航空发动机盘件径轴向裂纹底波监控超声检测方法研究

杨平华， 梁 菁， 王 铮， 高祥熙

(1. 北京航空材料研究院，北京100095;2. 航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095;3. 中航(试金石)检测科技有限公司，北京100095)

发动机盘件是航空发动机的关键部件之一，往往要在高温、高速、高负荷等恶劣环境中工作，在制造过程中产生的裂纹等缺陷，会对航空发动机的安全运行造成重大威胁［1～3］。如何准确而有效地检测出航空发动机盘件中的裂纹类缺陷，引起了国内外研究者的广泛关注。然而，盘件裂纹的超声检测仍存在诸多问题。首先，盘件中的裂纹往往垂直于端面延伸，而超声波声束多从端面入射进行检测，裂纹取向不利于检测;其次，针对开口裂纹，通常采用体波、纵波、表面波、背散射共振和模式转换等裂纹尖端反射技术进行检测［4～7］，然而，裂纹尖端对于声波的吸收和散射明显，而反射较弱，因此采用裂纹尖端反射技术难以准确检测裂纹［8，9］;另外，实际盘件中产生的裂纹多为闭合裂纹，尺寸小，闭合紧，声波对裂纹反应不敏感，从而降低了检测的可靠性。

国内外研究者在裂纹的超声检测方面进行了大量研究，并取得了一定成果。车俊铁等［10］设计制作试块研究了不同构件中裂纹宽度、深度以及取向对超声波检测的影响;莫润阳［11］等采用小角度纵波技术，在30CrMSiA 钢试样表面上制作高度为1. 5 ～8mm 的小裂纹进行检测试验，证明该方法可提高超声对疲劳小裂纹的反应;Ahmed［12］等采用超声小角度检测方法对不加载情况下的微小闭口裂纹进行了定量检测，结果表明该方法对于近表面及底面的开口及闭合裂纹均具有良好的检测效果。但是，以上研究仅针对于人工制作的模拟裂纹缺陷，且大多尚在实验室研究阶段，研究结果是否适用于实际盘件上的自然裂纹尚不确定;同时，上述研究大都采用脉冲反射法，仍难以克服裂纹反射信号弱的问题。本研究则通过监控裂纹对底面反射回波幅度的影响，针对实际盘件加工过程中发现的径轴向裂纹进行检测试验和数值模拟，优化了声束入射角度以及探头参数等重点参数，取得了良好的效果。

1 试验装置及方法

本研究的试验对象为图1a 所示的镍基高温合金GH4169 盘件，在该盘件(厚度19mm)内缘发现了5 条径轴向裂纹。经体视显微镜观察，裂纹①～⑤的高度分别为5.7mm，5.1mm，4.6mm，4.2mm 和3.7mm，宽度约为0.06mm，图1b 给出了裂纹分布及取向的局部放大图。

试验采用LS-200-LP 超声水浸C 扫描系统进行，该设备具有六轴运动控制系统，可对探头角度进行连续和精确的调整。采用小角度纵波斜入射底波监控法进行裂纹检测，检测示意图见图2。图中a、b、c 分别为不同声束入射角度下的超声波声束路径。探头在调定的入射角度下，与盘件端面保持一定的水程并沿圆周方向进行扫查，将闸门置于第一次底面反射回波位置，通过比较不同部位底反射信号幅度的变化来判断缺陷情况。分别采用不同入射角度、不同频率的平探头和聚焦探头，将焦点(或N点，N 为探头近场长度)置于盘件表面及内部不同深度，进行检测参数的优化。试验所使用的探头参数见表1。

图1 试验对象 (a)盘件实物照片;(b)盘件内缘径轴向裂纹分布及取向局部放大图Fig.1 Experimental disk (a)photo of experimental disk;(b)detail view of the cracks in the inner edge of the disk

图2 检测示意图Fig.2 Schematic of the ultrasonic testing configuration

表1 试验所用探头参数Table 1 Parameters of the used probes

2 试验结果与分析

2.1 声束入射角度的优化

小角度纵波一般指在第二介质中折射角小于15°的纵波，由于其独特的传播特点，被用于检测奥氏体不锈钢小裂纹［4］、铝合金胶接界面的紧粘型脱粘［13］，以及支柱瓷绝缘子裂纹等缺陷［8］。为了提高超声波信号对裂纹的敏感程度，在此主要采用小角度纵波底波监控方法进行检测，使用3#探头，通过调整水程距离使焦点落于盘件表面，并改变探头角度，使声束分别以0°，1°，2°，3°入射，试验确定最佳声束入射角度。C 扫描图像见图3。

图3 不同声束入射角度下的底波监控C 扫描图像Fig.3 C-scan images of back-wall echo monitoring method with different incidence angles(a)0°;(b)1°;(c)2°;(d)3

