航空发动机盘件径轴向裂纹底波监控超声检测方法研究.docx

航空发动机盘件径轴向裂纹底波监控超声检测方法研究杨 平 华 1， 2，梁 菁 1， 2，王 铮 1， 2，高 祥 熙 1， 3（ 1. 中航 工 业北 京 航空材 料 研究 院 ，北京 100095；2. 航 空 材 料 检 测 与 评 价 北 京 市 重 点 实 验 室 ， 北 京 100095；3. 中 航 （ 试 金 石 ） 检 测科技 有 限公 司 ，北京 100095）摘 要 ： 针 对 某 航 空 发 动 机 盘 件 中 的 径 轴 向 裂 纹 ， 通 过 对 声 束 入 射 角 度 以 及 探 头 参 数 的 优 化 ， 建 立 了 径 轴 向 裂纹 的 底 波 监 控 超 声 检 测 方 法 研 究 发 现 ： 与 垂 直 入 射 相 比 ， 采 用 小 角 度 纵 波 斜 入 射 底 波 监 控 超 声 检 测 方 法 可提 高 超 声 波 对 裂 纹 的 敏 感 程 度 ； 使 用 入 射 角 为 2°的 10MHz聚 焦 探 头 可 得 到 最 佳 检 测 效 果 ， 试 验 结 果 与 数 值 模 拟具 有 良好的一致 性 本 研 究结果对于 径 轴向裂纹底 波 监控超声检 测 方法的工程 应 用具有重要 参 考价 值 。

关键 词 ： 超声检测 ； 径轴向裂纹 ； 底波监 控 ；小角 度 斜入射YANG Pinghua1, 2， LIANG Jing1, 2， WANG Zheng1, 2，GAO Xiangxi1, 3（ 1. AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095， China；2. Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation， Beijing 100095， China； 3. AVIC Testing Innovation Cooperation， Beijing 100095， China）Based on the optimization of the incidence angle of ultrasonic beam as well as probe parameters， an ultrasonic back-wall echo monitoring method was established for the detection of radial-axial crack of aircraft engine disk. The research reveals that， in contrast with the normally incident wave beam， performing the ultrasonic back-wall echo monitoringmethod with a small angle incidence longitudinal wave will enhance the sensitivity of ultrasonic evaluation of cracks. The optimal results could be obtained by using a 10MHz ultrasonic focusing probe， with the incidence angle of 2° . The experiments show good agreements with the numerical simulation results. The study results are of great reference value to the application of ultrasonic back-wall echo monitoring method for the evaluation ofradial-axial cracks．ultrasonic testing， radial-axial crack， back-wall echo monitoring， small angle oblique incidence发 动 机 盘 件 是 航 空 发 动 机 的 关 键 部 件 之 一 ， 往 往 要 在 高 温 、 高 速 、 高 负 荷 等 恶 劣 环 境 中 工 作 ， 在制 造 过 程 中 产 生 的 裂 纹 等 缺 陷 ， 会 对 航 空 发 动 机 的 安 全 运 行 造 成 重 大 威 胁 [1]。

如 何 准 确 而 有 效 地 检 测作者简 介 ： 杨平华，工 程 师，： 010-62496465， Email： yangpinghua@1出 航 空 发 动 机 盘 件 中 的 裂 纹 类 缺 陷 ， 引 起 了 国 内 外 研 究 者 的 广 泛 关 注 然 而 ， 盘 件 裂 纹 的 超 声 检 测 仍存 在 诸 多 问 题 首 先 ， 盘 件 中 的 裂 纹 往 往 垂 直 于 端 面 延 伸 ， 而 超 声 波 声 束 多 从 端 面 入 射 进 行 检 测 ， 裂 纹 取 向 不 利 于 检 测 ； 其 次 ， 针 对 开 口 裂 纹 ， 通 常 采 用 体 波 、 纵 波 、 表 面 波 、 背 散 射 共 振 和 模 式 转 换 等 裂 纹 尖 端 反 射 技 术 进 行 检 测 [2,3]， 然 而 ， 裂 纹 尖 端 对 于 声 波 的 吸 收 和 散 射 明 显 ， 而 反 射 较 弱 ， 因 此 采 用 裂 纹 尖 端 反 射 技 术 难 以 准 确 检 测 裂 纹 [4]； 另 外 ， 实 际 盘 件 中 产 生 的 裂 纹 多 为 闭 合 裂 纹 ， 尺 寸 小 ， 闭 合 紧，声 波 对裂 纹 反应不 敏 感， 从 而降低 了 检测 的 可靠性。

