，，

（黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司，沈陽 110043）

粉末高溫合金特點(diǎn)為晶粒細(xì)小、組織均勻、無宏觀偏析、合金化程度高、屈服強(qiáng)度高、疲勞性能好，是制造高推比新型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、篦齒盤等最佳材料，我國某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)就用到了粉末材料（FGH96、FGH97）。渦輪盤、篦齒盤是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件，在高溫工作環(huán)境下承受更高的載荷，工作條件十分苛刻，同時(shí)粉末盤的缺點(diǎn)是導(dǎo)致疲勞斷裂的臨界缺陷尺寸微小，也就是說微小缺陷也將嚴(yán)重影響零件的使用性能，甚至造成災(zāi)難性的后果［1]。因此采用先進(jìn)的無損檢測技術(shù)對粉末渦輪盤、篦齒盤進(jìn)行質(zhì)量控制，保證零件的安全使用，具有非常重要的意義。

1 粉末盤的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)

資料表明，粉末高溫合金中的缺陷有三種，即原始顆粒邊界、熱誘導(dǎo)孔洞和非金屬夾雜物，其中原始顆粒邊界和熱誘導(dǎo)孔洞可通過改進(jìn)工藝得到解決，但夾雜物通過現(xiàn)有的粉末制造和處理工藝不能完全消除［2]，因此需要采用無損檢測方法進(jìn)行控制，即要求無損檢測技術(shù)將驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的缺陷可靠地檢測出來。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是建立在損傷容限理論基礎(chǔ)上，損傷容限理論認(rèn)為任何結(jié)構(gòu)都存在缺陷，只要這些缺陷不超過某一容許尺寸，結(jié)構(gòu)就是安全的［1]。文中的FGH96粉末渦輪盤按設(shè)計(jì)規(guī)定，超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)φ0.4 mm－15 dB當(dāng)量（約φ0.2 mm），熒光檢測標(biāo)準(zhǔn)不允許任何缺陷；對于FGH97粉末篦齒盤，超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)為φ0.8 mm當(dāng)量平底孔，熒光檢測標(biāo)準(zhǔn)為夾雜物缺陷尺寸0.2 mm，數(shù)量不超過3個(gè)。

2 粉末盤的超聲檢測方案

粉末零件缺陷特點(diǎn)是尺寸小。為了檢測粉末零件中的微小缺陷，關(guān)鍵是提高小缺陷超聲反射信號(hào)幅度和信噪比。如何實(shí)現(xiàn)既能提高小缺陷反射幅度，同時(shí)又能提高信噪比？采用水浸聚焦探頭、高的檢測頻率是途徑之一。這是因?yàn)榫劢孤暿诮箙^(qū)能量高度集中，聲壓明顯提高，因而小缺陷反射幅度高；聲束穿過的基體材料體積較小，相應(yīng)引起的散射噪聲也較小，使得信噪比較好。但不同聚焦探頭參數(shù)不同，為了保證零件全厚度范圍的檢測靈敏度，超聲檢測工藝參數(shù)的制訂至關(guān)重要。

2.1 對比樣件的選擇與制作

超聲波檢測對比樣件是指檢測特定試件用的試塊，是調(diào)整儀器的靈敏度、評(píng)定缺陷大小的重要依據(jù)。按照超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求，超聲波檢測對比樣件的透聲性、聲速和聲阻抗應(yīng)與被檢查件相同或相近。FGH97粉末篦齒盤對比樣件的材料及制造工藝與ЭП741－НП粉末盤相近，因此FGH97粉末篦齒盤對比樣件的材料從成品ЭП741－НП粉末盤上切取。對比樣件平底孔直徑φ0.8 mm，其加工制作和鑒定由北京航空材料研究院完成；FGH96粉末渦輪盤的對比樣件材料及制造工藝與Rene88粉末材料相近，故FGH96粉末高渦盤采用Rene88材料1號(hào)平底孔試塊，平底孔直徑為φ0.4 mm。

2.2 超聲檢測系統(tǒng)

