一種鋁合金鍛件超聲檢測異常信號分析

楊 娟

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司，上海 200241）

鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，由于具有密度小、比強度高、比剛度高、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點，成為航空航天輕量化的首選材料之一。統(tǒng)計目前在役民用飛機選材，鋁合金在總結(jié)構(gòu)用量上占70%～80%的比例。盡管先進復(fù)合材料和鈦合金在新型民用飛機的應(yīng)用比例愈來愈高，但鋁合金由于其成本和工藝上的優(yōu)勢，使其仍是民用飛機的主要結(jié)構(gòu)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(zhì)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(nèi)部缺陷的一種常用無損檢測手段，在國內(nèi)外航空工業(yè)制造領(lǐng)域里應(yīng)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(nèi)部質(zhì)量是否合格，作用至關(guān)重要。

1 國內(nèi)鋁合金鑄錠和鍛件超聲檢測標準要求

目前，國內(nèi)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(yīng)級別進行驗收。

2 某型發(fā)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(jié)構(gòu)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(shù)量：3件；鍛件類別：環(huán)軋件；鍛件尺寸信息：外徑尺寸Φ1648mm，內(nèi)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(shù)

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(shè)備型號CTS-9009，探頭類型N2.5P20L，N2.5P14L。

該零件最大厚度為528 mm，現(xiàn)場無相應(yīng)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(diào)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(nèi)聲波波速/聲波頻率=6300/2500=2.52 mm；x為規(guī)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(jié)果

批次3件外機匣鍛件均發(fā)現(xiàn)超聲檢測異常信號，統(tǒng)計如表1所示。在檢測過程中發(fā)現(xiàn)異常信號波幅信號不強，且多數(shù)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(fù)檢。原材料廠家對該批鍛件進行超聲復(fù)檢后，給出的結(jié)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(jié)果不一致的情況，邀請第三方檢測機構(gòu)對該3件鍛件重新進行超聲檢測復(fù)檢，第三方檢測機構(gòu)認為異常信號雖不超標，但結(jié)合檢測經(jīng)驗，疑似為缺陷信號。

表1 超聲異常信號統(tǒng)計表

經(jīng)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(jié)合金相檢測分析結(jié)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(chǎn)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(xù)性，導(dǎo)致產(chǎn)品的性能下降，對產(chǎn)品質(zhì)量的危害性非常大。

圖3 超聲檢測異常區(qū)域取樣圖

2.4 鋁合金外機匣超聲檢測結(jié)果分析

基于2.3節(jié)鋁合金外機匣鍛件的超聲檢測及理化分析結(jié)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）?？梢钥闯?，本次報廢的風險是鑄錠未進行超聲檢測造成的?；诒敬蔚那闆r，某型發(fā)動機設(shè)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(zhì)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(jié)論均不一致，此種現(xiàn)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(chǔ)知識培訓(xùn)，了解鋁合金容易產(chǎn)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(jié)果的準確性，防止氧化膜等缺陷的漏判及漏檢。

3 結(jié)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(shù)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(yīng)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(xù)性，導(dǎo)致產(chǎn)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(wěn)定前，建議針對鑄錠開展超聲檢測，防止此類缺陷引入后續(xù)的鍛件，以免造成鍛件合格率的下降。