王 飛，周 軍，黃 云

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

宇宙飛船、運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等技術(shù)的發(fā)展對(duì)鋁合金鍛件的需求日益俱增。此類鍛件加工過(guò)程中需要去除掉少則50%～60%，多則70%～80%的材料，機(jī)加后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件最薄的位置只有幾毫米厚；這些位置若存在缺陷將會(huì)造成產(chǎn)品報(bào)廢、機(jī)加工及原料浪費(fèi)等較大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)甚至影響整個(gè)型號(hào)產(chǎn)品的研制進(jìn)度。因此，為了降低材料缺陷導(dǎo)致的機(jī)加工成本風(fēng)險(xiǎn)，確保型號(hào)產(chǎn)品研制進(jìn)度，一般要求在鍛件狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行超聲波檢測(cè)。

超聲A掃描檢測(cè)是目前厚大鍛件內(nèi)部缺陷檢測(cè)的有效方法之一，具有無(wú)輻射、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但該方法只能對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量分析，無(wú)法確定缺陷的性質(zhì)，在一定程度上也影響了缺陷的成因分析及產(chǎn)品的質(zhì)量控制［1］。筆者針對(duì)航天型號(hào)某批次鍛件材料存在較多超標(biāo)缺陷的問(wèn)題，采用超聲相控陣、工業(yè)CT、滲透及金相分析等多種方法對(duì)缺陷進(jìn)行了檢測(cè)和對(duì)比分析，確定了缺陷成因，可以為后續(xù)原材料采購(gòu)及入廠復(fù)驗(yàn)提供一定的參考依據(jù)。

1 問(wèn)題概述

航天型號(hào)某批次鋁合金鍛件材料為一實(shí)心矩形梁，材料牌號(hào)為7A04，規(guī)格約為1 700mm×150（60）mm×110mm。綜合考慮鍛造、機(jī)加工藝及超聲波檢測(cè)GJB 1580A—2004《變形金屬超聲檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)的A級(jí)要求，選擇以1 700mm×150mm上下面端面作為檢測(cè)面進(jìn)行檢測(cè)（圖1所示）。檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，該批次的梁鍛件中有近80%存在超標(biāo)缺陷且缺陷分布無(wú)規(guī)律，且其形態(tài)多為點(diǎn)狀或片層狀。

圖1 鋁合金梁超聲波檢測(cè)示意圖

2 工藝過(guò)程分析

該鋁合金鍛件主要由擠壓棒材經(jīng)自由鍛造而成，擠壓棒材的主要生產(chǎn)流程為：配料→熔煉→除氣除渣→鑄造→均勻化退火→鑄錠表面車削→熱擠壓→鋸切頭尾余料→檢驗(yàn)。其原材料在冶煉及鑄造過(guò)程中可能產(chǎn)生裂紋、縮孔、氣泡、氧化膜、疏松、偏析、夾雜物、粗大金屬間化合物等內(nèi)部組織缺陷。若生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量控制不嚴(yán)，擠壓棒材極有可能存在上述各種內(nèi)部缺陷。當(dāng)原材料合格，鍛造或熱處理過(guò)程不合理時(shí)，新出現(xiàn)的內(nèi)部缺陷可能主要為裂紋或過(guò)熱、過(guò)燒組織。經(jīng)核實(shí)，該批次鋁合金鍛件所采用的鍛造及熱處理工藝流程控制及參數(shù)選擇方面都比較合理，無(wú)違規(guī)操作現(xiàn)象。鍛件在熱處理后的顯微組織和力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果均合格。因此，初步分析認(rèn)為該批次鍛件內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的原因可能是原材料不合格，棒料內(nèi)部存在缺陷，而在后續(xù)鍛造過(guò)程中缺陷未被消除甚至進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致超聲波探傷不合格。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

3.1 超聲相控陣檢測(cè)

