小角度縱波水浸超聲檢測技術(shù)在消除鍛件結(jié)構(gòu)盲區(qū)中的應(yīng)用

權(quán) 鵬 沙正驍 梁 菁 史麗軍 張 凈

(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北京市重點(diǎn)實(shí)驗室 北京 100095)

(3 中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)材料檢測與評價重點(diǎn)實(shí)驗室 北京 100095)

0 引言

后軸頸是渦扇航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零件之一，通常采用高溫合金制造，它位于壓氣機(jī)部位，具有連接盤和軸的重要作用。為保證服役安全，設(shè)計要求后軸頸在鍛件粗加工階段進(jìn)行100%超聲檢測，并規(guī)定了縱波直入射方法的驗收要求。生產(chǎn)檢測中為了達(dá)到所需的靈敏度和信噪比，一般采用水浸超聲聚焦檢測[1]。粗加工階段的后軸頸結(jié)構(gòu)整體呈筒形，包含直筒段和錐形筒段。直筒段和錐形筒段連接處存在一定角度，在水浸超聲縱波直入射檢測過程中存在一定的檢測盲區(qū)，如圖1所示，可能會導(dǎo)致缺陷的漏檢，存在極大的風(fēng)險和潛在的安全隱患。目前國內(nèi)外對于此類圓筒形鍛件的超聲檢測主要采用縱波直入射方法，配合雙面(內(nèi)外圓周面)入射檢測工藝或增加其他檢測面(上下端面)的入射來消除或減小檢測盲區(qū)。然而，后軸頸鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得從端面或內(nèi)腔中附加檢測以消除盲區(qū)的方案難以實(shí)施，主要原因在于：

圖1 后軸頸檢測盲區(qū)示意圖Fig.1 Inspection blind zone of rear journal forgings

(1) 后軸頸鍛件內(nèi)腔直徑小，軸徑比大，大部分探頭夾持裝置尺寸較大，由于結(jié)構(gòu)干涉的問題，無法直接探入內(nèi)腔中，必須制作相應(yīng)的工裝來解決此問題。然而，不同發(fā)動機(jī)型號中的后軸頸鍛件結(jié)構(gòu)和尺寸不盡相同，很難采用單一的工裝滿足各類后軸頸鍛件的檢測需求。另一方面，從內(nèi)腔中實(shí)施檢測時，探頭與被檢件的相對位置完全隱蔽于內(nèi)腔中，無法直接觀察到，存在因碰撞而損壞探頭或零件的風(fēng)險。

(2) 檢測盲區(qū)在鍛件中的軸向位置與上下端面距離遠(yuǎn)，筒壁薄，使得從端面入射檢測的方案，由于穿透力和側(cè)壁盲區(qū)也無法實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的覆蓋。

可見，現(xiàn)有檢測技術(shù)難以有效覆蓋過渡部分的檢測盲區(qū)，有必要尋求其他檢測方案，以增加超聲波檢測的覆蓋范圍，控制風(fēng)險。在上述背景下，本文提出了一種采用小角度縱波斜入射的超聲水浸檢測方法，以覆蓋后軸頸鍛件直筒和錐形段過渡區(qū)的檢測盲區(qū)。首先設(shè)計研制了后軸頸模擬樣件，并在盲區(qū)位置加工了平底孔人工缺陷。采用水浸法縱波直入射檢測和小角度縱波斜入射檢測技術(shù)分別對模擬件進(jìn)行了檢測實(shí)驗，驗證了不同方法對于盲區(qū)覆蓋的有效性，最終分析了缺陷的檢測效果和信噪比，確認(rèn)了該方法的檢測能力。

1 理論分析

小角度縱波檢測技術(shù)是通過小角度(小于第一臨界角)傾斜探頭，使縱波聲束經(jīng)折射后沿一定角度向被檢材料內(nèi)傳播，并利用獲得的折射縱波進(jìn)行缺陷檢測的超聲波技術(shù)[2-3]。該技術(shù)可在縱波聲束能量損失較小的情況下，擴(kuò)大聲波的覆蓋范圍，還能在一定程度上減小近表面盲區(qū)尺寸。小角度縱波檢測技術(shù)可作為縱波垂直入射的輔助掃查手段，用于補(bǔ)充覆蓋軸類件、盤件檢測時的結(jié)構(gòu)盲區(qū)，以及在加工余量不足時改善近表面分辨力。

