粉末高溫合金微缺陷的超聲環(huán)形陣列全聚焦成像檢測(cè)

徐 娜，許路路，史亦韋，何方成

(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；4.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

粉末高溫合金材料具有成分均勻、無(wú)宏觀偏析、熱加工性能好、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)零件[1]，但由于粉末冶金的工藝特點(diǎn)，粉末高溫合金材料中可能會(huì)存在微小夾雜物，而粉末冶金制成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)件主要應(yīng)用于高溫、高應(yīng)力環(huán)境，即使存在微小的缺陷(0.1 mm)也會(huì)嚴(yán)重影響零件的安全性能。

目前主要采用超聲水浸多區(qū)聚焦檢測(cè)技術(shù)[2-3]對(duì)有高靈敏度檢測(cè)需求的大厚度粉末高溫合金零件進(jìn)行檢測(cè)，即采用多個(gè)不同焦距的水浸聚焦探頭分別覆蓋一個(gè)深度區(qū)域，使零件整個(gè)深度范圍均在探頭聚焦區(qū)內(nèi)，保證全深度范圍內(nèi)微缺陷的檢測(cè)靈敏度和信噪比，可檢出φ0.4 mm-18 dB平底孔當(dāng)量的缺陷。

隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相控陣超聲成為近年來(lái)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，包括基于實(shí)時(shí)成像的常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)和相控陣超聲后處理成像技術(shù)[4-5]。采用的陣列探頭由一組相互獨(dú)立的壓電晶片組成，改變不同陣元晶片的形狀和排列方式，可設(shè)計(jì)出一維線陣、二維面陣、環(huán)形陣列等多種類(lèi)型的探頭，其中，環(huán)形陣列探頭的聲場(chǎng)呈完全軸對(duì)稱(chēng)分布[6]，具有優(yōu)越的軸向聚焦能力，能由較少數(shù)量的陣元在中心軸線上形成高分辨率的聚焦聲場(chǎng)，較符合粉末高溫合金材料的高靈敏度檢測(cè)要求。

基于超聲環(huán)形陣列的常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)通過(guò)控制發(fā)射的延遲時(shí)間將聲束聚焦于某一深度位置，會(huì)使得不同深度聲場(chǎng)的分布不均勻，存在檢測(cè)靈敏度和信噪比波動(dòng)大等問(wèn)題[7]。相控陣超聲后處理成像技術(shù)采用離線計(jì)算的方式對(duì)采集的全矩陣超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理成像，一次數(shù)據(jù)采集即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲束可達(dá)區(qū)域內(nèi)各個(gè)位置的聚焦檢測(cè)，其中全聚焦成像方法就是一種最常用的相控陣超聲后處理方法[8-9]。根據(jù)超聲環(huán)形陣列在三維空間內(nèi)可沿軸向聚焦的特點(diǎn)，采用全聚焦成像的數(shù)據(jù)后處理方法，一次數(shù)據(jù)采集即可在探頭中心軸線上實(shí)現(xiàn)足夠多的虛擬聚焦，最大化地提高聚焦點(diǎn)數(shù)量[10]。因此，筆者提出采用全聚焦成像方法來(lái)對(duì)粉末高溫合金中微小缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

1 環(huán)形陣列的聲場(chǎng)分布

超聲陣列探頭的聲束合成性能直接影響超聲回波信號(hào)的幅值和信噪比。筆者采用CIVA軟件分析研究了超聲線陣、環(huán)形陣列探頭的三維聲場(chǎng)能量分布特點(diǎn)。

頻率為10 MHz、陣元晶片個(gè)數(shù)為32、陣元間距為0.6 mm的線形陣列探頭聚焦于40 mm深度位置時(shí)的聲場(chǎng)分布如圖1所示，可見(jiàn)超聲線陣探頭在沿陣元排列方向上聲束聚焦能力很強(qiáng)，但在沿陣元寬度方向上聲束沒(méi)有形成聚焦。頻率為10 MHz、陣元晶片個(gè)數(shù)為14的環(huán)形陣列探頭聚焦于40 mm深度位置時(shí)的聲場(chǎng)分布如圖2所示，由于環(huán)形陣列探頭的陣元晶片是軸對(duì)稱(chēng)的，沿中心軸線上的主瓣能量分布非常集中，采用較少的陣元晶片便可表現(xiàn)出極為優(yōu)越的聲場(chǎng)聚焦特性，因此很適合粉末高溫合金材料的高靈敏度檢測(cè)。

