雙合金整體葉盤連接界面的超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

沙正驍 ，梁 菁 ，韓 波

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京，100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100095；3.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100095）

引 言

國(guó)內(nèi)正在研制的新型發(fā)動(dòng)機(jī)中采用了雙合金整體葉盤結(jié)構(gòu)，其中葉片部位采用定向凝固或單晶合金制造，而盤心部位采用粉末冶金或變形高溫合金制造。由于葉、盤材料不同，因此成型后采用擴(kuò)散連接或線性摩擦焊技術(shù)[1-2]將兩者可靠連接。

雙合金整體渦輪葉盤在具備一定先進(jìn)性的同時(shí)，也存在很大的制備難度。在制造過(guò)程中，如果雙合金界面潔凈度、過(guò)盈度、粗糙度、裝配方式以及熱等靜壓工藝參數(shù)控制不當(dāng)，均有可能在界面處形成夾雜物和未完全復(fù)合連接形成的不良連接區(qū)等界面缺陷，這些缺陷[3]會(huì)促進(jìn)疲勞裂紋的萌生并加速疲勞裂紋的擴(kuò)展，成為雙合金整體葉盤應(yīng)用的主要障礙。因此，為了保證雙合金整體葉盤的使用壽命和安全可靠性，在不斷優(yōu)化工藝避免缺陷產(chǎn)生的同時(shí)，也需建立相應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)方法[4-6]對(duì)結(jié)合面質(zhì)量進(jìn)行有效檢測(cè)和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

由于整體葉盤的連接界面主要為沿界面分布的面積型缺陷，因此超聲檢測(cè)[7]是最佳的檢測(cè)方案。雙合金盤界面缺陷的檢測(cè)難度主要來(lái)源于界面組織和盤件結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面：一方面，盤心部位合金組織一般為粉末冶金的細(xì)晶組織，而葉環(huán)部位合金則為鑄造組織，由于聲阻抗存在差異，當(dāng)超聲波束入射到兩種合金界面[8]時(shí)可能產(chǎn)生較強(qiáng)的反射信號(hào)，影響缺陷信號(hào)的識(shí)別。此外，界面處的鑄造合金的粗大晶粒[9-10]也可能成為聲波散射或反射源，產(chǎn)生類似缺陷的信號(hào)，干擾缺陷的檢出。另一方面，整體葉盤的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使超聲探頭沒(méi)有合適的擺放空間，造成有利方向的超聲束很難入射到界面部位，由于厚度大和結(jié)合面垂直于表面的原因，射線檢測(cè)也難以實(shí)施，因此雙合金盤結(jié)合面的缺陷檢測(cè)具有很大的技術(shù)難度。

本文實(shí)驗(yàn)方法研究了雙合金整體葉盤的組織和幾何形狀對(duì)于超聲檢測(cè)的影響。首先在平面焊接試樣上加工了平底孔用于模擬界面的缺陷，進(jìn)而研究超聲的界面反射。而后在實(shí)際的雙合金盤基礎(chǔ)上加工了模擬盤型試樣，并在焊縫處加工了不同尺寸的人工缺陷。利用一個(gè)90°的聲反射鏡，將超聲波垂直入射到雙合金盤的內(nèi)孔表面，并進(jìn)入盤件內(nèi)部。實(shí)驗(yàn)研究了該方法的信噪比和分辨力。該方法最終用于模擬盤試樣和實(shí)際雙合金整體葉盤的焊縫檢測(cè)，并與金相分析結(jié)果對(duì)比以驗(yàn)證方法的可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 平面焊接試樣

為了模擬雙合金結(jié)合面處的界面性質(zhì)，以及材料因素對(duì)超聲檢測(cè)過(guò)程的影響，首先制作平面雙合金試樣。制作過(guò)程是將盤心和葉環(huán)兩種材料制成等直徑的錠料，通過(guò)熱等靜壓（Hot isostatic pressing,HIP）將兩種材料首尾相接連接在一起，而后在鑄造合金一側(cè)加工平底孔至結(jié)合面處，試樣的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。這種平面試樣排除了盤件的曲率等結(jié)構(gòu)因素，單獨(dú)模擬了雙合金母材和結(jié)合面部位的材料因素，可以在一個(gè)簡(jiǎn)化的條件下研究檢測(cè)的信噪比、衰減等參數(shù)的影響。

