GH901合金锻件晶粒级别与均匀性对探伤杂波及底波损失的影响

杨志国， 蔡 培， 王玉龙， 邓冠祥， 王宇锋

（1.贵州安大航空锻造有限责任公司， 贵州 安顺 561005；2.空军装备部驻安顺地区军事代表室， 贵州 安顺 561008）

0 引 言

GH901合金是一种Fe-Ni-Cr基沉淀强化变形高温合金，主要通过球形的γ′相进行强化，其晶界通过二次析出的颗粒状TiC 进行强化。合金在650 ℃以下具有较高的屈服强度和持久强度，760 ℃以下抗氧化性能良好，长期使用组织稳定[1]。GH901 合金产品主要有发动机涡轮盘、压气机盘、轴颈、结构件、涡轮外环及紧固件等[2]。

针对GH901 合金锻件超声波探伤底波损失和杂波超标问题，开展不同状态锻件的超声波探伤试验，结合锻件组织分析，得出GH901 合金锻件晶粒度级别与均匀性对超声波探伤底波损失和杂波的影响，找到了GH901 合金锻件超声波探伤底波损失与杂波不合格的原因，为解决GH901 合金锻件超声波探伤底波损失和杂波不合格问题提供了理论依据。

1 试验材料及方法

采用GH901 合金棒料经制坯、模锻成型和热处理（见图1），对每火次锻造及热处理后坯料进行组织测试和探伤测试[3-4]，研究晶粒组织对锻件超声波探伤底波损失和杂波的影响。工艺试验方案：①GH901 合金棒料组织测试；②棒料镦粗、冲孔；③环坯进行高倍组织和探伤测试；④坯料模锻；⑤锻件探伤；⑥锻件切取20 mm厚低倍试片进行组织测试；⑦将锻件均分为3 段后，按1 030、1 060、1 090 ℃进行热处理；⑧对3 个锻件部分进行探伤及组织测试[5]。

图1 锻件加工过程

2 试验结果及分析

2.1 中间坯高倍组织及对应区域探伤结果分析

GH901 合金棒料经1 010 ℃加热后镦粗冲孔，坯料冷却并经车削抛光后进行超声波探伤，结果显示探伤杂波合格，底波损失超标不合格。坯料外径处超声波探伤底波反射回波较高，最高为69%，如图2 中位置1 所示。坯料中心超声波探伤底波反射回波较低，最低为19%，如图2 中位置3 所示，处于1/2 壁厚的位置2 超声波探伤底波反射回波处于中间水平。该坯料超声波探伤底波损失相差11 dB，不同位置底波损失差异较大，不满足验收要求。

图2 GH901中间坯组织及对应的探伤云图

分别测试图2 中位置1、2、3 处的晶粒组织，位置1晶粒度为6级，位置2晶粒度为5级，位置3晶粒度为3 级。坯料外径处晶粒度为6 级，超声波探伤底波反射回波较高，而锻件内径处晶粒度为3级，超声波探伤底波反射回波较低。探伤云图中底波反射回波呈现明显的分层现象，与晶粒粗细存在明显的对应关系，即坯料晶粒越细，底波反射回波显示越高，坯料晶粒越粗，底波反射回波显示越低。

2.2 GH901 合金锻件锻态组织及对应区域探伤结果分析

锻件组织和对应的探伤云图如图3 所示，各区域晶粒度级别如表1 所示，组织为混晶组织且各区域差异较大，探伤云图中底波反射回波出现了分层，与锻件晶粒组织表现出明显的对应关系，粗晶区域（位置1）和混晶组织区域（位置3）回波整体较低，而晶粒较细且均匀的区域（位置6）回波较高。探伤云图中锻件底波损失不同区域差异超过50%，不满足验收要求。以上结果表明锻件各区域组织差异大，导致各区域底波反射回波差异大，为底波损失不合格的直接原因。

表1 锻件各位置晶粒度级别

图3 锻件组织及对应的探伤云图

2.3 不同温度热处理后锻件晶粒组织及探伤结果

将同一锻件分为A、B、C 三段，A、B、C 段分别经1 090、1 060、1 030 ℃固溶热处理，然后将三段锻件同时放进水槽中进行水浸法超声波探伤，如图4 所示。对A、B、C 三段锻件取样进行组织检查[6]，组织分别如图5～图7所示。三段锻件晶粒级别和探伤结果如表2 所示，C 段锻件经1 030 ℃固溶热处理，锻件晶粒度为3 级，对应探伤杂波最低。A 段锻件经1 090 ℃固溶热处理，锻件晶粒度长大到1 级，探伤杂波最高，超过探伤标准要求。从以上试验可以看出，GH901 锻件晶粒度随固溶温度升高而增大，探伤杂波随晶粒长大而升高，当晶粒长大到1级时，探伤杂波超标。锻件经热处理后，随着晶粒长大，各区域组织趋于均匀，探伤底波损失差异减小，满足标准要求。

