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现代无损检测是以不损及后续使用和使用可靠性的方式，对材料或制品进行宏观缺陷检测、几何特征测量、化学成分、组织结构以及力学性能变化的评定，进而就材料或制品对特定应用的适应性进行评价的一门检测技术。而航空无损检测技术领域作为现代无损检测的重要组成部分，包括了飞机及航空发动机部件、零件、原材料制造及使用维修过程中用于发现材料和结构中的缺陷和异常状态、评价制造质量和损伤程度所采用的无损检测方法和技术。由于航空类产品的可靠性与人身安全有着高度关联性，同时由于材料和零件使用环境和载荷条件的极端苛刻，对其产品的完整性要求也是极为严格的。因此，航空无损检测技术成为保证航空产品完整性和可靠性的重要手段。 在二战期间，超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测技术已在飞机制造中大量采用，其中最基本的检测原理和程序至今仍在使用。超声检测是利用超声波在材料中传播时的反射、透射和散射等现象，对制品宏观缺陷、几何特征、组织结构等方面进行评价的技术，是航空类产品最常用的检测手段之一。超声检测的适用范围非常广，覆盖航空发动机、飞机中不同类型的零部件，包括高温合金、钛合金、铝合金等不同材料的金属锻件、挤压件、棒材、管材、型材、铸件以及复合材料制品。其中，最为典型的应用是对航空发动机涡轮盘、压气机盘、涡轮轴和环形锻件内部缺陷的检测。 前期试验过程中，针对某型发动机GH4698 涡轮盘锻件，按HB/Z34要求采用5 MHz 探头进行水浸法超声探伤，发现某批次涡轮盘分别出现了底波损失超标的情况，C扫描图像为面积状，其区域大多位于轮缘和腹板区域，底波损失7～15dB，大于6dB ( 50%) 。根据HB/Z34 中关于探头频率的规定，超声检测探头的频率范围通常为2. 5～10 MHz，在受检材料有特殊要求时，可采用更高频率的探头和相应频率范围的仪器，故采用进口2. 25 MHz探头对该批涡轮盘复检，发现底波损失差距最大为4 dB，在6dB ( 50%) 以内。本文为进一步阐明采用5 和2. 25 MHz 探头检测涡轮盘锻件时底波损失结果存在差异的原因及机理，对涡轮盘锻件进行C 扫描图像分析，并针对性地研究了涡轮盘锻件不同区域的低倍组织、高倍组织以及力学性能。 GH4698 涡轮盘超声检查技术要求: 锻件经粗加工后，应逐件按HB/Z 34 采用2.5～10 MHz 探头进行超声波检验，验收级别AA级，其中底波损失不超过6dB(50%) 。 本试验对某批次涡轮盘进行底波损失监控时，发现部分盘件底波损失大于6 dB(50%) ，因此，从该批GH4698 涡轮盘中选取了底波损失最严重( 底波损失15 dB) 的1 件涡轮盘，分别采用5 和2. 25 MHz 探头对其进行水浸超声波检查，底波损失检查方向见图1。![]()
除存在5 MHz 探头底波损失大于6 dB ( 50%) 的区域外，超声波检查未发现其他缺陷，且5 MHz 探头底波损失大于6 dB ( 50%) 的区域分布于轮缘、腹板和轮毂位置，C 扫描图像为面积状，如图2 和图3所示。![]()
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从图2 和图3 所示的水浸超声波检查C扫描结果可知，涡轮盘轮毂区域有两处底波损失，腹板和轮缘区域各有一处底波损失，其中轮毂区域有一处衰减严重。涡轮盘超声检测底波损失区域如图4 所示。![]()
根据超声底波检测原理，底波损失监控反映的是底面回波的衰减情况，因而分别在轮毂正常区域、底波损失区域沿盘厚度方向截取试样，制备轴向截面金相试样进行晶粒度检查并评级，见表1。![]()
正常区域晶粒度评级为2. 3～3. 6，底波损失区域晶粒度评级约为1 级，正常区域晶粒尺寸小于底波损失区域的晶粒尺寸。经测量，底波损失区域的晶粒尺寸均小于2 mm，两区域晶粒虽有不同，但晶粒度均合格，符合涡轮盘技术条件要求。经低倍组织检查，涡轮盘超声检测底波损失区域未出现冶金缺陷，见图5。![]()