1.2 模擬盤試樣

除了上述兩種試樣外，還在實(shí)際的雙合金盤件上加工了模擬試樣。制作方法是將連接后的雙合金盤上的葉片和臺(tái)階加工掉，只留下連接好的盤芯和葉片環(huán)。從外圓周方向加工平底孔，使孔底位于結(jié)合面處，孔徑分別為0.8,1.2,2.0和3.2 mm，如圖2所示（單位為mm）。這一試樣將用于實(shí)際檢測(cè)能力的驗(yàn)證試驗(yàn)。

1.3 儀器設(shè)備及檢測(cè)布置

所用的儀器為GE公司的USIP40，配合探頭操縱和盤件夾持旋轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)內(nèi)圓柱面C掃描成像。實(shí)驗(yàn)采用了不同頻率的小晶片直徑水浸縱波探頭以及配套的90°聲反射鏡，探頭具體參數(shù)見(jiàn)表1。

檢測(cè)時(shí)將探頭前端固定90°聲反射鏡，伸入雙合金盤的內(nèi)孔中。通過(guò)盤件自身的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)掃查，通過(guò)探頭的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)，兩者組合實(shí)現(xiàn)二維的C掃描成像，如圖3所示。

圖1 平面雙合金試樣Fig.1 Flat dual-alloy sample

圖2 模擬試樣Fig.2 Mock-up sample

表1 探頭參數(shù)Table 1 Probe parameters

圖3 利用90°聲反射鏡實(shí)現(xiàn)整體葉盤超聲檢測(cè)Fig.3 Implementation of ultrasonic evaluation of a blisk using 90°acoustic mirror

2 界面本底反射

為了掌握兩種合金的材料特性和界面結(jié)合處的過(guò)渡情況，對(duì)平面的模擬雙合金盤試樣進(jìn)行了解剖并觀察了其金相組織，結(jié)果如圖4(a)所示。從圖4(a)可以看出，兩側(cè)的合金組織晶粒尺寸存在巨大差異，鑄造組織晶粒粗大且分布不均勻（中間粗邊緣細(xì)），晶?？蛇_(dá)1～2 mm；粉末端晶粒均勻細(xì)小，50～100 μm。兩側(cè)材料的不均勻會(huì)產(chǎn)生一定的聲阻抗差，使超聲傳播到界面處時(shí)存在本底反射信號(hào)，如圖4(b)所示。

當(dāng)采用低靈敏度檢測(cè)時(shí)，它對(duì)檢測(cè)效果的影響不大。而當(dāng)靈敏度提高時(shí)，本底反射信號(hào)幅度會(huì)隨之提高，當(dāng)它的幅度達(dá)到80%或更高時(shí)，則會(huì)使C掃描圖像上所需檢測(cè)的缺陷信號(hào)被本底反射信號(hào)所掩蓋，造成檢測(cè)能力的不足。因此本底反射信號(hào)是影響檢測(cè)能力、靈敏度和信噪比的主要因素。

圖4 雙合金組織顯微觀察圖和超聲本底反射Fig.4 Metallography of the bonding interface and an example of background reflection

利用平面的雙合金模擬試樣研究了本底反射信號(hào)對(duì)超聲C掃描檢測(cè)效果的影響，結(jié)果如圖5所示。在HIP連接的平面雙合金試樣上加工了不同直徑的平底孔，孔底位于雙合金界面處（圖5(a)），模擬不同尺寸的缺陷。試驗(yàn)時(shí)采用水浸聚焦探頭從粉末一側(cè)對(duì)試樣進(jìn)行C掃描檢測(cè)，獲得如圖5(b)所示的C掃描圖像。從圖中可以看出，不同尺寸的平底孔人工缺陷具有不同的顏色，這表示其回波信號(hào)幅度不同。此外，除平底孔外其他位置的信號(hào)也具有不同的幅度，這些就是由界面的本底反射引起的。

