GH4169G低壓渦輪盤“臟白斑”水浸超聲C掃檢測分析

李 玲 張 運 黃志新 張 策 張倩蘭 李 欣

（中國航發(fā)航空科技股份有限公司，四川 成都 610503）

0 引言

GH4169/GH4169G合金是目前使用量最大的沉淀強化型鎳基高溫合金，常用于航空發(fā)動機渦輪盤。由于GH4169合金的化學成分和合金錠的凝固條件，因此可能產(chǎn)生較嚴重的成分偏析。Nb是合金中最主要的偏析元素，Nb的偏析會導致產(chǎn)生富Nb的塊狀Laves相，使合金的沖擊性能和塑性急劇降低；同時，枝晶間富Nb、Ti，枝晶干貧Nb、Ti，使材料成品中出現(xiàn)粗細晶條帶偏析，造成組織與性能不均勻，影響產(chǎn)品質(zhì)量。當合金枝晶間的微觀偏析到一定程度時，就會產(chǎn)生“黑斑”、“白斑”以及尺寸較大的C、N 夾雜物，從而導致鋼錠報廢[1]。

某GH4169G低壓渦輪盤經(jīng)加工腐蝕檢查后，在盤徑向距圓周45mm處發(fā)現(xiàn)1塊長條亮腐蝕區(qū)（尺寸約為12 mm×3 mm），經(jīng)外觀檢查、金相分析以及能譜分析，判定該表面腐蝕可見的淺腐蝕區(qū)域為貧Nb偏析產(chǎn)生的白斑，同時白斑附近有碳化物聚集，其中夾雜少量Mg、Al氧化物。清查該低壓渦輪盤水浸超聲檢測記錄和C掃圖，發(fā)現(xiàn)在對應區(qū)域的某個檢測面，超聲檢測有異常顯示，但是顯示波幅較低，根據(jù)超聲驗收標準評定，其符合驗收要求。

筆者覺得有必要對GH4169/GH4169G這類缺陷的超聲檢測進行理論和實踐分析，優(yōu)化超聲檢測工藝，盡量提高此類缺陷的檢出率。

1 低壓渦輪盤腐蝕、金相及能譜分析情況

在加工過程對某GH4169G低壓渦輪盤進行腐蝕檢查，在盤徑向距圓周45 mm處發(fā)現(xiàn)1塊長條亮腐蝕區(qū)（尺寸約為12 mm×3 mm），表面經(jīng)人工打磨后重新進行腐蝕檢查，淺色區(qū)域仍然存在。

根據(jù)公司《合金低倍、高倍組織檢驗（GH 4169）》技術(shù)條件的要求，要對腐蝕發(fā)現(xiàn)的長度大于2.5 mm的異常顯示進行微觀檢查，結(jié)果如下：通過外觀檢查、金相分析以及能譜分析可知，表面腐蝕可見的淺腐蝕區(qū)域為貧Nb偏析產(chǎn)生的“白斑”，宏觀尺寸和微觀晶粒度均不符合標準要求。同時，“白斑”附近有碳化物聚集，其中夾雜少量Mg、Al氧化物。

2 低壓渦輪盤超聲檢測情況分析

根據(jù)《變形高溫合金圓餅及盤件超聲波檢驗（HB/Z 34—1998 AAA）》對該低壓渦輪盤進行水浸超聲檢測，檢測面為UA、UB、UC、UD和UE，其檢測示意圖如圖1所示。

圖1 某低壓渦輪盤水浸超聲檢測示意圖（單位：mm）

根據(jù)驗收標準，當使用?0.4 mmFBH的檢測靈敏度對其進行檢測時，其UD面C掃圖和TOF圖如圖2所示。由圖2可知，有2處明顯區(qū)別于底色的線狀顯示，波幅最高顯示的埋深為37.37 mm，最高波幅為45.69%FSH，當量相當于?0.4 mm-5 dB。

圖2 某低壓渦輪盤UD面的缺陷檢測C掃圖及TOF圖

3 “臟白斑”類缺陷的超聲檢測分析

3.1 超聲波檢測缺陷的物理基礎(chǔ)