為了提高粉末盤超聲檢測精度及穩(wěn)定性，課題組采用目前世界上最先進(jìn)的LS200超聲水浸檢測系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)檢測過程完全由計(jì)算機(jī)程序控制，檢測可同時(shí)給出超聲A，B和C掃描數(shù)據(jù)，這三種記錄方式均可存儲(chǔ)，隨時(shí)調(diào)用。圖2為某粉末渦輪盤的超聲A，C掃描圖。從圖中可以清晰、直觀地看到缺陷在整個(gè)渦輪盤上的分布情況，通過超聲A掃描可精確地給出缺陷埋深和當(dāng)量尺寸。

圖1 LS200水浸超聲檢測系統(tǒng)

2.3 探頭的選擇

FGH96渦輪盤成形工藝為熱等靜壓＋包套鍛造，盤件的組織特點(diǎn)晶粒細(xì)小，晶粒度約為ASTM10級(jí)；FGH97篦齒盤采用熱等靜壓直接成形，組織特點(diǎn)相對FGH96渦輪盤粗，晶粒度約為ASTM6～8級(jí)。為了檢出粉末盤中微小缺陷，可提高探頭的檢測頻率，但對于給定的零件，選擇檢測用頻率應(yīng)是穿透力和分辨力的最佳折衷。由于粉末材料較貴重，粉末零件余量相對較小，考慮探頭近表面分辨力及厚大部位零件的穿透力，探頭晶片直徑選擇10 mm和25 mm；考慮FGH96渦輪盤較厚，最厚部位尺寸為155 mm，F(xiàn)GH97篦齒盤晶粒組織相對較粗，故探頭頻率選擇10 MHz；由于聚焦探頭比非聚焦探頭有更好的信噪比和檢測小缺陷的能力（圖3），因此選擇聚焦探頭；水浸檢測一次底波應(yīng)在二次界面波之前，且探頭焦點(diǎn)放在零件的不同深度，因此應(yīng)選擇不同焦距的探頭。具體參數(shù)見表1。

2.4 檢測面的選擇

為了提高粉末盤超聲檢測缺陷檢出幾率，將FGH96渦輪盤、FGH97篦齒盤的軸向及徑向均作為超聲檢測面。

表1 超聲波探頭參數(shù)

2.5 超聲波檢測區(qū)域的確定

傳統(tǒng)高溫合金超聲波檢測采用的是單個(gè)水浸聚焦探頭，將探頭焦點(diǎn)落在零件表面或某一深度區(qū)域，見圖4（a）；而粉末盤的超聲檢測采用的是多個(gè)探頭分區(qū)檢測，即使每一個(gè)探頭焦柱區(qū)落在零件的不同深度，這樣零件全厚度范圍超聲檢測均具有較高的檢測靈敏度，如圖4（b）所示。由于每個(gè)水浸聚焦探頭焦距、焦柱長度不同，根據(jù)表1探頭在鋼中焦柱長度，確定了粉末盤超聲檢測區(qū)域?yàn)?2.7 mm。

2.6 超聲波檢測靈敏度的確定

常規(guī)高溫合金盤件水浸法超聲波探傷靈敏度調(diào)節(jié)方法是，將水浸聚焦探頭的焦點(diǎn)放在零件的表面上，水距的大小等于焦距，通過一套不同埋深的對比樣件，制做TCG曲線，一般情況，采用TCG曲線一只探頭就可以掃查零件的整個(gè)區(qū)域。粉末零件的檢查與常規(guī)的高溫合金零件不同，它基本是利用水浸聚焦探頭的焦柱區(qū)進(jìn)行探傷的，如何將探頭焦柱區(qū)放到粉末盤超聲檢測的不同深度區(qū)域是需要通過試驗(yàn)來確定的。確定的方法是：調(diào)整水距，使來自每個(gè)區(qū)域平底孔埋深起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的兩個(gè)對比樣件反射信號(hào)盡可能調(diào)到熒光屏滿刻度的80%，兩個(gè)信號(hào)增益讀數(shù)偏差不超過1 dB，這種調(diào)節(jié)方法說明在零件的不同區(qū)域均進(jìn)行了高靈敏度的超聲檢測，即采用焦柱區(qū)檢測。