本文針對典型的后軸頸鍛件，設(shè)計了采用小角度縱波檢測技術(shù)進(jìn)行盲區(qū)補(bǔ)充覆蓋檢測的具體方案，如圖2 所示。觀察到后軸頸鍛件結(jié)構(gòu)中，三角形盲區(qū)(圖2中黃色區(qū)域)右側(cè)銳角約為13.7°。為了獲得較好的檢測效果，考慮令折射后的縱波能夠垂直入射到底面處，則此時折射縱波的折射角βL為13.7°。

圖2 后軸頸鍛件小角度縱波超聲檢測原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of small-angled oblique longitudinal inspection for rear journal forgings

根據(jù)Snell定律，其中，α為入射角，c1是水中的縱波聲速，βL為縱波折射角(即13.7°)，βS為橫波折射角，cL為被檢材料中的縱波聲速，cS為被檢材料中的橫波聲速。

經(jīng)過計算可以得出，探頭入射角α偏轉(zhuǎn)約3.4°，可在材料中獲得垂直于下表面的折射縱波，當(dāng)探頭沿后軸頸表面由位置 1○掃查至位置 2○時，其折射縱波在材料中的檢測區(qū)域(圖2 中網(wǎng)格線區(qū)域)可以完整覆蓋原有的結(jié)構(gòu)盲區(qū)。

需要說明的是，本文中后軸頸鍛件所用高溫合金材料中縱波聲速為6000 m/s，水中縱波聲速為1500 m/s，根據(jù)Snell 定律，可計算得到第一臨界角為14.5°。在小角度縱波檢測時，由于入射角小于第一臨界角，材料中除了會產(chǎn)生折射縱波外，還會產(chǎn)生由波型轉(zhuǎn)換而形成的折射橫波，如圖2 所示。考慮到縱波聲速大于橫波聲速，在A 掃描顯示屏中，橫波的信號出現(xiàn)于底波以后，同時由于折射后的橫波與下表面呈一定角度，反射后的信號幅度遠(yuǎn)低于垂直反射[4]。因此，對于本文的小角度縱波檢測而言，橫波的影響較小，可以忽略。

2 實(shí)驗過程和結(jié)果

本文采用了縱波直入射、小角度縱波斜入射兩種方法分別對含有人工缺陷的模擬樣件進(jìn)行了檢測，驗證盲區(qū)的覆蓋情況。

2.1 實(shí)驗準(zhǔn)備

實(shí)驗主要采用了水浸法超聲檢測技術(shù)進(jìn)行，設(shè)備為盤環(huán)件超聲水浸檢測成像系統(tǒng)，配合10 MHz水浸聚焦探頭，探頭晶片直徑為9.5 mm，焦距為76.2 mm。

靈敏度調(diào)整采用與被檢零件相同材料的高溫合金距離幅度試塊，其中含有Φ0.4 mm 平底孔人工缺陷，埋深3.2～19.1 mm，見圖3。此外，采用不銹鋼材料制作了與后軸頸局部結(jié)構(gòu)相同的模擬樣件，在錐形段和筒形段過渡的部位，由內(nèi)腔表面加工Φ0.4 mm 平底孔人工缺陷，用于驗證對于盲區(qū)的覆蓋情況，如圖4所示。

圖3 高溫合金平底孔試塊Fig.3 Superalloy reference blocks with flat bottom holes

圖4 人工模擬樣件結(jié)構(gòu)及掃查方向示意圖Fig.4 Schematic diagram of the mock-up sample structure and the inspection directions

2.2 縱波直入射和斜入射C掃描成像

將圖4 所示模擬樣件放置在超聲水浸檢測設(shè)備中，用高溫合金Φ0.4 mm 平底孔試塊調(diào)節(jié)靈敏度并制作TCG 曲線。調(diào)整探頭使聲束分別垂直入射到模擬樣件的筒形段(圖4 中檢測方向A)和錐形段(圖4中檢測方向B)，采用圓盤掃查方式對目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行C掃描檢測并成像。

保持靈敏度不變，在檢測方向A 的基礎(chǔ)上，調(diào)整探頭使聲束向下方偏轉(zhuǎn)3.4°，形成檢測方向C。同樣采用圓盤掃查方式對目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行C 掃描檢測并成像。