當超聲波垂直入射到2種介質(zhì)的界面時（如圖3所示），一部分能量透過界面進入第二種介質(zhì)，成為透射波（透射聲強為It），波的傳播方向不變；另一部分能量則被界面反射回來，沿與入射波相反的方向傳播，成為反射波（反射聲強為Ir）。聲波的這一性質(zhì)是超聲波檢測缺陷的物理基礎(chǔ)[2]。

圖3 超聲波垂直入射到平界面時的反射和透射

聲強反射率R為反射波聲強Ir和入射波聲強I0的比；聲強透射率T為透射波聲強It和入射波聲強I0的比。

式中：R為聲強反射率；T為聲強透射率；I0為入射波聲強；Ir為反射波聲強；Z1為第一種介質(zhì)的聲阻抗；Z2為第二種介質(zhì)的聲阻抗。

根據(jù)能量守恒定律可知，I0=It+Ir，R+T=1。由公式（1）、能量守恒定律可知，界面兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗的差異決定反射能量和透射能量的比例。差異越大，反射聲能越大，透射聲能越小。

當界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗非常接近時，反射率幾乎為0，聲波接近完全透射，這是造成一些聲阻抗接近基體材料的缺陷不易被檢出的原因。這些缺陷的典型例子有鈦合金中的硬α夾雜物、鈦合金和高溫合金材料中的偏析等[2]。

當需求達到足夠的強度水平時，就會形成動機。美國心理學家弗雷德里克·赫茨伯格提出了雙因素理論，他認為影響工作積極性的因素分為激勵因素和保健因素，前者的滿足導致工作滿意，后者的滿足能減少工作的不滿意感，兩者缺一不可。同理，要使得消費者形成消費動機，除消除不滿意因素是不夠的，還必須提供能激發(fā)購買的滿意因素。

“白斑”是一種負偏析，其定義如下：由于碳化物或碳化物形成元素和強化元素減少，因此導致負偏析，并在腐蝕面上呈淺色區(qū)域。從超聲檢測的理論來分析，通過超聲檢測的方法很難檢出“白斑”，針對超聲檢測的這一局限性，腐蝕工序就顯得尤為重要了。

3.2 微夾雜物的超聲檢測

在該低壓渦輪盤的淺腐蝕區(qū)域取高倍樣磨制表面，拋光態(tài)觀察可見淺腐蝕區(qū)附近有1個鏈狀夾雜物，夾雜中包括大量淺色夾雜和少量深黑色夾雜2種形貌。對該鏈狀物進行能譜分析，結(jié)果顯示淺灰色夾雜為含Ti、N以及C較高的夾雜物，深黑色夾雜主要含O、Al以及Mg元素。因此該低壓渦輪盤的“白斑”可以稱為“臟白斑”，“白斑”內(nèi)包括夾雜物，這也是該“白斑”會在超聲檢測時顯示的原因。

夾雜物和基體所構(gòu)成界面上聲阻抗的差異決定聲反射系數(shù)，直接影響夾雜物的檢出和定量。不同夾雜物聲反射系數(shù)和相關(guān)物理參數(shù)見表1。由此可見，不同性質(zhì)的夾雜物，即使尺寸相同，反射波幅度也可能相差很多。同時也可以看出，當使用超聲法檢測時，要建立夾雜物尺寸和相應回波幅度間的關(guān)系是很難的[2]。

表1 不同夾雜物聲反射系數(shù)和相關(guān)物理參數(shù)（基體為Astroloy）

由表1可以得出以下2個結(jié)論：1） 在基體與空氣的界面幾乎沒有透射聲能，只有反射聲能，反射率為100%，這是在檢測具有空氣隙的缺陷（例如裂紋、分層）時的有利因素（缺陷反射率很高）。2） 基體與Al2O3、MgO的界面的反射率分別為3%、16%，因此在進行超聲檢測時，反射波幅度也比較低。同時該低壓渦輪盤淺腐蝕區(qū)域帶有的夾雜物尺寸非常?。ㄎ⒚准墸?，因此在對該低壓渦輪盤進行水浸超聲檢測時，淺腐蝕區(qū)附近的鏈狀夾雜物僅僅引起了幅度為20%FSH～45.69%FSH的波形顯示，如圖2所示。

