铸造含稀土镁合金夹杂物缺陷的超声检测

张亚林

(洛阳欣隆工程检测有限公司 ， 河南 洛阳 471012)

0 引言

镁合金具有密度低、耐蚀性和减震阻尼性好、热成型性优异、易回收等一系列优点，但是由于镁合金化学性质比较活泼，导致镁合金的夹杂物含量高，这不仅限制镁合金材料潜力的发挥，而且大大降低了镁合金的成型性及抗腐蚀能力[1-2]。因此，镁合金中氧化物和熔剂夹杂，坯料的微观组织以及宏观凝固缺陷是镁合金坯料的主要质量控制点[3]。含稀土铸造镁合金是目前在航空航天等尖端领域内获得应用的典型的高强耐热稀土镁合金[4]。目前该合金主要采用铸件方式使用，合金中主要相是Mg41Nd5、Mg12Nd、Mg24Y5等相，在铸态下，这些合金相铸态主要分布在晶界和枝晶网胞间。在铸态下经过T6热处理，大量化合物已固溶到基体中，并且在随后人工时效过程中的基体中析出，在晶内形成密集析出相，加入稀土元素后会优化镁合金的耐腐蚀性以及力学性能，有时会形成针状β相，这种第二相会导致组织中形成以 O、Mg、Y、Al 元素为主的针状片状分布的富钇氧化夹杂，导致铸件强度和寿命降低。

有关镁合金中缺陷超声检测裂纹、气孔等缺陷检测，有学者进行研究，针对超声检测回波信号中不止有一个缺陷回波的情况，以及缺陷回波信号与下表面尾随回波发生重叠的情况，提出采用样条插值法求得超声回波信号包络线，并取第一个缺陷回波信号包络线极大值点为特征进行缺陷定位，成功地避免了后面有较大幅值缺陷回波对第一个缺陷回波准确特征提取的影响，同时也很好地解决了超声检测盲区中特征提取的问题[5-7]。针对超声检测回波信号中包含异常回波信号的情况，采用自适应噪声抵消的特征提取技术，有效地排除了异常回波信号对缺陷回波信号特征准确提取的干扰。可以检测出3 mm长的裂纹，且裂纹取向与超声检测平面不平行。陈振华等[8]提出了一种基于相关增强与小波阈值相结合的超声信号去噪方法，用于AZ91镁合金的超声检测能够有效去除由粗晶散射引起的结构噪声，提高检测精度，由于富钇的氧化夹杂与基体融合良好，导致常规超声检测难以检出，在国内文献检索中，没有富钇的氧化夹杂检出报道。

1 试样及超声检测

从某铸件上切取试样，切取的试样如图1所示。试样为22 mm×22 mm的条状，用10 MHz晶片尺寸Φ6 mm、焦距为30 mm水浸聚焦探头，扫查系统采用自制的超声C扫描系统，系统由奥林巴斯5077脉冲发射器、Pico Scope信号采集卡、扫描架组成。扫描1 200 mm/min，步距0.2 mm。信号增益要保证高灵敏度又不能噪声过大影响成像效果，通过调节不同的增益情况比较分析，当试样超声波信号一次底波达到80%(18 dB)以后，在增加14 dB时成像效果相对最好，相当于试块20 mm处检测灵敏度当量为Φ1.2+18 dB，根据HB/Z59-1997得到检测级别为AAA级，原始检测波形见图2a，没有发现缺陷信号，截取表面波至一次底波的距离，采用基于高斯基波的连续小波变换后得到图2b的波形，通过此信号处理以后噪声信号降低，奇异突变信号比较明显。

图2 检测波形变换前后得到的图形

对图2b所标的信号突变点(埋深2 mm)，用金相砂纸磨到此位置，金相组织如图3所示，用扫描电镜观察并做能谱分析，分析结果见表 1，表明此缺陷为含氧量高的针状β相。

图3 WE43A镁合金铸件中形成针状β相(T6 状态)

表1 WE43A 镁合金铸件能谱分析

2 试样的超声特征成像检测

将图1b中的FL4用Φ1.2+18 dB检测灵敏度C扫描成像，截取2 mm位置层析成像结果见图3，幅度直接成像结果表明信噪比较低，难以发现缺陷。

将图1b 中的FL4、FL6、FL5、用Φ1.2+18 dB检测灵敏度C扫描成像，截取关心的区域，用小波分析去噪声后重建的特征成像图见图4。FL4层析分析层埋深2 mm，FL6层析分析层埋深2.5 mm，FL5层析分析层埋深3 mm。将小波分析后重建图像作图像处理，结果见图5。将试样小心磨削到对应厚度，抛光腐蚀后用金相显微镜观察，典型缺陷和层析图像的对应关系见图5，分析结果见表2。FL4试样的单个缺陷边界相对缺陷中心下降3.4 dB，FL6试样的单个缺陷边界相对缺陷中心下降3.3dB，FL5试样的单个缺陷边界相对缺陷中心下降3.5 dB。

图4 WE43A镁合金铸件试块Φ1.2+18 dB检测灵敏度C埋深2 mm特征成像

表2 超声检测个数与实际夹杂缺陷分布个数比较

图5 铸造镁合金试块普通层析成像和小波层析成像对比

图6 铸造镁合金试块小波层析成像和缺陷对应关系

3 讨论及结论

本文研究的含稀土镁合金铸件夹杂缺陷属于与基体融合性较好的缺陷种类，且平均晶粒尺寸约为50 μm，缺陷信号幅度低且粗晶粒的晶界散射导致噪声高，需要采用水浸聚焦和高灵敏度(Φ1.2+18 dB)条件检测，用基于高斯基的小波变换信号处理得到C扫描层析特征成像，采用降低3 dB法可以有效确定检测夹杂缺陷的边界，经过金相实验验证可以得到超声检测缺陷数目和金相检测缺陷数目误差个数<5个，能够检出的最小缺陷尺寸100 μm左右。