国 内 外 研 究 者 在 裂 纹 的 超 声 检 测 方 面 进 行 了 大 量 研 究 ， 并 取 得 了 一 定 成 果 车 俊 铁 [5]等 设 计 制 作 试 块 研 究 了 不 同 构 件 中 裂 纹 宽 度 、 深 度 以 及 取 向 对 超 声 波 检 测 的 影 响 ； 莫 润 阳 [6]等 采 用 小 角 度 纵 波 技 术 ， 在 30CrMSiA钢 试 样 表 面 上 制 作 高 度 为 1.5-8mm的 小 裂 纹 进 行 检 测 试 验 ， 证 明 该 方 法 可 提 高 超 声 对 疲 劳 小 裂 纹 的 反 应 ； S.R. Ahmed[7]等 采 用 超 声 小 角 度 检 测 方 法 对 不 加 载 情 况 下 的 微 小 闭 口 裂 纹 进 行 了 定 量 检 测 ， 结 果 表 明 该 方 法 对 于 近 表 面 及 底 面 的 开 口 及 闭 合 裂 纹 均 具 有 良 好 的 检 测 效 果 但 是 ， 以 上 研 究 仅 针 对 于 人 工 制 作 的 模 拟 裂 纹 缺 陷 ， 且 大 多 尚 在 实 验 室 研 究 阶 段 ， 研 究 结 果 是 否 适 用 于 实 际 盘 件 上 的 自 然 裂 纹 尚 不 确 定 ； 同 时 ， 上 述 研 究 大 都 采 用 脉 冲 反 射 法 ， 仍 难 以 克 服 裂 纹 反 射 信 号 弱 的 问 题 。

本 研 究 则 通 过 监 控 裂 纹 对 底 面 反 射 回 波 幅 度 的 影 响 ， 针 对 实 际 盘 件 加 工 过 程 中 发 现 的 径 轴 向 裂 纹 进 行 检 测 试 验 和 数 值 模 拟 ， 优 化 了 声 束 入 射 角 度 以 及 探 头 参 数 等 重 点 参 数 ， 取 得 了 良 好 的 效 果 本 研 究 的 试 验 对 象 为 图 1 （ a） 所 示 的 镍 基 高 温 合 金 GH4169盘 件 ， 在 该 盘 件 内 缘 （ 厚 度 19mm） 发 现了 5 条径 轴 向裂 纹 ， 图 1 （ b） 给出 了 裂纹 分 布及取 向 的局 部 放大 图 a） 盘件实 物 照片 （ b） 盘 件内缘径轴 向 裂纹分布及 取 向局部放大图图 1 试 验 对象试 验 采 用 LS-200-LP超 声 水 浸 C扫 描 系 统 进 行 ， 该 设 备 具 有 六 轴 运 动 控 制 系 统 ， 可 对 探 头 角 度 进 行连续和 精 确的 调 整采 用 小角 度 纵波斜 入 射底 波 监控法 进 行裂 纹 检 测 ， 检 测 示 意 图 见 图 2。

探 头 在 调 定 的 入 射 角 度 下 ， 与 盘 件 端 面 保 持 一 定 的 水 程 并 沿 圆 周 方 向 进 行 扫 查 ， 将 闸 门 置 于 第 一 次 底 面 反 射 回 波 位 置 ， 通 过 比 较 不 同 部 位 底 反 射 信 号 幅 度 的 变 化 来 判 断 缺 陷 情 况 分 别 采 用 不 同 入 射 角 度 、 不 同 频 率 的平探 头 和聚 焦 探 头 ，将 焦 点 （ 或 N点 ） 置 于 盘件表 面 及内 部 不同 深 度 ， 进 行 检 测 参 数 的 优 化 试 验 所 使用的 探 头参 数 见表 1图 2 检 测 示意图2表 1 试 验所用 探 头参数小 角 度 纵 波 一 般 指 在 第 二 介 质 中 折 射 角 小 于 15°的 纵 波 ， 由 于 其 独 特 的 传 播 特 点 ， 被 用 于 检 测 奥氏 体 不 锈 钢 小 裂 纹 、 铝 合 金 胶 接 界 面 的 紧 粘 型 脱 粘 ， 以 及 支 柱 瓷 绝 缘 子 裂 纹 等 缺 陷 [4] 为 了 提 高 超 声 波 信 号 对 裂 纹 的 敏 感 程 度 ， 在 此 主 要 采 用 小 角 度 纵 波 底 波 监 控 方 法 进 行 检 测 ， 使 用 3#探 头 ， 通 过 调 整 水 程 距 离 使 焦 点 落 于 盘 件 表 面 ， 并 改 变 探 头 角 度 ， 使 声 束 分 别 以 0°、 1°、 2°、 3°入 射 ， 试 验 确 定 最佳声 束 入射 角 度 。

C扫描 图 像见图 3图 3 不同声 束 入射 角 度下的 底 波监控 C扫 描 图像由 图 3可 见 ， 声 束 垂 直 入 射 时 ， 在 C扫 描 图 像 上 只 能 观 察 到 轻 微 异 常 ， 这 在 实 际 检 测 中 并 不 能 作 为 缺陷判 定 的依 据 ；随着 入 射角度 的 增 大 ， 裂 纹显示 逐 渐清 晰 ， 当 声 束 入 射 角 为 2° （ 在 盘 件 中 的 折 射 角 约 为 8°） 时 ， 5条 裂 纹 均 清 晰 可 见 ， 检 测 效 果 最 佳 ； 当 继 续 增 大 入 射 角 至 3°时 ， 裂 纹 成 像 畸 变 严 重 ， 距 离 较 近 的 裂 纹 边 缘 有 重 叠 分 析 认 为 ， 垂 直 入 射 时 ， 主 声 束 如 图 2中 的 声 线 a所 示 ， 由 于 裂 纹 取 向 不 利，导 致 超声 波 信号对 裂 纹的 反 应不敏 感 当入 射 角为 2°时 ，主声 束 如 图 2中 的 声 线 b所 示 ， 正 。