圖1 線陣探頭的聲場(chǎng)分布

圖2 環(huán)形陣列探頭的聲場(chǎng)分布

通常使用超聲環(huán)形陣列探頭，基于相控陣多深度聚焦檢測(cè)技術(shù)，設(shè)置聚焦延遲法則使同一環(huán)形陣列發(fā)射的聲束分別聚焦于不同深度的位置，以代替多個(gè)不同焦距的常規(guī)水浸聚焦探頭，從而實(shí)現(xiàn)粉末高溫合金材料的C掃描檢測(cè)[7]。通過(guò)CIVA仿真軟件模擬環(huán)形陣列探頭不同聚焦深度時(shí)的聲場(chǎng)分布。當(dāng)聚焦深度較淺時(shí)，聲場(chǎng)能量高度集中在較小的焦區(qū)內(nèi)，而在該聚焦深度范圍外聲束會(huì)明顯發(fā)散，但隨著聚焦深度的增加，聲場(chǎng)聚焦效果逐漸下降，焦柱的軸向長(zhǎng)度會(huì)逐漸增加。圖3為環(huán)形陣列探頭聚焦于20，50,90 mm深度時(shí)的聲場(chǎng)分布。采用多深度聚焦檢測(cè)方法時(shí)，對(duì)于深度較淺的缺陷，當(dāng)其深度接近于聚焦深度時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出極好的檢測(cè)靈敏度和信噪比，而遠(yuǎn)離聚焦深度位置的缺陷，其檢測(cè)靈敏度和信噪比會(huì)顯著下降。這說(shuō)明該技術(shù)存在檢測(cè)靈敏度和信噪比波動(dòng)大的問(wèn)題，還可能會(huì)導(dǎo)致缺陷漏檢。

圖3 不同聚焦深度下環(huán)形陣列探頭的聲場(chǎng)分布

為了解決上述問(wèn)題，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)只能設(shè)置較多的聚焦深度，而過(guò)多的聚焦深度會(huì)降低采集的重復(fù)頻率，進(jìn)而影響檢測(cè)效率，因此，文章提出采用全矩陣捕捉法采集數(shù)據(jù)，并基于全聚焦成像的數(shù)據(jù)后處理方法，以最大化提高在探頭軸線方向上的聚焦點(diǎn)數(shù)量。

2 環(huán)形陣列的全聚焦成像算法

采用一個(gè)包含N個(gè)陣元晶片的環(huán)形陣列探頭采集一組全矩陣數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4)，首先激勵(lì)環(huán)形陣列探頭中第1號(hào)陣元晶片，并讓探頭中所有陣元晶片并行接收，將采集的回波數(shù)據(jù)定義為S1,r，其中r=1,2,…,N，共采集到N組數(shù)據(jù)；然后按照上述采集步驟，依次激勵(lì)環(huán)形陣列探頭中各個(gè)陣元晶片，共可獲得N×N組回波數(shù)據(jù)，定義為St,r，其中t=1,2,…,N。由于環(huán)形陣列探頭的陣元晶片數(shù)量較少，全矩陣數(shù)據(jù)采集所消耗的時(shí)間和采集的數(shù)據(jù)量都遠(yuǎn)小于其他類(lèi)型陣列探頭的。

圖4 超聲環(huán)形陣列的全矩陣數(shù)據(jù)采集示意

依次根據(jù)探頭中心軸線上每個(gè)離散聚焦點(diǎn)的傳播時(shí)間，從全矩陣數(shù)據(jù)中提取對(duì)應(yīng)時(shí)刻的幅值并進(jìn)行疊加，即可獲得沿探頭軸線方向上不同深度聚焦點(diǎn)的成像信息。超聲環(huán)形陣列的全聚焦成像算法示意如圖5所示，在成像過(guò)程中，對(duì)于被測(cè)區(qū)域中某一聚焦點(diǎn)(0,z)的幅值可表示為

