發(fā)動(dòng)機(jī)盤、環(huán)件超聲波C－掃描檢測(cè)中的底波監(jiān)控方法

董瑞琴，李 澤，何 喜

（西安航空動(dòng)力股份有限公司 無損檢測(cè)中心，西安 710021）

底波監(jiān)控技術(shù)在超聲檢測(cè)中作為一種輔助的手段，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一些盤、環(huán)件的檢測(cè)中得到應(yīng)用，特別是針對(duì)那些用常規(guī)缺陷回波法不能有效檢出的缺陷，比如與聲束成較大夾角或存在微小空隙或微觀組織有變化時(shí)，底波監(jiān)控技術(shù)就顯得尤為重要，因?yàn)榇祟惽闆r可直接影響底面回波幅度的大小。在發(fā)動(dòng)機(jī)擋板超聲檢測(cè)中，筆者注意到在擋板常規(guī)超聲檢測(cè)的C－掃描圖像中難以發(fā)現(xiàn)垂直于端面的徑向裂紋，但在監(jiān)控?fù)醢宓撞▓D像時(shí)清楚地發(fā)現(xiàn)了圖像中存在底波降低超標(biāo)的部位。對(duì)該部位進(jìn)行熒光檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)擋板端面確實(shí)存在垂直于端面的徑向裂紋，故提出采用底波監(jiān)控的輔助檢測(cè)方法以避免此類缺陷的漏檢。

1 檢測(cè)原理

脈沖反射式超聲波檢測(cè)時(shí)［1］，由聲源產(chǎn)生的脈沖波被引入到被檢測(cè)的試件中后，若材料是均質(zhì)的，聲波沿一定方向，以恒定速度向前傳播；隨著距離的增加，聲波強(qiáng)度由于擴(kuò)散和材料內(nèi)部的散射及吸收而逐漸減??；當(dāng)遇到兩側(cè)聲阻抗有差異的界面時(shí)，則部分聲能被反射，如裂紋、分層、孔洞、試件的外表面（上、下表面）與空氣或水的界面。通過探測(cè)和分析脈沖反射信號(hào)（缺陷波）的幅度、位置等信息，確定零件缺陷的存在，評(píng)估其大小、位置（圖1）。為了獲得缺陷面的較大的反射回波，則聲束入射方向需要盡可能地垂直于缺陷的取向。如果聲束與缺陷的取向平行或存在較大的夾角，則缺陷反射的聲波較低，這樣就很有可能造成缺陷的漏檢。

圖1 超聲波檢測(cè)原理

當(dāng)工件的材質(zhì)和厚度不變時(shí)，底面回波高度應(yīng)是基本不變的，如果工件內(nèi)存在缺陷，底面回波高度會(huì)下降甚至消失，這種通過監(jiān)控底面回波的變化情況判斷工件缺陷情況的檢測(cè)方法，稱為底波監(jiān)控法。因該方法檢出零件缺陷定位定量不便，且靈敏度較低，實(shí)際中很少作為一種獨(dú)立的檢測(cè)方法使用，但因其對(duì)缺陷的取向無特殊要求，實(shí)際檢測(cè)中經(jīng)常作為一種輔助的檢測(cè)手段，以發(fā)現(xiàn)零件中與聲束方向平行或角度較大的缺陷。

2 底波降低原因分析

在實(shí)際檢測(cè)中，監(jiān)控底波變化經(jīng)常出現(xiàn)在C－掃描圖像中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷信號(hào)，但是在底波監(jiān)控圖像中底波卻明顯降低的情況。

底波降低的一種原因是材料內(nèi)部局部組織粗大，粗大的晶粒引起超聲波的散射，從而引起聲能的嚴(yán)重?fù)p失，底波損失的區(qū)域多呈現(xiàn)面積狀（解剖后發(fā)現(xiàn)與粗大的組織對(duì)應(yīng)），并且底波降低的區(qū)域伴隨有雜波的增大。

另外一種原因是，材料內(nèi)部存在與聲束入射方向平行或夾角很小的缺陷，缺陷反射回來的聲能很小，不能形成幅度較大的單個(gè)回波信號(hào)，在超聲C－掃描圖像中沒有明顯的缺陷顯示，但是卻會(huì)引起底波的嚴(yán)重降低（底波降低的區(qū)域多呈現(xiàn)線狀），并且底波降低的區(qū)域沒有伴隨明顯的雜波增大。

3 圖像的特征研究

3.1 材料內(nèi)部局部組織粗大引起的底波降低

3.1.1 面積狀底波降低

此類底波降低在盤、環(huán)件的檢測(cè)中較為常見，底波降低的原因基本上都屬于材料晶粒粗大等引起的底波損失，比較典型的底波降低圖像如圖2所示。圖2里中上部顏色較深區(qū)域?yàn)榈撞▏?yán)重降低部位，較淺色區(qū)為正常部位，可看出底波降低區(qū)域呈面積狀。