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)主要依據(jù)惠更斯原理，采用多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片陣列來(lái)產(chǎn)生和接收超聲波束，同時(shí)通過(guò)軟件和電子方法控制壓電晶片陣列各個(gè)激發(fā)高頻脈沖的相位和時(shí)序，使其在被檢材料中產(chǎn)生相互干涉疊加并形成形狀可控的超聲波聲場(chǎng)，從而得到預(yù)期的波陣面、波束入射角度和焦點(diǎn)位置［2］。相比于常規(guī)超聲A掃描檢測(cè)，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可以利用電子聚焦，使波束形狀與尺寸在預(yù)期的缺陷位置達(dá)到最佳化，獲得最大覆蓋區(qū)域和最高分辨率，以及最佳的探測(cè)概率，從而獲得最佳信號(hào)和高質(zhì)量圖像。

為了進(jìn)一步分析缺陷成因，選取1件典型的超聲波探傷不合格件，運(yùn)用常規(guī)超聲A掃描對(duì)缺陷位置大致定位后，從坯料上割取約200mm×45mm×38mm大小的方塊；以200mm×45mm作為檢測(cè)面，采用超聲相控陣對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和精確定位分析。檢測(cè)儀器選用R／D TECH公司的OMINISCAN MX型超聲相控陣儀，檢測(cè)探頭為64陣列晶片。檢測(cè)過(guò)程中采用深度聚焦線形掃描的方式（即利用通過(guò)相控陣探頭各組元聲束交替進(jìn)行直線形的掃描，掃描角度與焦距保持恒定），原理如圖2所示，圖2（b）中深色區(qū)域?yàn)殡娮蛹ぐl(fā)的晶片。缺陷檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，其中圖3（a）為相控陣探頭置于缺陷位置處檢測(cè)到的A掃描和B掃描信號(hào)，圖3（b）為采用相控陣時(shí)間軸為基準(zhǔn)掃查得到的C掃描圖像。

圖2 試件超聲相控陣檢測(cè)原理

圖3 相控陣檢測(cè)A，B和C掃描缺陷信號(hào)

由圖3（a）左側(cè)A掃描波形可以看出，在探頭覆蓋區(qū)域不同深度位置分別存在兩處缺陷，其中缺陷1對(duì)應(yīng)的A掃波形存在明顯的雙峰特征，右側(cè)B掃描圖像輪廓邊緣顯示為鋸齒狀影像特征；缺陷2對(duì)應(yīng)的A掃波形較為尖銳，其B掃描影像輪廓邊緣也較為平滑；從圖3（b）中可以看出，缺陷1，2均具有一定的面積，其中缺陷1呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)形，深度位置不一；缺陷2呈橢圓形，缺陷深度位置大致相同。

3.2 著色滲透檢測(cè)

為了進(jìn)一步分析缺陷1中超聲A掃描雙峰波形產(chǎn)生的原因及缺陷截面形態(tài)特征，針對(duì)缺陷1位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位后，采用線切割的方式沿超聲波掃查聲束方向進(jìn)行解剖切割，并對(duì)切割后的端面采用著色滲透方法進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在較明顯的缺陷顯像，其長(zhǎng)度約2mm，缺陷靠近聲束入射方向端部呈鉤狀（圖4）。經(jīng)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)該缺陷位置與A掃描檢測(cè)到的深度位置一致。對(duì)照?qǐng)D3（a）中缺陷1的A掃描信號(hào)與圖4中的著色檢測(cè)顯示圖可以發(fā)現(xiàn)，缺陷的宏觀形態(tài)與超聲波入射方向呈一定的夾角，檢測(cè)過(guò)程中聲束遇到缺陷上端的折彎和缺陷下端部位會(huì)分別形成反射回波，反映到A掃波形上即為雙峰特征，與實(shí)際情況相符。

圖4 缺陷1著色檢測(cè)缺陷顯示圖

3.3 工業(yè)CT檢測(cè)

對(duì)于缺陷2而言，由于其與缺陷1的水平位置較為接近，為防止解剖取樣過(guò)程中造成破壞而影響后續(xù)分析，因此考慮采用工業(yè)CT對(duì)圖3（b）中缺陷2的C掃描輪廓圖中心所對(duì)應(yīng)的試樣位置進(jìn)行斷層掃描分析，以確定缺陷的截面形態(tài)。

