航天用鎢滲銅產(chǎn)品水浸超聲檢測研究

康 達 張 宏 馬兆光 李士琦 林珊珊

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航天用鎢滲銅產(chǎn)品水浸超聲檢測研究

康 達 張 宏 馬兆光 李士琦 林珊珊

（北京動力機械研究所，北京 100074）

針對鎢滲銅材料在燒結(jié)成型、熔滲等過程中可能出現(xiàn)的孔洞、夾雜、滲銅不均等缺陷，采用水浸超聲波檢測方法對其進行內(nèi)部質(zhì)量檢測，并分析檢測結(jié)果；在此基礎(chǔ)之上，將部分典型缺陷C掃描檢測結(jié)果同射線檢測結(jié)果進行對比，從而驗證水浸超聲檢測方法的可行性與適用性，達到快速、便捷檢測的目的。同時，水浸超聲檢測方法還能夠?qū)崿F(xiàn)對缺陷位置和尺寸的定量，為后續(xù)強度分析、壽命預(yù)測提供數(shù)據(jù)參考。

鎢滲銅；水浸超聲檢測；C掃描圖像；射線檢測；缺陷定量

1 引言

鎢銅合金材料是僅次于硬質(zhì)合金的第二大類鎢的深加工制品[1]。鎢銅合金中鎢滲銅材料是通過高溫燒結(jié)加熔滲工藝制成，首先，鎢粉經(jīng)等靜壓成型，并在還原氣氛中燒結(jié)成具有多孔結(jié)構(gòu)的鎢骨架；其次，經(jīng)過毛細原理將液態(tài)金屬銅滲入上述多孔結(jié)構(gòu)鎢骨架；最終，形成鎢滲銅原材料制品，作為一種軍用耐高溫復合材料廣泛應(yīng)用于航天、兵器等關(guān)鍵領(lǐng)域[2～4]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鎢滲銅產(chǎn)品主要包括噴管喉襯、燃氣舵、前舵面等，產(chǎn)品材料質(zhì)量直接決定產(chǎn)品使用性能，如：戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)固體火箭發(fā)動機中使用的噴管喉襯在點火啟動時，工作環(huán)境十分惡劣，燃燒溫度甚至達到3000℃以上，而裂紋、滲銅不均等自然缺陷將直接導致噴管燒穿，引起飛行事故[5]；燃氣舵式推矢裝置應(yīng)用在多型號空空導彈上，燃氣舵的性能直接取決于原材料質(zhì)量，自然缺陷的存在將直接導致空空導彈變向失敗，使得導彈飛行路徑達不到預(yù)定目標[6]；導彈前舵面，作為方向控制關(guān)鍵部件，承受高溫沖刷，材料的內(nèi)部缺陷將直接導致飛行偏離預(yù)定目標。因此，利用無損檢測方法對鎢滲銅產(chǎn)品檢測具有十分重要意義。

由于鎢滲銅產(chǎn)品大多應(yīng)用于武器裝備關(guān)鍵構(gòu)件之上，國外幾乎沒有對于該類型產(chǎn)品檢測相關(guān)研究報道。國內(nèi)對于鎢銅合金產(chǎn)品檢測相關(guān)研究報道也較少，針對鎢銅合金產(chǎn)品的無損檢測方法主要集中于射線檢測和超聲檢測兩種方法。目前，射線檢測[6]根據(jù)不同產(chǎn)品類型采用的檢測標準主要依照GJB6488—2008、GJB2299A—2005，而對于超聲檢測沒有統(tǒng)一的檢測方法規(guī)定。中國工程物理研究院王增勇等[7，8]針對鎢銅合金法蘭部件進行常規(guī)超聲縱波+橫波互補檢測，設(shè)計了專用對比試塊，并在此基礎(chǔ)之上，調(diào)整檢測靈敏度，最終實現(xiàn)了對部件內(nèi)部孔隙類缺陷的有效檢出及定位，但常規(guī)超聲波檢測缺陷顯示判讀困難，不直觀。西安理工大學陳文革等[9]利用超聲波對鎢銅合金零件內(nèi)部質(zhì)量進行初步評價，結(jié)果表明，超聲波散射波的波形在一定程度上反應(yīng)零件中孔隙的數(shù)量和狀態(tài)，且超聲波聲速和孔隙率存在一定的線性關(guān)系，可為材料質(zhì)量評價提供一定參考。