圖5 平面試塊的檢測(cè)布置和2號(hào)探頭的C掃描檢測(cè)圖像Fig.5 The implementation and outcome of C-scan inspection on the flat surface sample using probe No.2

截取了當(dāng)前靈敏度下，不同位置的超聲波信號(hào)波形圖，如圖6所示?？梢钥闯觯航缑娴谋镜追瓷湫盘?hào)達(dá)到約40%時(shí)，Ф1.2 mm平底孔(Flat bottom hole,FBH)的回波幅度為85%，C掃描圖像上孔和周圍界面可以較好地分辨出來(lái)；而Ф0.8 mm平底孔的回波幅度則只有55%，C掃描圖中孔和周圍界面連在一起不易分辨。

圖6 不同位置的超聲波信號(hào)波形圖Fig.6 Waveform of ultrasonic signals at different positions

采用信噪比評(píng)價(jià)超聲檢測(cè)的能力，在不同的檢測(cè)條件和靈敏度下，信噪比情況如表2所示?？梢钥闯?，采用探頭2檢測(cè)效果最好，對(duì)于Ф0.8mm靈敏度，信噪比為2.5 dB；對(duì)于Ф1.2 mm靈敏度，信噪比為6 dB。一般認(rèn)為有效分辨出缺陷的信噪比至少需要3 dB，因此可以得出結(jié)論：在平面狀態(tài)下，采用目前的檢測(cè)手段可以有效檢測(cè)出Ф0.8 mm當(dāng)量以上的缺陷。

表2 不同探頭檢測(cè)的幅度和信噪比Table 2 Amplitude and SNR of different probes

3 曲面的影響

在超聲波水浸檢測(cè)時(shí)，零件的入射表面曲率會(huì)影響超聲波在零件內(nèi)部的聲場(chǎng)分布。對(duì)于本項(xiàng)目中雙合金盤件的結(jié)構(gòu)，中心孔的直徑只有Ф16～Ф18 mm，如此小的孔徑勢(shì)必會(huì)使超聲傳播時(shí)具有不同于平面結(jié)構(gòu)的傳播特性，進(jìn)而使檢測(cè)時(shí)的靈敏度、聲束尺寸和橫向分辨力等都受到影響。

為了研究零件表面曲率對(duì)檢測(cè)的影響，研究人員首先利用軟件模擬了實(shí)際盤件檢測(cè)時(shí)不同探頭在材料中的聲場(chǎng)分布情況。在進(jìn)行聲場(chǎng)模擬計(jì)算前首先利用軟件對(duì)檢測(cè)場(chǎng)景進(jìn)行了描述，描述過(guò)程中實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程被簡(jiǎn)化成如圖7所示。

圖7 雙合金整體葉盤超聲檢測(cè)模擬Fig.7 Ultrasonic evaluation simulation of dual-alloy blisk

具體的模擬實(shí)驗(yàn)配置為：材料為Ni基高溫合金，聲速和密度分別為6 000 m/s和8.3 g/cm3，探頭與被檢材料之間采用水耦合，耦合距離為20 mm。入射面為盤件的內(nèi)孔，孔直徑為18 mm。焊縫面為直徑125 mm的環(huán)形，與盤件內(nèi)孔同心。所用的探頭為表1中所列的1～4號(hào)探頭。模擬結(jié)果如圖8—11所示。