工業(yè)CT的檢測(cè)原理是通過(guò)一束薄的扇形X射線束穿過(guò)被檢物體，利用探測(cè)器從不同角度采集衰減后的射線強(qiáng)度信號(hào)，并采用一定的重建方法，計(jì)算出射線切割物體截面的吸收系數(shù)的分布，使之轉(zhuǎn)化成一幅二維截面圖像［3］。筆者針對(duì)試樣中缺陷2所在位置，采用CD－800BX工業(yè)CT系統(tǒng)進(jìn)行斷層掃描，掃描位置距試樣下端175mm，斷層掃描厚度4mm，層間距1mm（圖5）。檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)該截面存在細(xì)長(zhǎng)型夾雜物缺陷影像，缺陷截面長(zhǎng)度約2.5mm，下端面距試樣底部13.59mm（圖6）。實(shí)際A掃描檢測(cè)深度距下端面約為14.8mm，考慮到缺陷形態(tài)與聲波入射夾角問(wèn)題，聲波有效反射面實(shí)際為聲束入射方向的投影面積，從而導(dǎo)致深度定位誤差值的存在。

3.4 金相分析

圖5 缺陷2射線CT檢測(cè)示意圖

圖6 缺陷2射線CT檢測(cè)缺陷顯示圖

圖7 缺陷1，2的金相組織圖

在確定缺陷1，2的截面形態(tài)后，采用金相研磨的方法進(jìn)一步分析。由圖7金相圖中缺陷形貌及金相組織結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)此兩處缺陷均為材料內(nèi)部夾雜缺陷，缺陷端部周圍可以看到較明顯的金屬晶粒組織流向。考慮到鋁合金擠壓棒材是采用鑄棒（錠）經(jīng)熱擠壓而成的，在鑄棒（錠）的生產(chǎn)過(guò)程中，如果工藝不合理或加工過(guò)程質(zhì)量控制不嚴(yán)，很容易在鑄棒（錠）內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，如偏析、夾雜物、粗大金屬間化合物、裂紋、氣泡、氧化膜、縮孔、疏松等缺陷。這些缺陷除微觀偏析、輕微的疏松可以通過(guò)高溫退火、壓力加工的方式予以消除或改善，其余缺陷如宏觀偏析、粗大夾雜物、粗大金屬間化合物、氣泡、氧化膜、裂紋、嚴(yán)重的疏松等，在后續(xù)加工過(guò)程中無(wú)法消除或改善，而仍保留在塑性加工后的制品中，成為產(chǎn)品的缺陷。由此表明該鍛件缺陷應(yīng)為原材料缺陷，其在鑄造過(guò)程中已經(jīng)存在。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)超聲相控陣、工業(yè)CT、滲透及金相分析等多種檢測(cè)手段驗(yàn)證分析表明，造成該批次鋁合金鍛件超聲波檢測(cè)不合格的原因?yàn)樵牧腺|(zhì)量控制不當(dāng)，內(nèi)部存在夾雜缺陷所致。

（2）為防止此類情況的再次發(fā)生而影響產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)度，遂與原材料廠家進(jìn)行溝通，要求廠家在原材料熔煉過(guò)程中加強(qiáng)雜質(zhì)過(guò)濾，同時(shí)按照GJB 3539－1999《鍛件用鋁合金棒材規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制。

（3）采取上述措施后，對(duì)后續(xù)新進(jìn)幾批鋁合金鍛造梁進(jìn)行檢測(cè)，不合格率降至2%以下，產(chǎn)品質(zhì)量得到了有效控制。

［1］ 史亦韋.超聲檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：48－53.

［2］ 王偉，吳一全.超聲相控陣用于無(wú)損檢測(cè)的一種新方法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，5（28）：61－64.

［3］ 王愛(ài)華，李華.CT技術(shù)在航天產(chǎn)品檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.航天控制，2001（2）：11－14.