一种铝合金锻件超声检测异常信号分析

杨 娟

（中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 200241）

铝合金是工业中应用广泛的一类有色金属结构材料，由于具有密度小、比强度高、比刚度高、导热性好等优点，成为航空航天轻量化的首选材料之一。统计目前在役民用飞机选材，铝合金在总结构用量上占70%～80%的比例。尽管先进复合材料和钛合金在新型民用飞机的应用比例愈来愈高，但铝合金由于其成本和工艺上的优势，使其仍是民用飞机的主要结构材料[1]。

铝合金以铝为基体，加入锌、锰、铜、硅等各种元素材料而形成，这些元素是铝合金的强化元素，在铝中溶解，形成固溶体强化；另一方面，在铝合金中形成大量的化合物，成为铝合金的强化相。供锻造的铝合金原坯料，一般采用铸锭和挤压坯料，铝合金铸锭往往具有疏松、气孔、缩孔、裂纹、夹杂、氧化膜和偏析等缺陷[2-4]。坯料的这些缺陷，不仅锻造时容易造成锻件开裂，而且直接影响到锻件质量，所以锻造前需对坯料进行检测，以提高锻件的合格率。超声波检测是检测材料内部缺陷的一种常用无损检测手段，在国内外航空工业制造领域里应用最为广泛[5]。超声波缺陷信号的识别直接影响铝合金材料的缺陷检出率，影响到铝合金材料的内部质量是否合格，作用至关重要。

1 国内铝合金铸锭和锻件超声检测标准要求

目前，国内常用的铝合金棒材的标准为GB/T 3191-2010[6]，该标准不要求棒材开展超声检测。常用的锻件标准为GJB2351-1995[7]，标准要求锻件按GB6519/T-2013[8]进行超声检测，并按GJB2351-1995中相应级别进行验收。

2 某型发动机2A70铝合金外机匣锻件超声检测

2.1 铝合金外机匣锻件材料及结构形式

材料牌号：2A70；原材料标准：GB/T3191-2010；锻件标准：GJB2351-1995；批次锻件数量：3件；锻件类别：环轧件；锻件尺寸信息：外径尺寸Φ1648mm，内径尺寸Φ1320mm，高度528mm。外机匣锻件实物如图1所示。

图1 外机匣锻件

2.2 铝合金外机匣超声检测参数

铝合金外机匣按GB6519/T-2013变形铝合金超声波检验方法进行超声检测，按GJB2351-1995A级验收。本次检测采用接触法进行超声检测，耦合剂为机油，设备型号CTS-9009，探头类型N2.5P20L，N2.5P14L。

该零件最大厚度为528 mm，现场无相应的超声检测试块，故采用底波计算法确定超声检测扫查灵敏度。底波计算法为原材料厂和锻件厂常用的超声检测灵敏度调整方法。检测灵敏度按照GJB2351-1995A级，扫查灵敏度采用大平底计算法，见公式（1）。

底波：44.8 dB。

式中：d为平底孔孔径，1.2 mm；λ为铝合金中声波波长，λ=CL，铝合金内声波波速/声波频率=6300/2500=2.52 mm；x为规则反射体距声源距离，528 mm。

扫查灵敏度为44.8 dB+55 dB=99.8 dB。超声检测扫查示意图如图2所示。

图2 超声检测面示意图

2.3 铝合金外机匣超声检测结果

批次3件外机匣锻件均发现超声检测异常信号，统计如表1所示。在检测过程中发现异常信号波幅信号不强，且多数以单点聚集形式居多。锻件厂家针对该3件锻件进行超声检测后，对缺陷信号进行了实测记录，并怀疑为原材料问题，通知原材料厂家来开展复检。原材料厂家对该批锻件进行超声复检后，给出的结论是按照标准要求，上述缺陷可评判为面积型缺陷，但缺陷不超标，满足GJB2351-1995A级要求。针对该检测结果不一致的情况，邀请第三方检测机构对该3件锻件重新进行超声检测复检，第三方检测机构认为异常信号虽不超标，但结合检测经验，疑似为缺陷信号。

表1 超声异常信号统计表

经对1-1缺陷位置进行切样后（切样示意如图3所示，黑色点状为超声异常位置），结合金相检测分析结果，冶金部门确认该显示为氧化膜缺陷。氧化膜缺陷一般为薄片状，非常薄，会透过很多超声能量，所以会造成波幅信号不强，从而产生误判，认为不是超标缺陷。氧化膜缺陷在零件验收标准中是不允许存在的，该类缺陷破坏了金属的连续性，导致产品的性能下降，对产品质量的危害性非常大。

图3 超声检测异常区域取样图

2.4 铝合金外机匣超声检测结果分析

基于2.3节铝合金外机匣锻件的超声检测及理化分析结果，该批锻件全部报废。分析该零件的工艺过程：铝合金铸锭（不进行超声检测）——锻造（进行超声检测）。可以看出，本次报废的风险是铸锭未进行超声检测造成的。基于本次的情况，某型发动机设计单位对于其铝合金原材料采购要求增加了超声检测项目，以保证原材料的质量，避免原材料冶金缺陷引入锻件，造成锻件的报废，从而提高了锻件的合格率。

在本次检测过程中，三家检测单位对该批次锻件开展了超声检测，各家的验收结论均不一致，此种现象说明了铝合金材料超声检测的特殊性，特别是针对氧化膜缺陷这种特殊的缺陷类型。对于铝合金原材料及锻件单位，需对其无损检测人员开展铝合金基础知识培训，了解铝合金容易产生的缺陷类型，熟知不同类型的缺陷超声检测信号的特点，以保证铝合金材料超声检测结果的准确性，防止氧化膜等缺陷的漏判及漏检。

3 结论

1）铝合金氧化膜缺陷的典型超声显示特点主要为：波幅信号不强，且多数以单点形式居多，聚集为面积型缺陷。检测人员在对铝合金氧化膜缺陷超声检测信号进行分析时，若严格按照超声检测验收要求进行评价，易造成缺陷漏检。铝合金铸锭和锻件的超声检测人员，应了解该类典型超声检测信号特征，防止氧化膜缺陷的漏检。

2）氧化膜缺陷在零件验收标准中是不允许存在的，该类缺陷破坏了金属的连续性，导致产品的性能下降。

3）氧化膜缺陷为熔炼和铸造过程中引入的缺陷，在铸锭工艺稳定前，建议针对铸锭开展超声检测，防止此类缺陷引入后续的锻件，以免造成锻件合格率的下降。