3.1.2 條狀底波降低

圖2 典型組織粗大引起的底波降低

在進(jìn)行某機(jī)零件軸套的超聲檢測(cè)時(shí)（檢測(cè)示意圖如圖3所示），發(fā)現(xiàn)該零件底波監(jiān)控圖像出現(xiàn)條狀底波降低（圖4），圖4中深黑色條狀區(qū)域?yàn)榈撞▏?yán)重降低部位，最嚴(yán)重處降低到15%（由80%降低到15%），但是在超聲波檢測(cè)C－掃描圖像中未發(fā)現(xiàn)缺陷顯示，同時(shí)從圖4中可看出底波降低區(qū)域呈條狀。

圖3 軸套零件超聲波檢測(cè)示意圖

圖4 軸套超聲檢測(cè)底波監(jiān)控圖

該零件材料為GH698，材料組織較粗大，超聲檢測(cè)中使用的是頻率為10MHz的探頭，頻率稍偏高。頻率越高，材料對(duì)超聲波的衰減越厲害，故懷疑底波降低的地方是材料組織粗大所引起。但是，一般材料組織粗大時(shí)都是出現(xiàn)面積狀的底波降低，很少有這種條狀底波降低，因此懷疑是不是該零件在鍛造過程中，溫度太高引起的沿直徑方向的鍛造裂紋。

針對(duì)該材料組織粗大，實(shí)際探傷中使用的探頭頻率稍微偏高的情況，改用頻率為5MHz的探頭對(duì)其重新檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)仍然有底波降低且幅度降低的現(xiàn)象，同樣也超過驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。比較底波監(jiān)控圖像和零件C－掃描圖像發(fā)現(xiàn)，底波降低的部位雜波增大，所以還是傾向認(rèn)為底波降低是由于材料內(nèi)部組織粗大引起。該類底波的降低較為特殊，為慎重起見，又對(duì)零件軸套的表面做了酸洗檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)酸洗圖中晶粒粗大的地方也呈現(xiàn)條狀，與底波監(jiān)控圖像的條狀呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)合5MHz探頭的掃描圖像和底波監(jiān)控圖像，可以判斷該批零件底波降低不是裂紋等宏觀缺陷所致，而是鍛造過程中鍛造不均勻引起材料組織不均勻所致。

3.2 宏觀缺陷引起的底波降低（線狀）

某機(jī)零件擋板材料為FGH96，在超聲檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)該零件底波監(jiān)控圖像中有線狀底波降低超標(biāo)（圖5），但是在相應(yīng)部位的C－掃描圖像中并沒有發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)。

圖5 擋板超聲波檢測(cè)底波監(jiān)控圖

由于底波監(jiān)控圖像上底波降低部位呈現(xiàn)線狀，為非典型性底波降低，底波降低部位靠近內(nèi)孔，因此在遇到此類底波降低時(shí)應(yīng)慎重，故對(duì)底波降低部位（圖6）相鄰的端面和內(nèi)孔上分別進(jìn)行了熒光檢測(cè)（圖7），結(jié)果在該零件端面底波降低部位發(fā)現(xiàn)了裂紋顯示（圖8）。

圖6 底波降低部位

4 檢測(cè)結(jié)果

通過觀察擋板上缺陷的形狀發(fā)現(xiàn)，該裂紋的取向與端面垂直，超聲波檢測(cè)中聲入射方向也垂直于端面。缺陷的取向與聲束平行，使得從裂紋表面反射回的聲波的幅度很低，在該零件的C－掃描圖像上未發(fā)現(xiàn)缺陷顯示。

圖7 熒光檢測(cè)部位

圖8 擋板表面熒光檢測(cè)缺陷圖

對(duì)于垂直于零件端面沿著徑向的裂紋，采用常規(guī)的縱波或橫波檢測(cè)方法都較難發(fā)現(xiàn)。采用縱波檢測(cè)，無論是在零件的上下端面還是內(nèi)孔、外圓方向進(jìn)行檢測(cè)，聲束平行于缺陷的取向，從缺陷的表面反射回來的聲能很小。同樣采用橫波檢測(cè)，由于缺陷取向的特殊性，探頭接受缺陷表面反射回的聲波的能量很小，也不能有效地檢測(cè)出此類缺陷。但是缺陷的存在卻影響了底面反射波的能量，從底波監(jiān)控圖像上可以很清楚地發(fā)現(xiàn)該類缺陷的存在而使底波呈現(xiàn)線性降低。該類裂紋屬于危害性較大的缺陷，用常規(guī)的超聲檢測(cè)方法又不能有效地檢出，因此采用底波監(jiān)控法做為輔助的檢測(cè)手段來檢出此類缺陷就顯得較為重要。

5 結(jié)論

底波監(jiān)控法作為常規(guī)超聲檢測(cè)方法的一種輔助檢測(cè)手段，對(duì)于檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)盤、環(huán)件中與聲束成較大角度（或與聲束平行）的缺陷比缺陷回波法更有優(yōu)勢(shì)。近幾年，超聲底波監(jiān)控法在輔助檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)盤、環(huán)件過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)垂直于端面的徑向裂紋，而常規(guī)缺陷回波檢測(cè)方法對(duì)此類缺陷的發(fā)現(xiàn)卻并不敏感，因此對(duì)盤、環(huán)件類零件實(shí)施底波監(jiān)控的輔助檢測(cè)具有重要的意義。

［1］ 史亦韋，何雙起，林猷文.超聲檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.