小角度纵波水浸超声检测技术在消除锻件结构盲区中的应用

权 鹏 沙正骁 梁 菁 史丽军 张 净

(1 中国航发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 中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室 北京 100095)

0 引言

后轴颈是涡扇航空发动机的关键零件之一，通常采用高温合金制造，它位于压气机部位，具有连接盘和轴的重要作用。为保证服役安全，设计要求后轴颈在锻件粗加工阶段进行100%超声检测，并规定了纵波直入射方法的验收要求。生产检测中为了达到所需的灵敏度和信噪比，一般采用水浸超声聚焦检测[1]。粗加工阶段的后轴颈结构整体呈筒形，包含直筒段和锥形筒段。直筒段和锥形筒段连接处存在一定角度，在水浸超声纵波直入射检测过程中存在一定的检测盲区，如图1所示，可能会导致缺陷的漏检，存在极大的风险和潜在的安全隐患。目前国内外对于此类圆筒形锻件的超声检测主要采用纵波直入射方法，配合双面(内外圆周面)入射检测工艺或增加其他检测面(上下端面)的入射来消除或减小检测盲区。然而，后轴颈锻件的结构特点使得从端面或内腔中附加检测以消除盲区的方案难以实施，主要原因在于：

图1 后轴颈检测盲区示意图Fig.1 Inspection blind zone of rear journal forgings

(1) 后轴颈锻件内腔直径小，轴径比大，大部分探头夹持装置尺寸较大，由于结构干涉的问题，无法直接探入内腔中，必须制作相应的工装来解决此问题。然而，不同发动机型号中的后轴颈锻件结构和尺寸不尽相同，很难采用单一的工装满足各类后轴颈锻件的检测需求。另一方面，从内腔中实施检测时，探头与被检件的相对位置完全隐蔽于内腔中，无法直接观察到，存在因碰撞而损坏探头或零件的风险。

(2) 检测盲区在锻件中的轴向位置与上下端面距离远，筒壁薄，使得从端面入射检测的方案，由于穿透力和侧壁盲区也无法实现该区域的覆盖。

可见，现有检测技术难以有效覆盖过渡部分的检测盲区，有必要寻求其他检测方案，以增加超声波检测的覆盖范围，控制风险。在上述背景下，本文提出了一种采用小角度纵波斜入射的超声水浸检测方法，以覆盖后轴颈锻件直筒和锥形段过渡区的检测盲区。首先设计研制了后轴颈模拟样件，并在盲区位置加工了平底孔人工缺陷。采用水浸法纵波直入射检测和小角度纵波斜入射检测技术分别对模拟件进行了检测实验，验证了不同方法对于盲区覆盖的有效性，最终分析了缺陷的检测效果和信噪比，确认了该方法的检测能力。

1 理论分析

小角度纵波检测技术是通过小角度(小于第一临界角)倾斜探头，使纵波声束经折射后沿一定角度向被检材料内传播，并利用获得的折射纵波进行缺陷检测的超声波技术[2-3]。该技术可在纵波声束能量损失较小的情况下，扩大声波的覆盖范围，还能在一定程度上减小近表面盲区尺寸。小角度纵波检测技术可作为纵波垂直入射的辅助扫查手段，用于补充覆盖轴类件、盘件检测时的结构盲区，以及在加工余量不足时改善近表面分辨力。

本文针对典型的后轴颈锻件，设计了采用小角度纵波检测技术进行盲区补充覆盖检测的具体方案，如图2 所示。观察到后轴颈锻件结构中，三角形盲区(图2中黄色区域)右侧锐角约为13.7°。为了获得较好的检测效果，考虑令折射后的纵波能够垂直入射到底面处，则此时折射纵波的折射角βL为13.7°。

图2 后轴颈锻件小角度纵波超声检测原理示意图Fig.2 Schematic diagram of small-angled oblique longitudinal inspection for rear journal forgings

根据Snell定律，其中，α为入射角，c1是水中的纵波声速，βL为纵波折射角(即13.7°)，βS为横波折射角，cL为被检材料中的纵波声速，cS为被检材料中的横波声速。

经过计算可以得出，探头入射角α偏转约3.4°，可在材料中获得垂直于下表面的折射纵波，当探头沿后轴颈表面由位置 1○扫查至位置 2○时，其折射纵波在材料中的检测区域(图2 中网格线区域)可以完整覆盖原有的结构盲区。

需要说明的是，本文中后轴颈锻件所用高温合金材料中纵波声速为6000 m/s，水中纵波声速为1500 m/s，根据Snell 定律，可计算得到第一临界角为14.5°。在小角度纵波检测时，由于入射角小于第一临界角，材料中除了会产生折射纵波外，还会产生由波型转换而形成的折射横波，如图2 所示。考虑到纵波声速大于横波声速，在A 扫描显示屏中，横波的信号出现于底波以后，同时由于折射后的横波与下表面呈一定角度，反射后的信号幅度远低于垂直反射[4]。因此，对于本文的小角度纵波检测而言，横波的影响较小，可以忽略。