表2 A、B、C三段锻件晶粒级别和探伤结果

图4 锻件探伤及探伤扫描

图5 A段晶粒度

图6 B段晶粒度

图7 C段晶粒度

2.4 试验结果分析

超声波在传播过程中存在散射衰减、扩散衰减和吸收衰减[7]，其中扩散衰减与传播介质无关，吸收衰减在固体介质中可忽略不计[8]，故在锻件超声波探伤测试时，散射衰减对声波能量损失影响最大，散射回波形成草丛状探伤杂波，散射衰减越严重，草丛状探伤杂波波幅越高、底波反射回波越低。锻件超声波探伤底波反射幅度可按探伤声压衰减方程PX=P0e-aх近似计算，其中PX为底波反射强度，P0为入射波强度，x为材料厚度，a为散射系数。散射系数a与晶粒的平均直径、材料各项异性因子、超声波频率关系可用公式a=cFd3f4（d＜λ）计算，其中c为系数，F为材料各项异性因子，d为晶粒尺寸，f为声波频率，λ为波长[9]。

试验中锻件中间坯探伤时，中心晶粒度为3级，探伤底波反射回波仅19%，而外径晶粒度为6级，超声波探伤底波反射回波较高，最高达到69%。由探伤声压衰减方程可以看出，合金锻件超声波探伤底波反射损失与材料厚度x和散射系数a存在负指数关系，当材料厚度越厚，散射系数越大时，底波损失越严重。试验采用同一频率的探头对同一锻件探伤，材料厚度不变，散射系数仅受材料晶粒度尺寸影响，所以当晶粒粗大时，声波发生强烈散射，形成大量杂波，探伤声压严重衰减，底波反射回波降低。

晶粒散射与晶粒尺寸的对应关系如图8 所示[10]，当晶粒直径与波长比值从0.1上升到0.3时，即晶粒度从3 级增大到0 级时，散射幅度呈直线上升，这说明晶粒越粗大，超声信号散射越强，杂波波幅越高。剧烈散射形成的大量杂波消耗了声波能量，导致底波反射回波降低。试验中锻件A段固溶热处理后晶粒度为1级，晶粒粗大，对应探伤杂波最高波幅达到51%，最终锻件探伤杂波超标。锻件C 段的晶粒度为3 级，对应探伤杂波最高波幅仅13%，探伤杂波明显降低。

图8 散射与晶粒度关系

底波损失根据公式ΔdB=20lgH1/H2计算[11]，H1、H2取整个锻件探伤底波反射回波的最大值与最小值。晶粒粗大区域底波损失大，回波低；晶粒细小区域底波损失小，回波高。当锻件各区域晶粒组织不同、H1/H2比值较大时，锻件超声波探伤将出现底波损失不合格问题。在工艺试验中，各区域晶粒组织不同的中间坯料和锻件的探伤底波损失全部超标，但锻件经固溶热处理，锻件晶粒长大后趋于一致，混晶消除，最终不论锻件组织是1 级晶粒还是5级晶粒，只要各区域组织相同或差异不大，锻件探伤底波损失均能合格。

3 结束语

（1）GH901 合金锻件晶粒级别与探伤杂波存在对应关系，晶粒细小，探伤杂波较低，随着晶粒长大，杂波波幅越高。

（2）GH901 合金锻件组织不均匀，各区域组织差异大是锻件探伤底波损失不合格的直接原因（若整个锻件均为相同的混晶组织，底波损失不一定超标）。底波损失不满足要求的锻件，经高温固溶后，锻件各区域晶粒长大后趋于一致，组织相对均匀，对应各区域探伤底波反射回波差异变小，锻件底波损失可满足标准要求。但当晶粒长大到2级或更粗时，探伤杂波可能超标。

（3）将GH901 锻件晶粒度控制在3 级以上且各区域组织均匀一致时，锻件探伤杂波和底波损失皆能满足要求。