沙正驍 ， 梁 菁 ， 李 彥

（1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；3. 材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095）

0 引言

在航空發(fā)動機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件中，對缺陷的檢測靈敏度具有極高的要求，特別是對于粉末高溫合金渦輪盤[1-3]等關(guān)鍵的熱端部件，任何一個微小缺陷的漏檢都可能產(chǎn)生災(zāi)難性后果。1980年，美國F404發(fā)動機的René 95粉末冶金渦輪盤破裂，使TF/A-18飛機墜毀，發(fā)生空難事故[4]，調(diào)查結(jié)果表明,事故的重要原因之一就是渦輪盤中的夾雜物缺陷引起的疲勞壽命[5-8]降低。

針對粉末盤的檢測需求，多年來粉末材料無損檢測技術(shù)研究主要圍繞提高小缺陷檢測能力[9-10]（即檢測靈敏度）進行。聚焦可以使超聲在局部產(chǎn)生聲能量的聚集，極大地提高信噪比和檢測靈敏度。目前，為了保證檢測的高靈敏度，國內(nèi)外航空發(fā)動機中的粉末渦輪盤等關(guān)鍵盤件全部采用水浸聚焦檢測技術(shù)進行超聲檢測，同時采用分區(qū)域聚焦方式，解決被測試件全深度焦區(qū)覆蓋的問題。

在此基礎(chǔ)上，德國Fraunhofer無損檢測研究所、加拿大R/D公司和美國GEIT陸續(xù)研究開發(fā)了超聲相控陣檢測技術(shù)[11]。該技術(shù)采用多晶片電子控制聲場原理，用一個探頭一次掃查，就能替代傳統(tǒng)分區(qū)聚焦多個探頭多次掃描，具備很高的檢測精度和檢測效率[12]。

雖然如此，但由于檢測時焦點尺寸過小，導(dǎo)致焦區(qū)范圍窄，使該技術(shù)在檢測時存在靈敏度波動劇烈、材料噪聲不易控制、掃查間距小等問題[13-14]，制約了其在實際粉末盤檢測中的廣泛應(yīng)用。

本研究從聲學(xué)理論出發(fā)，研究影響焦點控制的主要因素，提出變孔徑超聲相控陣聚焦檢測方法，在傳統(tǒng)的超聲相控陣檢測技術(shù)基礎(chǔ)上進一步改善靈敏度一致性、近表面分辨力和焦點尺寸一致性等特性。通過在人工缺陷對比試塊和實際粉末盤上的檢測試驗，驗證該方法的可行性和有效性。

1 理論分析

在利用環(huán)形相控陣探頭進行檢測時，主要通過控制每個環(huán)形晶片的激勵時間，達到控制焦點數(shù)量和位置的目的。與之相對的是傳統(tǒng)的聚焦探頭通過在平探頭前端附加帶曲率的透鏡實現(xiàn)聚焦。從某種意義上說，一個環(huán)形相控陣探頭的輻射聲場等效于一個普通平探頭前端附加一個可以調(diào)節(jié)曲率的透鏡。因此，環(huán)形相控陣探頭仍然遵循常規(guī)超聲聚焦的理論。

根據(jù)超聲聚焦理論，將聲壓降低到最大值–6 dB時在直徑上的擴散寬度作為焦點直徑，其計算方法見式（1）。

式中：λ為波長，mm；F為焦距，mm；D為晶片直徑，mm?？梢钥闯?，晶片直徑（即孔徑）會對聚焦聲場的形狀產(chǎn)生較大的影響。在焦距固定的情況下，孔徑越大焦點尺寸越?。辉诳讖焦潭〞r，焦距越短，焦點尺寸越小。