圖5 超聲環(huán)形陣列的全聚焦成像算法示意

式中:tt,r(0,z)為聲波從第t號(hào)陣元傳播到(0,z)，再被r號(hào)陣元接收所用的傳播時(shí)間。

該傳播時(shí)間可表示為

tt,r(0,z)=

式中：cw為耦合層(水或楔塊)中的聲速;cs為試樣中的聲速;xt為第t號(hào)激勵(lì)陣元的位置;xr為第r號(hào)接收陣元的位置;xm為發(fā)射聲波在耦合層-試樣界面的折射點(diǎn)位置;xn為接收聲波在耦合層-試樣界面的折射點(diǎn)位置；h為耦合層的高度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)條件

采用M2M公司的PANTHER型相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備，并配合自主研制的超聲水浸檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)一組不同埋深的φ0.4 mm平底孔粉末高溫合金對(duì)比試塊進(jìn)行檢測(cè)，試塊埋深分別為1.52，3.20，6.35，12.70，19.05，31.75，44.45，57.15，63.50，76.20，88.90，101.60 mm。試驗(yàn)驗(yàn)證了全聚焦成像方法的檢測(cè)能力，并與常規(guī)相控陣超聲多深度聚焦檢測(cè)方法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)采用IMASONIC公司生產(chǎn)的超聲環(huán)形陣列探頭，中心頻率為10 MHz，陣元晶片為14個(gè)，有效晶片直徑為32 mm。

3.2 檢測(cè)靈敏度

在上述粉末高溫合金平底孔對(duì)比試塊上，分別采用全聚焦成像方法和多深度聚焦檢測(cè)方法開(kāi)展檢測(cè)靈敏度試驗(yàn)。全聚焦成像方法的聚焦點(diǎn)間隔為0.1 mm，多深度聚焦檢測(cè)方法采用了2種聚焦法則，其中法則1的聚焦起點(diǎn)為10 mm、聚焦終點(diǎn)為100 mm，聚焦點(diǎn)間隔為15 mm，共計(jì)7個(gè)聚焦深度；法則2的聚焦起點(diǎn)為10 mm、聚焦終點(diǎn)為100 mm，聚焦點(diǎn)間隔為10 mm，共計(jì)10個(gè)聚焦深度。

不同檢測(cè)靈敏度埋深為89 mm的φ0.4 mm平底孔的全聚焦成像結(jié)果如圖6所示。通過(guò)試驗(yàn)可知，采用全聚焦成像方法對(duì)埋深為6.35，12.70，19.05，31.75，44.45，57.15，63.50，76.20，88.90，101.60 mm的平底孔進(jìn)行檢測(cè)，均能達(dá)到φ0.4 mm+18 dB的檢測(cè)靈敏度。

圖6 不同檢測(cè)靈敏度埋深為89 mm的φ0.4 mm平底孔的全聚焦成像結(jié)果

將全聚焦成像方法和多深度聚焦檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，分別記錄下不同埋深平底孔缺陷在反射信號(hào)幅值達(dá)到80%波高時(shí)所需要的增益，繪制成檢測(cè)靈敏度曲線(見(jiàn)圖7)。由圖7可見(jiàn)，采用多深度聚焦檢測(cè)方法，當(dāng)聚焦深度為7個(gè)時(shí)，檢測(cè)靈敏度一致性波動(dòng)較大，但當(dāng)聚焦深度增加到10個(gè)時(shí)，檢測(cè)靈敏度的一致性得到有效改善；采用全聚焦成像方法得到的增益變化曲線十分平穩(wěn)，檢測(cè)結(jié)果表現(xiàn)出很高的靈敏度一致性。