由图3 可见，声束垂直入射时，在C 扫描图像上只能观察到轻微异常，这在实际检测中并不能作为缺陷判定的依据;随着入射角度的增大，裂纹显示逐渐清晰，当声束入射角为2°(在盘件中的折射角约为8°)时，5 条裂纹均清晰可见，检测效果最佳;当继续增大入射角至3°时，裂纹成像畸变严重，距离较近的裂纹边缘有重叠。分析认为，垂直入射时，主声束如图2 中的声线a 所示，由于裂纹取向不利，导致超声波信号对裂纹的反应不敏感。当入射角为2°时，主声束如图2 中的声线b 所示，正好到达裂纹中部，由于声束具有一定宽度，使得折射声束同时到达裂尖和裂根处，裂尖和裂根对超声波束同时产生影响，从而导致底波变化明显;继续增大入射角时，声束折射角也随之增大(图2 中声线c)，大角度的折射声束经裂纹反射后，在传播路径上很容易受到附近其它裂纹的影响，从而导致成像效果变差。以上结果与Ahmed［4］等的研究结果取得了良好的一致性。

为了对试验结果进行进一步分析，使用与试验过程完全一致的参数，采用超声波模拟软件CIVA模拟了裂纹对超声波的响应情况。分别在盘件近上表面、中间以及近下表面位置放置三个高度为5mm、延伸方向垂直于盘件端面的裂纹，对不同位置底面反射回波幅度的变化情况进行了模拟，得到的C 扫描图像如图4 所示。由声束垂直入射时的底波监控C 扫描模拟结果(图4a)可见，不同位置的裂纹并未引起底波的明显变化;当声束2°入射(图4b)时，上、中、下三个位置的裂纹均对底波幅度产生了影响，近下表面裂纹处变化最为明显，而近上表面裂纹的检测效果相对较差。由数值模拟结果可见，小角度纵波斜入射底波监控方法较垂直入射具有更好的检测效果，这与试验结果是一致的。

图4 不同入射角度下、不同位置裂纹的底波监控数值模拟结果Fig.4 Simulation results of back-wall echo monitoring method with different incidence angle and crack location(a)0°;(b)2°

值得注意的一个特殊现象是，无论试验还是数值模拟结果中，在声束以2°入射角进行纵波斜入射检测时，裂纹附近的底波幅度均呈先增大后减小的变化趋势，为了解释这一现象，分别对图4b中A，B，C 三个位置的声束传播路径进行了数值模拟。由图5 的模拟结果可见，在无裂纹处，声束以8°折射角到达盘件底面后被直接反射回盘件表面，将有部分声波无法被探头接收(图5a);探头向靠近裂纹的方向移动到一定位置后，声束经底面反射后遇到裂纹形成端角反射，最终以平行于折射声束的方向返回探头被接收(图5b)，使得B 位置的底波幅度反而高于无裂纹处;探头继续前移至C 位置，折射声束首先到达裂尖，由于裂尖对声波的吸收和散射强、反射弱，本身就很弱的裂尖反射信号又经底面反射后才返回探头，从而使C 位置的底波幅度降低(图5c)。

图5 纵波小角度斜入射不同位置声束路径数值模拟结果 (a)A 位置;(b)B 位置;(c)C 位置Fig.5 Simulation results of the beam paths at different position of small angle incidence longitudinal wave(a)point A;(b)point B;(c)point C

2.2 探头参数的优化

探头的选择往往会对检测效果产生举足轻重的影响。为了进一步改善检测效果，分别使用表1 所列的4个超声波探头，将焦点(或N 点)置于盘件表面，以最佳声束入射角度(2°)入射进行裂纹的检测。通过不同参数探头检测效果的比较，进行探头参数的优化。不同探头得到的C 扫描图像见图6。

图6 不同探头的底波监控C 扫描成像 (a)1#探头(5MHz 平探头);(b)2#探头(5MHz 聚焦探头);(c)3#探头(10MHz 聚焦探头，焦距89mm);(d)4#探头(10MHz 聚焦探头，焦距200mm)Fig.6 C-scan images of back-wall echo monitoring method with different probes (a)1#(flat probe，f =5MHz);(b)2#(focus probe，f =5MHz);(c)3#(focus probe，f =10MHz，F =89mm);(d)4#(focus probe，f =10MHz，F =200mm)

由图6a、b 比较可见，相同频率下，使用聚焦探头的成像分辨力优于平探头，因此应优先选用聚焦探头进行检测。同为聚焦探头的图6b，c，d 图相比较，焦距为89mm 的10MHz 聚焦探头检测效果最佳。分析认为，与5MHz 聚焦探头相比，该探头频率更高、焦点直径更小，从而提高了检测灵敏度;另外，该探头的检测效果优于焦距为200mm 的10MHz 聚焦探头，可能是由于两探头的焦距及晶片直径不同导致聚焦声场的差异引起的，具体原因仍有待于进一步的试验研究。

3 结论

(1)采用小角度纵波斜入射底波监控方法可有效检出实际盘件中的5 条径轴向裂纹(其中尺寸最小的裂纹高度为3.7mm，宽度0.06mm)，检测效果优于传统的声束直入射底波监控方法;

(2)对于试验所用盘件上的径轴向裂纹，采用焦距为89mm 的10MHz 聚焦探头，使声束以2°入射可得到最佳检测效果;

(3)小角度纵波斜入射底波监控C 扫描图像中，裂纹位置附近底波幅度先增大后减小，是由于不同部位的声束传播路径不同从而导致声波反射情况不同引起的。

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