采用環(huán)形相控陣探頭時，無論聚焦于近表面還是材料深處，往往使用全部晶片，所用孔徑均相同。這使環(huán)形相控陣探頭在檢測不同深度區(qū)域時，焦點尺寸發(fā)生很大變化，同一個聚焦法則內(nèi)，靠近入射面的檢測分區(qū)和靠近底面的檢測分區(qū)，焦點尺寸可能會相差數(shù)倍。這一點對于實際的檢測是不利的。須知檢測時掃查間距是根據(jù)所用探頭的焦點尺寸設(shè)置的，如果不同分區(qū)的焦點尺寸不同，則為了保證所有被檢區(qū)域的有效覆蓋，必須以最小焦點尺寸作為控制條件，對于材料內(nèi)部而言，掃查間距遠遠小于焦點尺寸，相鄰采樣點間有很大重疊，極大影響了檢測的效率。

為了解決這一問題，可以通過控制聚焦法則，改變相控陣探頭的孔徑實現(xiàn)。當焦點位于近表面時，使用小的孔徑；當焦點位于較深處時，使用較大的孔徑，使焦點尺寸在整個檢測深度范圍內(nèi)相對一致。

根據(jù)式（1），如果固定焦距和孔徑的比值，則可以得到相似的焦點直徑。

除了焦點直徑外，聚焦的強度也會對檢測有影響，為了表征聚焦的強度，定義歸一化的焦距[11]：

式中，N為近場長度，mm。

對于聚焦探頭，焦距應(yīng)小于近場長度，因此SF的取值為0～1之間，值越小聚焦的效果越強。對于常規(guī)的聚焦探頭，可以按歸一化焦距將其分為弱聚焦（0.66

式中，IF為聚焦探頭焦點處的聲場強度，IN為平探頭近場點的聲場強度。可以看出，對于一定的SF，聲場的相對強度不變。

2 試驗?zāi)M

根據(jù)上述理論分析，提出了兩種超聲環(huán)形相控陣的變孔徑聚焦檢測方法：

1）在設(shè)計聚焦法則時，固定焦距與孔徑的比值，以獲得一致的焦點直徑和焦柱長度。

2）在設(shè)計聚焦法則時，固定焦距與孔徑平方（近場長度）的比值，以獲得一致的聚焦強度。

為了研究變孔徑聚焦檢測的效果，首先采用模擬軟件（CIVA）對探頭的聲場進行模擬。模擬時采用相同的環(huán)形相控陣探頭，設(shè)計不同的聚焦法則，計算探頭發(fā)射、接收和合成聲場。

設(shè)計了3組不同的試驗：第1組是采用相同的孔徑聚焦到不同的深度；第2組是在變化聚焦深度時，通過控制激勵的晶片數(shù)改變孔徑，在這一過程中保持焦距和孔徑之比不變；第3組是在變化聚焦深度時，改變孔徑保持焦距和近場長度之比不變。3組試驗?zāi)M的參數(shù)見表1。

表 1 孔徑與聚焦深度變化模擬參數(shù)表Table 1 Simulation parameters for different aperture and focal depth

2.1 距離幅度特性

第1組模擬試驗采用了固定的孔徑，即不同聚焦深度時采用相同的孔徑。可以看到，當聚焦深度較淺時，聲場的能量高度集中，從軸向看聲場分布在很小的焦區(qū)范圍，而在此范圍外聲束則嚴重發(fā)散。隨聚焦深度的增加，聲場整體表現(xiàn)出更好的遠場指向性，同時聚焦效果逐漸降低，焦區(qū)的軸向尺寸隨聚焦深度的增加而增大。此外，還可以看出當聚焦深度變化時，焦點處聲場的最大幅度有較大的波動，約為5 dB（圖1a）。

第2組模擬試驗是根據(jù)聚焦深度的變化選擇適當?shù)木瑪?shù)量，進而在檢測時始終保證焦距與探頭孔徑的比值保持不變?？梢钥闯?，此時聲場不同于固定孔徑時的聲場。當聚焦深度變化時，除了20 mm聚焦深度外，其他聚焦深度時焦柱的軸向尺寸幾乎沒有明顯的變化。比較焦點處的聲場強度可以發(fā)現(xiàn)，最大值與最小值相差約為7 dB（圖 1b）。