圖7 3種檢測(cè)方法的檢測(cè)靈敏度曲線

3.3 信噪比

對(duì)于高靈敏度檢測(cè)，噪聲信號(hào)會(huì)較為明顯，因此，在φ0.4 mm平底孔當(dāng)量靈敏度下增加18 dB，記錄噪聲水平，進(jìn)一步評(píng)價(jià)檢測(cè)信噪比。采用全聚焦成像方法在φ0.4 mm+18 dB的檢測(cè)靈敏度下，除埋深為101.60 mm平底孔缺陷的噪聲為35%外，其余均為5%～20%，各平底孔的信噪比如表1所示。3種檢測(cè)方法的信噪比變化曲線如圖8所示，可見(jiàn)，多深度聚焦檢測(cè)方法的信噪比波動(dòng)也較大，當(dāng)聚焦深度為7個(gè)時(shí)，信噪比為10.0～21.2 dB;當(dāng)聚焦深度為10個(gè)時(shí)，信噪比為7.2～32.0 dB。在信噪比方面，全聚焦成像方法與多深度聚焦檢測(cè)方法基本相當(dāng)，在φ0.4 mm+18 dB的檢測(cè)靈敏度下，二者均滿(mǎn)足信噪比不小于6 dB的要求。

表1 φ 0.4 mm+18 dB靈敏度下各平底孔全聚焦成像的信噪比

圖8 3種檢測(cè)方法的信噪比變化曲線

3.4 近表面分辨力

相控陣超聲檢測(cè)的近表面分辨力普遍較差，這是因?yàn)殛嚵刑筋^多個(gè)陣元晶片發(fā)射和接收時(shí)不同步，進(jìn)而界面反射回波信號(hào)到達(dá)探頭的時(shí)間不一致，在時(shí)基線上占寬較大，從而造成近表面缺陷回波與界面回波發(fā)生混疊，出現(xiàn)較大的近表面盲區(qū)。

分別對(duì)埋深為1.52,3.20,6.35 mm的φ0.4 mm平底孔進(jìn)行全聚焦成像檢測(cè)，在φ0.4 mm檢測(cè)靈敏度下，使埋深為6.35 mm平底孔的回波信號(hào)達(dá)到滿(mǎn)量程為80%時(shí)，與其相鄰界面回波的相交處信號(hào)不大于滿(mǎn)量程的20%，可以與界面回波明顯區(qū)分，而埋深1.52和3.20 mm的平底孔則無(wú)法分辨。采用上述多深度聚焦檢測(cè)方法，聚焦于第一分區(qū)(即10 mm深度位置)時(shí)，結(jié)果顯示3個(gè)不同埋深的平底孔均難以分辨。

為了改善相控陣超聲檢測(cè)的近表面分辨力，文獻(xiàn)[7]提出了一種變孔徑的聚焦法則，即在檢測(cè)近表面區(qū)域時(shí)采用較少的陣元晶片。因此，文中提出變孔徑的超聲環(huán)形陣列全聚焦成像方法，即選擇環(huán)形陣列探頭中部分陣元的全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理成像計(jì)算。

采用超聲環(huán)形陣列探頭中第1～6號(hào)陣元對(duì)上述3個(gè)不同埋深的平底孔進(jìn)行全聚焦成像和多深度聚焦檢測(cè)。埋深為3.2 mm平底孔的變孔徑全聚焦成像結(jié)果如圖9所示，可見(jiàn)，全聚焦成像方法可以發(fā)現(xiàn)3.2 mm埋深的平底孔缺陷，且檢測(cè)靈敏度可提高到φ0.4 mm+18 dB，近表面分辨力有所改善，但1.52 mm埋深的平底孔仍不能分辨。多深度聚焦檢測(cè)方法的近表面分辨力也有所提高，可發(fā)現(xiàn)埋深為3.2 mm的平底孔缺陷，但當(dāng)檢測(cè)靈敏度增加到為φ0.4 mm+12 dB時(shí)，該平底孔信號(hào)已不能與界面回波區(qū)分。由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，全聚焦成像方法的近表面分辨力明顯優(yōu)于多深度聚焦檢測(cè)方法的。

圖9 埋深為3.2 mm平底孔的變孔徑全聚焦成像結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

超聲環(huán)形陣列全聚焦成像技術(shù)可以滿(mǎn)足粉末高溫合金材料φ0.4 mm+18 dB的高靈敏度檢測(cè)要求，與常規(guī)相控陣多深度聚焦檢測(cè)方法相比，在靈敏度一致性、近表面分辨力等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，可為粉末高溫合金零件檢測(cè)提供一種可行的技術(shù)方案。