分别在轮毂正常区域、底波损失区域取样进行高倍组织检查，如图6 所示。从高倍组织可以看出，GH4698 材料中存在两种γ'相，尺寸大的γ'相直径约为Φ200～Φ300 nm，尺寸小的γ'相直径约为Φ20～Φ50 nm，两个区域γ'相数量和大小未见明显异常。 对轮毂正常区域和底波损失区域低倍试样上任意6 处分别进行硬度检测，两区域硬度无明显差异，结果见表2。![]()
由于轮毂的底波损失仅为局部区域，无法在轮毂正常区域和底波损失区域取样对比，因此，未进行蠕变、持久、疲劳等全面力学性能的取样和检测，分别切取2个拉伸性能试样进行测试和对比评价，拉伸性能测试结果见表3。从表3可知，两区域拉伸性能未见明显差异，且均符合技术条件要求。![]()
超声波在材料中传播时，出现底波损失的原因有两种: (1) 材料内部存在的缺陷对入射声能的反射; (2) 传播过程中的衰减。从低倍组织检查结果可知，涡轮盘底波损失区域未出现冶金缺陷，因此，导致涡轮盘超声检测出现底波损失的原因是声波传播过程中的衰减。
超声波在金属中传播时，如果不计声束的扩展，则声波的衰减受两种因素的影响，即声波的散射和吸收。对于多晶金属材料，吸收可粗略地视为质点对振动的一种制动效应; 通常吸收随频率的增大而增大，但上升的速率要远慢于散射。在一般金属中，吸收衰减可以忽略。 在工程材料中，通常用散射来解释声能损失的最大部分，多晶体金属材料中有3 种散射衰减过程，这些过程用平均晶粒尺寸d 与入射声波波长λ 的比来确定。 当λ≥d 时，主要散射模式为瑞利散射，Tr= Cr·d3f4; 当λ≈d 时，主要散射模式为随机散射，Tp =Cpdf2 ; 当λd 时，主要散射模式为漫散射，Td =Cdf-1。上述各式中，f 为超声波频率，Tr，Tp和Td分别为瑞利散射模式、随机散射模式和漫散射模式下的衰减系数，Cr，Cp和Cd分别为瑞利散射模式、随机散射模式和漫散射模式下的常数( 包括几何参数、纵波和横波速度、密度和弹性各向异性参数) 。 GH4698 高温合金为粗晶类材料，平均晶粒尺寸d 与入射声波波长λ 尺寸接近，晶粒的最大尺寸可达到与超声波波长相比拟的程度，其主要散射模式为随机散射，衰减系数随着晶粒尺寸和检测频率的增大而增大。根据相关研究，当平均晶粒尺寸d大于λ /10 时，将发生较为显著的散射衰减。 根据测试，GH4698 材料的纵波声速ν≈5900 m·s-1，可以得出GH4698 中超声波频率与引起显著散射晶粒尺寸的关系，见表4。![]()
涡轮盘超声检测底波损失区域晶粒度评级约为1级，平均晶粒尺寸为0. 254 mm，而正常区域晶粒度评级为2. 3～3.6 级，平均晶粒尺寸为0. 11 ～0. 15 mm。采用5 MHz 探头进行底波损失检查时，由于部分区域晶粒尺寸远超过0.12 mm，该部分区域引起超声波严重衰减，造成底波损失检查时超标。而采用2. 25 MHz 探头进行底波损失检查时，整个检测区域内的晶粒尺寸没有明显超过0. 26 mm，故2. 25 MHz 探头底波损失检查时未发现超标。 综合以上分析: 涡轮盘超声检测底波损失区域的晶粒度、高倍组织、硬度和拉伸性能等检测结果与正常区域无明显差异，均符合技术条件要求。而超声检测局部区域存在底波损失是由于晶粒尺寸不均匀，局部晶粒尺寸较其他区域晶粒尺寸大所致。涡轮盘的晶粒尺寸未超出技术条件要求范围，同时2 个级别的晶粒度差异未影响其高倍组织、硬度和拉伸性能，其晶粒度的个别区域差异，可能与锻造工艺、材料不均匀等有一定关系。 通过本课题试验的研究， 进一步采用5和2. 25 MHz探头对涡轮盘锻件进行超声检测，阐述了其底波损失结果出现差异的原因及机理，为建立无损检测与材料微宏观组织、性能之间的关系积累了经验。研究结果表明: ( 1) 本试验选取的GH4698涡轮盘锻件，采用5MHz探头超声检验时，局部区域存在面积状底波损失; (2) 对该涡轮盘锻件底波损失区域切取晶粒度、高倍组织、硬度和拉伸性能等试样进行试验分析，并与显示正常区域对比，未发现明显差异; (3) 该涡轮盘锻件在采用5 MHz 探头进行超声检测时局部区域存在的面积状底波损失是由于锻件局部晶粒尺寸不均匀所致; (4) 该涡轮盘锻件晶粒度局部区域差异可能与锻造工艺、材料不均匀性等因素有关，有待进一步分析验证。
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