第3組模擬試驗與第2組類似，根據(jù)聚焦深度的變化選擇適當?shù)木瑪?shù)量，在此過程中保證焦距與近場長度的比值不變?？梢钥闯?，當聚焦深度由淺變深時，聲場的焦區(qū)軸向長度隨之增大，但變化的幅度比固定孔徑時小。聲場的幅度在聚焦深度變化時未發(fā)生顯著的起伏變化，在整個深度范圍內(nèi)具有比較好的一致性，最大值與最小值相差約為3 dB（圖1c）。

比較來看，3種聚焦方式中，固定焦距?近場長度比的方式，其分區(qū)之間聲場幅度的過渡最為平滑，這表明檢測時靈敏度的均勻性和一致性較好，焦區(qū)在軸線方向有一定的尺寸，檢測時可以覆蓋一定深度范圍，避免存在靈敏度不足的區(qū)域。固定孔徑方式下，靈敏度波動較大，特別是聚焦深度較淺時，焦區(qū)范圍很窄，且焦區(qū)以外檢測靈敏度急劇下降，存在漏檢缺陷的隱患。固定焦距?孔徑比的方式，其聚焦深度較大時聚焦效果好，靈敏度一致性較好，但當聚焦于近表面時，檢測的靈敏度有較大幅度的降低，經(jīng)過計算，此時焦距F已經(jīng)超過近場長度N，此時的聲場已經(jīng)不具有聚焦效果，難以保證檢測的靈敏度。

圖 1 超聲聲場軸向分布Fig.1 Axial distribution of ultrasonic field

2.2 橫向聲束特性

根據(jù)模擬結(jié)果，獲得不同聚焦方式下焦點尺寸隨聚焦深度的變化情況，如圖2所示?？梢钥闯觯诮裹c尺寸的一致性方面，采用固定焦距?孔徑比方式具有最佳效果，最大和最小焦點直徑相差約1.5倍。如果只考慮聚焦深度在40～120 mm時，焦點直徑幾乎無變化。其他2種聚焦方式的焦點直徑隨聚焦深度增加大致呈線性增大，其中固定焦距?近場長度比方法的最大和最小焦點直徑相差約2.2倍，效果比固定焦距?孔徑比方式略差，而固定孔徑方法的該數(shù)值為3.4倍?？梢?，2種變孔徑檢測方法均優(yōu)于固定孔徑方法。

圖 2 不同聚焦方式下焦點尺寸隨聚焦深度變化Fig.2 Diameter of focus vs. focal depth for different focal algorithm

需要說明的是，3種聚焦方式下，20 mm聚焦深度下的焦點直徑都很小。主要原因為：相控陣探頭雖然可以通過控制晶片數(shù)量獲得不同孔徑，但其變化的最小尺度以動態(tài)聚焦所需的最小晶片數(shù)為限。當聚焦深度很淺時，焦距F很小，為了獲得適當?shù)慕咕?孔徑比或焦距?近場長度比，也必須選用很小的孔徑，但為了能夠動態(tài)控制焦點位置，需要至少4個晶片，因此實際選用的孔徑可能大于經(jīng)過計算的孔徑。

模擬仿真結(jié)果表明，2種變孔徑檢測方法在焦點尺寸和焦柱長度控制方面均顯著優(yōu)于固定孔徑方法，此外，在聲場強度和靈敏度一致性方面，固定焦距?近場長度比方法優(yōu)于固定孔徑方法，固定焦距?孔徑比檢測方法則有所不足。實際檢測時，可以優(yōu)先采用固定焦距?近場長度比的聚焦方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定孔徑方式，以改善檢測效果。

3 試驗驗證

3.1 檢測條件

為了評估變孔徑聚焦檢測方法的能力，采用M2M公司的Multi 2000超聲相控陣探傷儀，配合自行研制的盤件超聲水浸檢測操縱裝置，組成盤件超聲相控陣檢測系統(tǒng)，在含有人工缺陷的一組粉末高溫合金對比試塊上進行試驗驗證，每個試塊中含有不同埋深的?0.4 mm平底孔。