3.3 GH4169/GH4169G類盤件超聲檢測工藝分析

雖然超聲檢測對“臟白斑”不太敏感，但是腐蝕僅只能檢測暴露出來了的“白斑”，無法檢測內(nèi)部缺陷。而盤件作為關(guān)鍵件，其內(nèi)部質(zhì)量直接影響發(fā)動機的安全性，因此很有必要研究分析如何優(yōu)化超聲檢測工藝，盡量提高此類缺陷的檢出率，避免將含不符合要求缺陷的盤投入使用。

3.3.1 高靈敏度檢測的可行性分析

3.3.2 GH4169/GH4169G類盤件超聲檢測技術(shù)分析

為了檢測材料中的微小缺陷，需要提高缺陷反射的超聲信號幅度和信噪比。利用聚焦探頭水浸法檢驗可以明顯提高小缺陷的靈敏度和信噪比，并有利于實現(xiàn)自動檢測，避免人為因素影響，可以提高檢測的可靠性[3]。

3.3.3 GH4169/GH4169G類盤件水浸超聲檢測工藝要點

為了確認水浸超聲檢測的最佳工藝，盡量提高GH4169/GH4169G類盤件中較小缺陷的檢出率，針對上述工藝要點，該文從理論和實踐2個方面進行比較，情況如下：1） 水浸聚焦探頭頻率選擇10 MHz和5 MHz水浸聚焦探頭進行盤件檢測。當頻率高時，超聲波的波長短，發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力強。針對該低壓渦輪盤UD面，先使用10 MHz HGE-5827A探頭進行檢測，因為發(fā)現(xiàn)缺陷顯示，所以又使用5 MHz IX0519GB探頭進行復查，比較2個探頭的C掃檢測圖，10 MHz探頭檢測的缺陷顯示更明顯。因此對10 MHz探頭能穿透、能覆蓋檢測厚度的盤件來說，10 MHz的檢測頻率更合適。2） 聲束入射面的選擇。鍛造盤件的金屬流線方向基本平行于端面，兩端面是主要鍛造受力面，是可供選擇的、合適的聲束入射面，可以選擇兩端面為聲束入射面，必要時，也可以根據(jù)實際流線分布進行圓周面的縱波垂直入射或斜入射檢測[2]。

由圖2可知，該低壓渦輪盤的UD、UA面為兩對應面，且“臟白斑”所處區(qū)域厚度為42 mm，在10 MHz探頭檢測能力范圍內(nèi)，分析比較UD面、UA面10 MHz探頭檢測的C掃圖和TOF圖可以得出以下結(jié)論：1）UA面缺陷顯示不明顯，UD面缺陷檢測效果比UA面缺陷檢測效果好。2）UA面和UD面的TOF圖均有異常顯示，UD面檢測的TOF圖顯示缺陷埋藏深度約為30 mm～38 mm，UD面檢測的TOF圖顯示缺陷埋藏深度約為13.5 mm，而UD、UA對應區(qū)域厚度為42 mm，因此對深度來說，UD面檢測所發(fā)現(xiàn)的顯示與UA面檢測所發(fā)現(xiàn)的顯示對應性較好，為同一缺陷。3）UA面的C掃圖中顯示波幅很低且信噪較差，而UA面的TOF圖中顯示信號相對突出，C掃圖和TOF有很好的對應關(guān)系，輔助TOF圖可以更好地對缺陷顯示進行分析。

綜上所述，有些缺陷顯示在某個方向較明顯，在對應面則可能不明顯，因此建議針對使用要求較高或容易產(chǎn)生細小缺陷的盤件盡量從雙面進行檢測。

4 結(jié)語

該文從理論和實踐上分析了GH4169/GH4169G材料 “臟白斑”超聲檢測的可行性和主要檢測工藝，得出以下4個結(jié)論：1） 超聲檢測不易發(fā)現(xiàn)鈦合金中的硬α夾雜物、鈦合金和高溫合金材料中的偏析。2） 在超聲檢測中可能會發(fā)現(xiàn)GH4169/GH4169G材料的“臟白斑”，但是通常波幅會比較低，應優(yōu)先選用頻率較高的水浸聚焦探頭，例如10 MHz探頭。3） 針對使用要求較高或容易產(chǎn)生細小缺陷的盤件，盡量進行雙面檢測。4） 水浸超聲C掃檢測時應結(jié)合A掃圖、C掃圖、底波損失圖以及TOF圖進行綜合評定。