本文針對典型鎢滲銅產(chǎn)品進行水浸超聲波檢測，并將典型缺陷C掃描檢測結(jié)果同射線檢測底片結(jié)果進行對比分析，進而對水浸超聲檢測方法的可行性及檢測結(jié)果的可靠性進行了有效驗證。同時，該方法實現(xiàn)了對孔洞類缺陷位置和尺寸的定量表征。

3 水浸超聲檢測系統(tǒng)

水浸超聲檢測是通過水作為耦合介質(zhì)，通過超聲主機激發(fā)水浸聚焦探頭實現(xiàn)聲束發(fā)射和接收，其掃查過程通過自動化運動系統(tǒng)控制[10]，同時采集超聲波檢測信號，最終進行A掃查、B掃描、C掃描成像，其組成示意圖如圖1所示。

圖1 水浸超聲波檢測系統(tǒng)組成示意圖

水浸超聲波檢測優(yōu)勢在于通過機械裝置進行掃查，掃查速度及精度得到了保證，有效克服了手動掃查過程中壓緊力度及速度的問題；同時B掃描、C掃描檢測結(jié)果通過檢測圖像可視化顯示，有利于缺陷的識別與判讀，進一步消除了人為因素帶來的干擾。此外，通過數(shù)據(jù)處理軟件還可實現(xiàn)對于產(chǎn)品內(nèi)部缺陷的定位及定量。

4 實驗及分析討論

4.1 實驗

檢測采用FOCUS LT相控陣超聲檢測儀，5MHz，水浸聚焦探頭，晶片尺寸10mm，焦距50mm，步進間隔為0.2mm。按照GJB 1580A—2004要求制作檢測用對比試塊，試塊材質(zhì)為鎢滲銅，其中平底孔直徑為1.2mm。利用上述水浸超檢測系統(tǒng)對標準試樣中平底孔進行檢測，并調(diào)整檢測靈敏度，平底孔檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 平底孔缺陷成像

在上述基礎(chǔ)之上，利用水浸超聲檢測系統(tǒng)對鎢滲銅產(chǎn)品燃氣舵不同舵面進行檢測，不同產(chǎn)品典型缺陷檢測C掃描圖像如圖3所示。

圖3 水浸超聲C掃描檢測結(jié)果

由圖3可知，滲銅不均、夾雜及孔洞等缺陷在C掃描圖像上呈不同形態(tài)分布，通過對檢測圖像的判別可較為準確的實現(xiàn)缺陷識別。

針對部分典型缺陷產(chǎn)品進行了射線檢測，檢測底片如圖4所示，由圖可知，不同類型缺陷在射線底片上黑度及缺陷形貌存在一定差異[6]，利用上述特點可有效識別缺陷。

圖4 射線檢測底片結(jié)果

4.2 分析討論

孔洞、夾雜類缺陷是鎢滲銅材料中未被鎢和銅填充的區(qū)域，滲銅不均是在熔滲過程中銅的分布不均勻所致。水浸超聲C掃描檢測本質(zhì)上是利用聲波在傳播過程中遇到異質(zhì)界面會發(fā)生不同程度反射，利用水浸聚焦探頭通過機械結(jié)構(gòu)運動采集不同位置數(shù)據(jù)，最終合成多視圖掃描圖像。當聲波遇到夾雜、孔洞類缺陷，該類缺陷聲阻抗與鎢滲銅基體存在較大差異，造成檢測回波信號幅值較大，缺陷圖像顯示清晰，缺陷較為容易識別；而對于滲銅不均類缺陷，其聲阻抗與基體相差不大，在檢測信號上表現(xiàn)為底波信號幅值出現(xiàn)不同程度降低，而C掃描檢測的優(yōu)勢則是可通過底波幅值變化對檢測結(jié)果進行分析。同時，通過對深度方向數(shù)據(jù)采集，可合成Ｂ掃描圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)對于產(chǎn)品內(nèi)部缺陷深度定位需求。