采用R/D Tech公司的環(huán)形相控陣探頭，標稱頻率為10 MHz，有效晶片直徑32 mm。該探頭中心為可拆卸的常規(guī)單晶片聚焦探頭，相控陣部分為外圍的14個同心排列的環(huán)形晶片，如圖3所示。

圖 3 環(huán)形相控陣探頭的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Illustration of elements inside an annular phased array probe

3.2 聚焦法則設(shè)計

根據(jù)上述變孔徑聚焦檢測方法，設(shè)計分區(qū)聚焦法則。設(shè)計時，盡量按固定焦距?近場長度比的原則確定每個分區(qū)所采用的晶片數(shù)和聚焦深度。該聚焦法則與固定孔徑超聲相控陣檢測時的聚焦法則參數(shù)分別見表2、表3。

表 2 固定孔徑超聲相控陣檢測的聚焦法則參數(shù)Table 2 Focusing algorithm for fixed aperture ultrasonic annular phased array

表 3 變孔徑聚焦超聲相控陣檢測的聚焦法則參數(shù)Table 3 Focusing algorithm for vari-aperture focusing ultrasonic annular phased array

從表2、表3中可以看出，傳統(tǒng)超聲相控陣檢測的聚焦法則在設(shè)計時未考慮孔徑和聚焦深度的關(guān)系，因此不同分區(qū)之間聚焦因子（F/N）和理論焦點尺寸變化很大，第1區(qū)和第7區(qū)聚焦因子和焦點尺寸相差達4倍。采用變孔徑聚焦檢測方法的聚焦法則，其聚焦因子和理論焦點尺寸的一致性方面都有所改善。這些變化使變孔徑聚焦檢測方法在實際檢測時具有以下優(yōu)勢：

1）可以采用較大的掃查間距，提高檢測效率；

2）不同分區(qū)靈敏度一致性好，噪聲水平不會過高；

3）聚焦區(qū)沿軸向的長度增加，保證了更好的深度覆蓋性；

4）減少了所用晶片數(shù)，近表面分辨力有所提高。

3.3 靈敏度和信噪比

在粉末高溫合金對比試塊上測試變孔徑超聲相控陣聚焦檢測技術(shù)的靈敏度。記錄將埋深在各分區(qū)內(nèi)的平底孔反射信號幅度調(diào)整到80%所用的增益值，如圖4所示。可以看出，本研究方法無論是在單個分區(qū)內(nèi)還是在整個檢測區(qū)域內(nèi)，都表現(xiàn)出較高的靈敏度一致性，同時由于其聚焦特性能夠使每個分區(qū)處于聚焦范圍內(nèi)，實現(xiàn)高靈敏度檢測的目的。

圖 4 粉末高溫合金對比試塊測得的檢測靈敏度曲線Fig.4 Sensitivity curve measured on PM superalloy reference blocks

由于高靈敏度檢測時噪聲信號往往較突出，有可能影響實際檢測效果。因此在測量靈敏度的同時，還關(guān)注了檢測時的信噪比。試驗時，在?0.4 mm當量靈敏度下增加12 dB，觀察噪聲水平，進而評價檢測的信噪比。結(jié)果如表4所示，部分波形圖如圖5所示。

試驗結(jié)果表明，采用變孔徑聚焦檢測技術(shù)在各個分區(qū)均能達到?0.4 mm+12 dB的檢測靈敏度，噪聲水平為5%～20%。

表 4 ?0.4 mm+12 dB靈敏度下不同分區(qū)的信噪比評價Table 4 Signal-to-noise ratio evaluation under ?0.4 mm+12 dB sensitivity

圖 5 埋深為82.5 mm的平底孔在?0.4 mm+12 dB靈敏度下的噪聲水平Fig.5 Typical waveform of a FBH 82.5 mm in depth showing the noise level under ?0.4 mm+12 dB sensitivity

