購要求增加了超聲檢測項目，以保證原材料的質量，避免原材料冶金缺陷引入鍛件，造成鍛件的報廢，從而提高了鍛件的合格率。

在本次檢測過程中，三家檢測單位對該批次鍛件開展了超聲檢測，各家的驗收結論均不一致，此種現象說明了鋁合金材料超聲檢測的特殊性，特別是針對氧化膜缺陷這種特殊的缺陷類型。對于鋁合金原材料及鍛件單位，需對其無損檢測人員開展鋁合金基礎知識培訓，了解鋁合金容易產生的缺陷類型，熟知不同類型的缺陷超聲檢測信號的特點，以保證鋁合金材料超聲檢測結果的準確性，防止氧化膜等缺陷的漏判及漏檢。

3 結論

1）鋁合金氧化膜缺陷的典型超聲顯示特點主要為：波幅信號不強，且多數以單點形式居多，聚集為面積型缺陷。檢測人員在對鋁合金氧化膜缺陷超聲檢測信號進行分析時，若嚴格按照超聲檢測驗收要求進行評價，易造成缺陷漏檢。鋁合金鑄錠和鍛件的超聲檢測人員，應了解該類典型超聲檢測信號特征，防止氧化膜缺陷的漏檢。

2）氧化膜缺陷在零件驗收標準中是不允許存在的，該類缺陷破壞了金屬的連續性，導致產品的性能下降。

3）氧化膜缺陷為熔煉和鑄造過程中引入的缺陷，在鑄錠工藝穩定前，建議針對鑄錠開展超聲檢測，防止此類缺陷引入后續的鍛件，以免造成鍛件合格率的下降。