2.7 表面粗糙度的確定

超聲檢測分辨率與檢測靈敏度、表面粗糙度密切相關(guān)。粉末材料較貴重，零件的余量較小，渦輪盤余量3～5 mm，粉末篦齒盤余量2～2.5 mm。由于檢測靈敏度已經(jīng)確定，故表面粗糙度決定了分辨率，經(jīng)試驗(yàn)確定渦輪盤采用磨加工方式，零件表面粗糙度達(dá)到Ra0.8μm時(shí)，近表面分辨率為2.5 mm，滿足3 mm的余量要求；篦齒盤檢測靈敏度相對較低，采用圓頭刀具數(shù)控加工，零件表面粗糙度達(dá)到Ra1.6μm時(shí)，近表面分辨率能夠達(dá)到1.5 mm，滿足2 mm余量要求。

2.8 檢驗(yàn)

采用上述方法確定的工藝參數(shù)對FGH96粉末渦輪盤3件（1～3號(hào)）、FGH97粉末篦齒盤（3件）、ЭП741－НП粉末篦齒盤（3件）進(jìn)行了水浸分區(qū)法超聲波檢測。FGH96渦輪盤發(fā)現(xiàn)了缺陷顯示，缺陷顯示數(shù)量及缺陷當(dāng)量尺寸見表2，缺陷顯示的C掃描見圖5；FGH97和ЭП741－НП粉末篦齒盤沒有發(fā)現(xiàn)缺陷顯示。

表2 FGH96渦輪盤超聲檢測缺陷數(shù)量

3 粉末盤的熒光檢測方案

低周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，粉末零件裂紋起始于表面缺陷的約占25%，起始于近表面缺陷的約占30%，其余起始于內(nèi)部，但近表面缺陷的危害更大［3]。熒光檢測是檢測零件的表面開口缺陷，針對粉末零件產(chǎn)生的缺陷小的特點(diǎn)，熒光檢測的關(guān)鍵是確定發(fā)現(xiàn)微小缺陷的工藝參數(shù)。超高靈敏度后乳化熒光滲透方法對小缺陷具有最高的檢測靈敏度，因此熒光檢測方案確定采用超高靈敏度后乳化熒光滲透工藝。

圖5 超聲檢測缺陷C掃描圖

3.1 粉末盤的后乳化熒光檢測工藝參數(shù)確定

要保證粉末盤中0.2 mm的缺陷采用熒光方法能可靠地檢出，后乳化熒光滲透液的選擇及工藝參數(shù)的制定至關(guān)重要。選擇ZL－37熒光滲透液、ZR10B乳化液和ZP－4B顯像劑，在靈敏度試片和粉末零件試驗(yàn)后確定的后乳化熒光檢查工藝參數(shù)為：滲透時(shí)間30 min，乳化時(shí)間80 s，顯像時(shí)間20 min。

3.2 粉末盤的后乳化熒光檢測

按確定的粉末盤后乳化熒光工藝參數(shù)對成品FGH96渦輪盤3件，F(xiàn)GH97篦齒盤1件，ЭП741－НП粉末篦齒盤1件進(jìn)行了熒光檢查。檢測結(jié)果為FGH96渦輪盤沒有發(fā)現(xiàn)缺陷；FGH97篦齒盤、ЭП741－НП粉末篦齒盤均發(fā)現(xiàn)了缺陷顯示，缺陷顯示數(shù)量見表3。為了確定熒光檢查發(fā)現(xiàn)的點(diǎn)狀顯示尺寸，采用熒光標(biāo)尺評(píng)定。該熒光標(biāo)尺上有0.2 mm的熒光點(diǎn)狀顯示，在黑光燈下非常清晰，可以比較評(píng)定在粉末盤上發(fā)現(xiàn)的熒光缺陷顯示，見圖6和7。

表3 粉末盤后乳化熒光滲透方法檢驗(yàn)結(jié)果

為了確定粉末篦齒盤熒光檢測發(fā)現(xiàn)的點(diǎn)狀顯示的真實(shí)形貌，分別對FGH97和ЭП741－НП粉末篦齒盤中熒光檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷顯示，采用20倍的雙目放大鏡在白光燈下觀察，基本為圓形形貌，見圖8。