3.4 近表面分辨力

相控陣檢測時，常常受到近表面分辨力差的困擾。主要原因是由于晶片數(shù)量多，發(fā)射和接收不同步，會使材料上表面反射信號回到探頭的時間參差不齊，表現(xiàn)在波形上就是水?材料界面的反射信號在時基線上占寬大，造成很大的檢測盲區(qū)，因而使靠近表面的缺陷難以分辨。本研究實際測試了采用變孔徑聚焦檢測時的近表面分辨力。利用粉末高溫合金對比試塊中不同埋深的平底孔作為標準反射體，觀察其在聚焦法則第一分區(qū)中的波形情況，結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，在?0.4 mm當量靈敏度下，埋深3.2 mm的平底孔可以與界面反射信號明顯區(qū)分，埋深更淺（1.6 mm）的平底孔則無法分辨，因此，該靈敏度下相控陣檢測的近表面分辨力為1.6～3.2 mm。當靈敏度增加到 ?0.4 mm+12 dB時，埋深3.2 mm平底孔已經(jīng)無法與界面反射信號區(qū)分，此時近表面分辨力為3.2～6.4 mm。

4 粉末盤檢測驗證

采用本研究中變孔徑聚焦超聲相控陣檢測技術(shù)對粉末渦輪盤（最大直徑為160 mm，最大厚度為65 mm）進行檢測試驗。典型缺陷的變孔徑聚焦檢測圖像如圖7所示。

對檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷進行統(tǒng)計，并與分區(qū)聚焦檢測的缺陷進行比較，結(jié)果見表5?？梢钥闯?，采用變孔徑聚焦技術(shù)可以檢測出當量尺寸在?0.4 mm?20 dB以上的夾雜缺陷，在部分盤件中還能檢測出分區(qū)聚焦方法未檢測出的小缺陷。變孔徑聚焦和分區(qū)聚焦兩種方法對夾雜缺陷的評定結(jié)果相差不大。

圖 6 超聲相控陣檢測近表面分辨力波形Fig.6 PAUT waveform showing the near surface resolution

圖 7 典型缺陷的相控陣檢測結(jié)果Fig.7 Typical defects in PM disks inspected by phased array

表 5 相控陣和分區(qū)聚焦檢出缺陷比較情況Table 5 Comparison of defects inspected by PA and multi-zone ultrasonic technique

統(tǒng)計檢測同一盤件花費的時間發(fā)現(xiàn)，與分區(qū)聚焦檢測技術(shù)相比，相控陣檢測技術(shù)的儀器雖然調(diào)整時間更長，但可以節(jié)省較大的掃查時間。采用本研究所述的變孔徑聚焦檢測技術(shù)，可以將檢測時間由傳統(tǒng)分區(qū)聚焦檢測的近8 h縮短為2 h，節(jié)約3/4的檢測時間。如只計算掃查時間，則可將時間縮短至近1/5。

需要說明的是，上述檢測時間的計算只適用于試驗中涉及到的特定型號的粉末盤，其他型號的粉末盤可能具有不同的幾何結(jié)構(gòu)和厚度，可節(jié)約的檢測時間會有所出入。

5 結(jié)論

1）在理論分析基礎(chǔ)上，提出的變孔徑聚焦相控陣檢測方法能夠保證整個檢測范圍內(nèi)聚焦程度和焦點尺寸大致相同。

2）模擬了聲場分布曲線并利用平底孔試塊驗證了其聲場分布情況，表明該方法在靈敏度一致性、檢測效率、噪聲水平控制和近表面分辨力等方面優(yōu)于固定孔徑超聲相控陣檢測方法。

3）采用本研究方法對粉末渦輪盤進行了超聲檢測，從缺陷檢出情況和檢測時間2個方面比較了該方法與傳統(tǒng)分區(qū)聚焦檢測的差異。變孔徑聚焦相控陣檢測與分區(qū)聚焦檢測的缺陷檢出能力接近，檢測時間能縮短約3/4。