圖8 1號(hào)探頭的聲場(chǎng)模擬Fig.8 Sound field simulation of probe No.1

圖9 2號(hào)探頭的聲場(chǎng)模擬Fig.9 Sound field simulation of probe No.2

圖10 3號(hào)探頭的聲場(chǎng)模擬Fig.10 Sound field simulation of probe No.3

圖11 4號(hào)探頭的聲場(chǎng)模擬Fig.11 Sound field simulation of probe No.4

比較4個(gè)探頭的聲場(chǎng)模擬情況可以發(fā)現(xiàn)：同一探頭相比，x-z平面（有曲率方向）的聲場(chǎng)明顯更加發(fā)散，能量分布在很大的扇形區(qū)域內(nèi)；y-z平面（無(wú)曲率方向）則還保持了探頭聲場(chǎng)的正常形態(tài)，并未發(fā)生明顯的變形；不同探頭相比，2號(hào)探頭（15 MHz）的聲場(chǎng)在曲面的影響下保持了更好的指向性，更適合于檢測(cè)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際的雙合金試樣上進(jìn)行了縱波中心孔檢測(cè)試驗(yàn)，以驗(yàn)證本方法的檢測(cè)能力。試驗(yàn)采用15 MHz探頭進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖12，13所示。需要說(shuō)明的是，焊縫本身為環(huán)形分布的條帶狀結(jié)構(gòu)，是三維結(jié)構(gòu)。經(jīng)超聲檢測(cè)后獲得的是二維平面圖，相當(dāng)于焊縫本身鋪平展開(kāi)，而圖中的顏色反映了反射信號(hào)的強(qiáng)弱，對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的色標(biāo)。

圖12 模擬盤試樣的C掃描圖像Fig.12 C-scan image of the mock-up sample

可以看出：現(xiàn)有檢測(cè)條件下，雙合金模擬試樣上的Ф3.2 mm和Ф2.0 mm平底孔都能夠有效發(fā)現(xiàn)，并達(dá)到6 dB以上的名義信噪比；而Ф1.2 mm平底孔則較模糊，雖然能夠勉強(qiáng)分辨出，但其名義信噪比只有不到3 dB，無(wú)法達(dá)到實(shí)際檢測(cè)對(duì)信噪比的要求；Ф0.8 mm平底孔未發(fā)現(xiàn)。

綜上，本研究用于檢測(cè)雙合金盤界面質(zhì)量的超聲縱波中心孔檢測(cè)方法的檢測(cè)能力能夠?qū)崿F(xiàn)Ф2.0 mm平底孔當(dāng)量缺陷的有效檢測(cè)。

為了驗(yàn)證實(shí)際檢測(cè)效果，對(duì)實(shí)際的雙合金盤件進(jìn)行了超聲檢測(cè)，并與解剖分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。首先沿虛線位置將盤件試樣縱向切開(kāi)，將焊縫位置連同附近的被焊材料一并切下制作金相試樣。如圖13所示，試樣中的位置1～5對(duì)應(yīng)于不同的金相觀測(cè)圖。其中位置5為焊接完好區(qū)域，金相圖中被焊材料連接緊密無(wú)縫隙，在C掃描圖中對(duì)應(yīng)綠色位置；位置1為未焊合區(qū)域，界面中有較大的間隙，對(duì)應(yīng)C掃描圖中白色區(qū)域；位置3為部分焊合區(qū)域，界面中有間隙但間隙較小且有斷續(xù)，對(duì)應(yīng)C掃描圖中紅色區(qū)域。表明超聲檢測(cè)出的缺陷位置與解剖分析結(jié)果吻合。

圖13 雙合金整體葉盤實(shí)際盤件的超聲檢測(cè)結(jié)果和對(duì)應(yīng)的金相分析結(jié)果Fig.13 Ultrasonic evaluation results of a real blisk and the corresponding metallography for dual-alloy blisk

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種利用90°聲反射鏡將超聲波信號(hào)入射到盤件內(nèi)孔孔壁的檢測(cè)方法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究可以得出如下結(jié)論：

(1)本底反射信號(hào)是影響檢測(cè)能力、靈敏度和信噪比的主要因素。

(2)零件內(nèi)孔曲面會(huì)使聲束沿盤件的周向方向被拉伸，進(jìn)而影響該方向的橫向分辨力。

(3)采用縱波中心孔檢測(cè)方法時(shí)，在考慮了信噪比和曲面影響的情況下，2號(hào)探頭效果最佳。

(4)在模擬雙合金盤試樣上的驗(yàn)證試驗(yàn)表明，本方法可有效發(fā)現(xiàn)不小于Ф2.0 mm平底孔當(dāng)量的缺陷。

(5)采用該方法在實(shí)際雙合金盤件上檢測(cè)，可以識(shí)別出焊合區(qū)、未焊合區(qū)和部分焊合區(qū)，與解剖后的金相分析結(jié)果表現(xiàn)出較好的一致性。