由圖5 可以看出，從檢測方向A 和檢測方向B 實(shí)施的縱波直入射檢測均無法發(fā)現(xiàn)模擬樣件中的人工缺陷，表明常規(guī)的縱波直入射檢測方法難以覆蓋檢測盲區(qū)。而小角度縱波斜入射檢測，則能在C 掃描圖像上觀察到清晰顯示出的點(diǎn)狀缺陷指示(圖5(d)中箭頭)，所在位置對應(yīng)于模擬樣件中人工缺陷位置，缺陷邊緣清晰，識別度高。從A 掃描波形信號上看(圖6)，紅色箭頭所指信號為人工缺陷反射信號，幅值為滿屏刻度的80%，噪聲幅度為屏幕滿刻度的10%，計算得出信噪比約18 dB。證明該方法對于Φ0.4 mm 的小缺陷可有效檢出。

圖5 超聲縱波直入射和斜入射檢測布置和C 掃描成像結(jié)果Fig.5 Ultrasonic longitudinal normal/oblique incident inspections and the C-Scan images

圖6 超聲縱波斜入射檢測時完好區(qū)域和人工缺陷的A 掃描波形Fig.6 A-scan waveforms of non-defective area and the artificial defect in the ultrasonic longitudinal oblique incident inspection

3 結(jié)果分析與討論

與縱波垂直入射檢測相比，采用小角度縱波斜入射檢測時，聲束在材料表面的折射和在缺陷表面的反射規(guī)律均有所變化，引起檢測靈敏度降低，表現(xiàn)在：

(1) 聲束傳播到零件表面，由于波型轉(zhuǎn)換形成折射橫波帶走一部分能量；

(2) 聲束斜入射進(jìn)入材料后，可能不完全垂直于缺陷表面，缺陷反射的聲束僅有一部分被探頭接收到，且多為旁軸聲束和邊沿的棱散射回波。

本文在實(shí)驗設(shè)計時考慮到以上問題，采取一定措施盡量減少以上兩個因素對于檢測靈敏度的影響。首先，采用水浸點(diǎn)聚焦探頭且將焦點(diǎn)置于被檢件表面，理論和實(shí)驗結(jié)果[5]均表明此時的聲波受到入射角度以及入射面曲率的影響較小；另一方面聲束進(jìn)入材料內(nèi)部后，聲束會在較大范圍內(nèi)擴(kuò)散，雖然會犧牲一定的指向性，但對于取向不甚垂直于聲束方向的缺陷也能獲得較高的反射能量。

為了驗證本文中的小角度縱波斜入射檢測方法的檢測能力，在Φ0.4 mm 平底孔試塊上分別采用縱波直入射和小角度縱波斜入射的方法，來驗證該方法靈敏度是否滿足檢測要求。實(shí)驗中的水距和偏轉(zhuǎn)角度與檢測后軸頸鍛件時完全相同，結(jié)果見表1。

表1 縱波直入射與小角度斜入射檢測時平底孔反射信號幅度比較Table 1 Comparison of the FBH echo am plitudes in normal incident and oblique in cident inspections

可以看出，與直入射相比，采用折射角為13.7°的斜入射檢測時，不同埋深的Φ0.4mm 平底孔反射信號幅度雖略有降低，但降低幅度不大(約2 dB)。這表明斜入射引起的檢測靈敏度降低獲得了有效控制。

除此之外，充分考慮了后軸頸鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過設(shè)計入射角度使聲波進(jìn)入零件后的折射縱波垂直于錐形段的內(nèi)腔表面(圖2)，進(jìn)一步降低了因聲束與缺陷不垂直而引入的靈敏度損失。

4 結(jié)論

實(shí)驗結(jié)果表明，采用水浸聚焦縱波直入射時，由于聲束不能覆蓋到拐角區(qū)域，無法檢測出該位置的人工缺陷，證實(shí)了縱波直入射檢測方法在檢測后軸頸鍛件時存在盲區(qū)。

本文提出的小角度縱波斜入射檢測方法利用折射縱波聲束，可以覆蓋后軸頸結(jié)構(gòu)拐角處，并能發(fā)現(xiàn)縱波直入射方法未能發(fā)現(xiàn)的人工缺陷。該方法在檢測Φ0.4 mm 平底孔人工缺陷時，可以實(shí)現(xiàn)18 dB的檢測信噪比，具有較高的靈敏度和檢測能力。

該方法實(shí)施條件簡便易行，在不使用其他輔助工具的情況下即可實(shí)現(xiàn)掃查成像，且結(jié)果清晰直觀。除后軸頸鍛件外，還可推廣應(yīng)用于其他具有類似結(jié)構(gòu)的鍛件，作為常規(guī)水浸縱波直入射檢測的輔助檢測手段，具有工程實(shí)用性。