2 实验过程和结果

本文采用了纵波直入射、小角度纵波斜入射两种方法分别对含有人工缺陷的模拟样件进行了检测，验证盲区的覆盖情况。

2.1 实验准备

实验主要采用了水浸法超声检测技术进行，设备为盘环件超声水浸检测成像系统，配合10 MHz水浸聚焦探头，探头晶片直径为9.5 mm，焦距为76.2 mm。

灵敏度调整采用与被检零件相同材料的高温合金距离幅度试块，其中含有Φ0.4 mm 平底孔人工缺陷，埋深3.2～19.1 mm，见图3。此外，采用不锈钢材料制作了与后轴颈局部结构相同的模拟样件，在锥形段和筒形段过渡的部位，由内腔表面加工Φ0.4 mm 平底孔人工缺陷，用于验证对于盲区的覆盖情况，如图4所示。

图3 高温合金平底孔试块Fig.3 Superalloy reference blocks with flat bottom holes

图4 人工模拟样件结构及扫查方向示意图Fig.4 Schematic diagram of the mock-up sample structure and the inspection directions

2.2 纵波直入射和斜入射C扫描成像

将图4 所示模拟样件放置在超声水浸检测设备中，用高温合金Φ0.4 mm 平底孔试块调节灵敏度并制作TCG 曲线。调整探头使声束分别垂直入射到模拟样件的筒形段(图4 中检测方向A)和锥形段(图4中检测方向B)，采用圆盘扫查方式对目标区域执行C扫描检测并成像。

保持灵敏度不变，在检测方向A 的基础上，调整探头使声束向下方偏转3.4°，形成检测方向C。同样采用圆盘扫查方式对目标区域执行C 扫描检测并成像。

由图5 可以看出，从检测方向A 和检测方向B 实施的纵波直入射检测均无法发现模拟样件中的人工缺陷，表明常规的纵波直入射检测方法难以覆盖检测盲区。而小角度纵波斜入射检测，则能在C 扫描图像上观察到清晰显示出的点状缺陷指示(图5(d)中箭头)，所在位置对应于模拟样件中人工缺陷位置，缺陷边缘清晰，识别度高。从A 扫描波形信号上看(图6)，红色箭头所指信号为人工缺陷反射信号，幅值为满屏刻度的80%，噪声幅度为屏幕满刻度的10%，计算得出信噪比约18 dB。证明该方法对于Φ0.4 mm 的小缺陷可有效检出。

图5 超声纵波直入射和斜入射检测布置和C 扫描成像结果Fig.5 Ultrasonic longitudinal normal/oblique incident inspections and the C-Scan images

图6 超声纵波斜入射检测时完好区域和人工缺陷的A 扫描波形Fig.6 A-scan waveforms of non-defective area and the artificial defect in the ultrasonic longitudinal oblique incident inspection

3 结果分析与讨论

与纵波垂直入射检测相比，采用小角度纵波斜入射检测时，声束在材料表面的折射和在缺陷表面的反射规律均有所变化，引起检测灵敏度降低，表现在：

(1) 声束传播到零件表面，由于波型转换形成折射横波带走一部分能量；

(2) 声束斜入射进入材料后，可能不完全垂直于缺陷表面，缺陷反射的声束仅有一部分被探头接收到，且多为旁轴声束和边沿的棱散射回波。

本文在实验设计时考虑到以上问题，采取一定措施尽量减少以上两个因素对于检测灵敏度的影响。首先，采用水浸点聚焦探头且将焦点置于被检件表面，理论和实验结果[5]均表明此时的声波受到入射角度以及入射面曲率的影响较小；另一方面声束进入材料内部后，声束会在较大范围内扩散，虽然会牺牲一定的指向性，但对于取向不甚垂直于声束方向的缺陷也能获得较高的反射能量。

为了验证本文中的小角度纵波斜入射检测方法的检测能力，在Φ0.4 mm 平底孔试块上分别采用纵波直入射和小角度纵波斜入射的方法，来验证该方法灵敏度是否满足检测要求。实验中的水距和偏转角度与检测后轴颈锻件时完全相同，结果见表1。

表1 纵波直入射与小角度斜入射检测时平底孔反射信号幅度比较Table 1 Comparison of the FBH echo am plitudes in normal incident and oblique in cident inspections

可以看出，与直入射相比，采用折射角为13.7°的斜入射检测时，不同埋深的Φ0.4mm 平底孔反射信号幅度虽略有降低，但降低幅度不大(约2 dB)。这表明斜入射引起的检测灵敏度降低获得了有效控制。

除此之外，充分考虑了后轴颈锻件的结构特点，通过设计入射角度使声波进入零件后的折射纵波垂直于锥形段的内腔表面(图2)，进一步降低了因声束与缺陷不垂直而引入的灵敏度损失。

4 结论

实验结果表明，采用水浸聚焦纵波直入射时，由于声束不能覆盖到拐角区域，无法检测出该位置的人工缺陷，证实了纵波直入射检测方法在检测后轴颈锻件时存在盲区。

本文提出的小角度纵波斜入射检测方法利用折射纵波声束，可以覆盖后轴颈结构拐角处，并能发现纵波直入射方法未能发现的人工缺陷。该方法在检测Φ0.4 mm 平底孔人工缺陷时，可以实现18 dB的检测信噪比，具有较高的灵敏度和检测能力。

该方法实施条件简便易行，在不使用其他辅助工具的情况下即可实现扫查成像，且结果清晰直观。除后轴颈锻件外，还可推广应用于其他具有类似结构的锻件，作为常规水浸纵波直入射检测的辅助检测手段，具有工程实用性。