4 檢測結(jié)果分析

4.1 超聲檢測

從超聲檢測結(jié)果可以看出，F(xiàn)GH97粉末篦齒盤超聲檢測沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，說明熱等靜壓態(tài)組織不適合采用較高靈敏度進(jìn)行超聲檢測，否則將引起較高的材料噪聲，降低信噪比，因此FGH97粉末篦齒盤只能采用中頻探頭檢測，同時(shí)由于熱等靜壓態(tài)缺陷為體積型，缺陷超聲反射系數(shù)較小，其反射更確切地說應(yīng)基于散射理論［3]，因此這種夾雜物缺陷是很難檢出的。

FGH96渦輪盤超聲檢測發(fā)現(xiàn)了缺陷，說明渦輪盤的熱等靜壓＋鍛造成型工藝，其合金組織較細(xì)，可采用較高靈敏度進(jìn)行檢測（φ0.4 mm＋15 dB），這種靈敏度可檢出約0.2 mm的缺陷。由于渦輪盤零件較厚，最厚處可達(dá)155 mm，因此只能選擇中頻探頭檢測，否則很難穿透零件。由于渦輪盤經(jīng)過了鍛造，其變形量一般在70%以上，因此粉末盤中的缺陷與基體脫粘，變成了面積型，夾雜物缺陷尺寸變大，因此更有利于渦輪盤軸向超聲檢測。從檢測結(jié)果看，渦輪盤從軸向檢測發(fā)現(xiàn)了缺陷，而從徑向檢測時(shí)，即使采用與軸向相同靈敏度或提高靈敏度檢測也沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，說明FGH96渦輪盤軸向更有利于超聲檢測。

4.2 熒光檢測

從熒光檢測結(jié)果可以看出，F(xiàn)GH97粉末篦齒盤發(fā)現(xiàn)了缺陷顯示，說明熱等靜壓態(tài)夾雜物缺陷為體積型，更適于熒光液存留，較容易發(fā)現(xiàn)缺陷；從白光燈下缺陷形貌看，缺陷類似球形，采用超高靈敏度后乳化滲透液可以發(fā)現(xiàn)粉末盤中缺陷。

FGH96渦輪盤熒光檢測沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，說明熱等靜壓＋鍛造成型工藝合金中的夾雜物缺陷為面積型，不適于熒光液的存留，不易發(fā)現(xiàn)缺陷。因此，F(xiàn)GH96渦輪盤熒光檢測沒有發(fā)現(xiàn)缺陷。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粉末盤的熒光檢查受人為因素影響較大，應(yīng)選擇有經(jīng)驗(yàn)、細(xì)心且耐心的檢驗(yàn)員檢查。

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)確定了FGH96、FGH97粉末盤采用中頻水浸聚焦探頭分區(qū)法超聲檢測工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)GH96粉末渦輪盤（熱等靜壓＋鍛造），軸向檢測易于發(fā)現(xiàn)缺陷；FGH97粉末篦齒盤（直接熱等靜壓成型）很難檢出缺陷。

（2）試驗(yàn)確定了FGH96、FGH97粉末盤超高靈敏度后乳化熒光滲透檢測工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)GH96粉末渦輪盤（熱等靜壓＋鍛造）夾雜物呈面積型，缺陷很難檢出；FGH97粉末篦齒盤（直接熱等靜壓成型）夾雜物缺陷呈體積型，缺陷容易檢出。

［1]張鳳戈，張義文，陶宇.鎳基粉末高溫合金的超聲無損檢測［J].粉末冶金，2004，14（3）：16－19.

［2]國為民，吳劍濤，張鳳戈，等.粉末高溫合金中夾雜物特性及不同成型工藝的關(guān)系［J].材料導(dǎo)報(bào)，2004，18（11）：87－91.

［3]Paul Mclntire.美國無損檢測手冊［M].上海：世界圖書出版公司，1996.