通過將水浸超聲C掃描檢測結(jié)果同射線檢測結(jié)果對比可知，兩種方法均能夠?qū)崿F(xiàn)對不同類型缺陷的有效檢出，但射線檢測需要輻射安全防護，底片結(jié)果判讀存在一定困難，而水浸超聲掃描檢測無需防護，操作方便快捷，能夠?qū)崿F(xiàn)對于不同類型缺陷有效識別及定位、定量。在一定程度上其能夠有效代替射線檢測完成實際檢測需求。

圖5 孔洞類缺陷水浸超聲多視圖顯示

此外，超聲檢測還能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷定量，圖5給出了孔洞類缺陷檢測A掃、B掃和C掃查圖像及定量結(jié)果。利用數(shù)據(jù)分析處理軟件可從圖5中讀取缺陷的尺寸信息，經(jīng)過換算可知，缺陷深度為14.96mm，缺陷尺寸為10.73mm。

5 結(jié)束語

本文對鎢滲銅產(chǎn)品缺陷產(chǎn)生機理及水浸超聲波檢測原理進行分析，從理論上論證了水浸超聲波檢測鎢滲銅產(chǎn)品的可行性。在上述基礎(chǔ)之上，利用水浸超聲檢測系統(tǒng)對上鎢滲銅產(chǎn)品燃氣舵內(nèi)部質(zhì)量進行檢測，實現(xiàn)了產(chǎn)品內(nèi)部孔洞、夾雜、滲銅不均等缺陷的檢出；利用射線底片與水浸超聲C掃描檢測結(jié)果互補驗證，結(jié)果表明，水浸超聲檢測能夠有效識別缺陷，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)對缺陷位置和尺寸的定量評價。

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3 馬運柱，黃伯云，劉文勝. 鎢基合金材料的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J]. 粉末冶金工業(yè)，2005，15(5)：49～57

4 周武平，呂大銘. 鎢銅材料應(yīng)用和生產(chǎn)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 粉末冶金材料科學與工程，2005，10(1)：21～25

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8 王增勇，李建文，湯光平，等. 超聲檢測用鎢合金棒材試塊設(shè)計[J]. 無損檢測, 2015，37(7)：11～14

9 陳文革，安發(fā)順. 鎢銅合金的超聲波無損檢測分析[J]. 電工材料，2006(1)：14～16

10 郭偉燦. 超聲波C掃描水浸聚焦技術(shù)在葉輪釬焊質(zhì)量檢驗中的應(yīng)用[J]. 無損檢測，2001，23(9)：391～395

Water-immersion Ultrasonic Testing of Copper Infiltrated Tungsten Material Used in Aerospace

Kang Da Zhang Hong Ma Zhaoguang Li Shiqi Lin Shanshan

(Beijing Power Machinery Institute, Beijing 100074)

To solve the problems of defect, holes, and inclusions in the process of sintering forming and melting infiltration of copper-tungsten materials, the water-immersion ultrasonic testing method was used to conduct internal quality inspection. Based on the results, the comparison was made between ultrasonic C scan result and X-ray results to verify the reliability and feasibility of water-immersion ultrasonic testing method. Meanwhile, the water-immersion ultrasonic testing method can provide quantitative results of location and size, so as to provide data reference for subsequent strength analysis and life prediction.

copperinfiltrated tungsten；water-immersion ultrasonic testing；C-scan imaging；X-ray testing；defect quantify

康達（1991），碩士，材料科學與工程專業(yè)；研究方向：發(fā)動機關(guān)鍵部件無損檢測研究。

2018-11-06