陸銘慧，劉述煌，2

（1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063；2.中國人民解放軍海軍91362部隊，寧波 315020）

巴氏合金是大型機械主軸的軸瓦、軸承等使用的材料。巴氏合金耐磨性好但耐熱性較差，通常是澆注在鋼基體上來使用。因此要求合金與鋼質基體緊密結合，一旦出現復合層界面局部脫落或熔化，將導致連續(xù)油膜被破壞，輕則造成軸振動過大，重則導致軸瓦燒毀。因此，對巴氏合金澆注層進行無損檢驗，是一項非常重要的環(huán)節(jié)［1－3］。目前，對巴氏合金／鋼復合層界面的檢測主要利用工件底面的脈沖回波和結合界面回波的相對變化、接收回波的異常來判斷，國內外也制定了相應的標準［4－6］。筆者提出用特征掃描成像系統(tǒng)對巴氏合金／鋼復合層界面進行檢測，使用高性能水浸聚焦探頭，依據界面回波的幅值變化判斷缺陷的存在及大小，以圖像方式顯示檢測結果，實現巴氏合金／鋼復合層性能評價。

1 復合層界面質量超聲檢測方法

1.1 巴氏合金／鋼復合層的聲傳播特性

分析巴氏合金／鋼復合層的聲傳播特性前，先了解這兩種金屬材料的聲特性阻抗情況。當超聲波從垂直方向入射到兩種不同介質的界面時，將在第一介質中產生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質中產生一個與入射波方向相同的透射波。

復合層回波聲壓計算：

設入射波聲壓為P0，界面回波聲壓為Pr，則超聲波入射到兩種不同介質的界面時回波聲壓為：Pr＝P0·r。

式中：ρ為介質密度；C為該介質聲速；r為聲壓反射率；t為聲壓透射率；Z1為介質1特性阻抗；Z2為介質2特性阻抗。

此處主要討論錫基巴氏合金，在錫基巴氏合金中，錫含量極高，所以把錫基巴氏合金看成錫，作為第一介質。錫、鋼、空氣的縱波聲速分別為3 320，5 900，344m／s；根據z＝ρC各介質的特性阻抗特性阻抗分別為24.223，46.31，0.004×106Pa·s／m。

根據上述參數，可以計算：

在錫基合金與基體鋼結合良好的情況下，Z1為錫基合金特性阻抗，Z2為鋼特性阻抗，則：

在錫基合金未完全結合的情況下，Z1為錫基合金聲阻抗，Z2為空氣聲阻抗，則回波聲壓：

復合層界面脫接和完全結合時的回波分貝差Δ為：

在合金復合層結合良好的情況下，底波B 與界面波I的分貝差為：

因此，依據界面回波和底面回波的變化可以判斷合金結合層的結合質量。

1.2 巴氏合金／鋼復合層的超聲檢測方法

1.2.1 手工檢測方法

巴氏合金／鋼復合層的手工檢測選取直探頭或雙晶探頭，采用底面回波法和無底面回波法［7］進行，上一節(jié)的計算結果表明，利用底面回波法和無底面基準波高檢測的方法是可行的。

對巴氏合金／鋼復合層進行手工檢測時，探頭形式的選擇主要依據合金的厚度。合金層較厚時采用直探頭，當合金層較薄時，用直探頭存在始波占寬大、盲區(qū)大、難以識別近距離缺陷等問題。針對此問題，可以采取兩種方法：①選擇在單直探頭上裝有延遲塊，以減少盲區(qū)。②根據合金厚度選擇雜波少靈敏度高的雙晶探頭。

目前采用的手工檢測方法存在準確性不高、受工件形狀、衰減影響較大，缺陷評定未考慮缺陷性質，特別是弱結合問題。

1.2.2 超聲成像檢測方法

采用先進的成像檢測技術可提高檢測準確性和可靠性。在各種成像檢測技術中，特征掃描（Feature－Scan）是一項新技術，其由傳統(tǒng)的C 掃描成像發(fā)展而來，利用計算機全波列采集檢測信號，提取和存儲缺陷及工件的多種特征，經信號處理后，按多種特征進行成像顯示；通過對檢測信號進行頻譜分析和數字濾波，提高缺陷判斷的準確性。

超聲特征掃描系統(tǒng)硬件結構包括：機械掃描裝置，超聲波發(fā)射和接收裝置，信號采集、處理單元，專用換能器等。軟件系統(tǒng)提供多種特征掃描成像，包括：B、C掃描成像、相位特征成像、當量特征成像、超聲CT 成像、頻譜分析等等。

針對巴氏／鋼合金復合層的檢測需求，可以形成幅值特征等圖像。比如，以結合良好處的界面回波波幅作為基準，掃描得到的回波幅值按高于基準的百分比賦予不同的顏色，形成幅值特征的彩色圖像，直觀地顯示出復合層缺陷的大小和幅值特征。

2 超聲檢測試驗

2.1 試驗樣品

檢測對象為厚度不同的巴氏合金／鋼復合層樣品，如圖1所示，樣品可分為六個區(qū)域，其中合金厚度為：1，4，6區(qū)10mm，2，5區(qū)15mm，3區(qū)5mm，其中1區(qū)和5區(qū)結合較好。

圖1 巴氏合金／鋼復合層試塊尺寸示意

2.2 手工直探頭檢測

為了研究結合層回波的幅值變化，試驗采用5077UA 超聲發(fā)射接收儀激勵和接收超聲，示波器顯示超聲波時域波形，探頭選擇5 MHz直探頭。

底面回波法檢測：將探頭放在巴氏合金面上，尋找一處結合好的區(qū)域，將第一次底面回波調至滿刻度的80%，以此作為檢測的起始靈敏度。在檢測中如發(fā)現底波降低超過6dB，可以認為結合層存在結合不良。圖2為5mm 厚合金底面回波顯示，在圖2（a）中可以看到有兩次以上底面回波，而圖2（b）中顯示的是各次回波幅值降低明顯，如果底波消失，則表示出現完全脫接缺陷。同理，對巴氏合金厚度為10mm 的檢測結果如圖3所示，底波幅值降低超過6dB，說明存在結合缺陷。試驗證明，利用底面回波降低6dB法可以確定結合不良區(qū)域。

無底面回波法檢測：將探頭置于標準試樣（相同厚度、相同合金成分和背襯材料）的合金面上，將結合層第一次回波調至滿刻度的40%，以此作為檢測的起始靈敏度。如果發(fā)現待檢巴氏合金／鋼復合層界面回波升高6dB 及以上的可以認為界面存在結合不良。圖4顯示的是5mm 厚度標準試樣界面回波波形圖和試驗樣品3區(qū)部分的結合不良處的界面回波波形圖，結合不良時界面回波的幅值和次數有明顯的增加，利用界面回波增加6dB法同樣可以確定結合不良區(qū)域。

2.3 巴氏合金／鋼復合層特征掃描成像

超聲掃描成像系統(tǒng)對巴氏合金工件進行檢測時，重要的是選擇合適的參數進行成像顯示。由于出現結合不良會引起復合層界面回波和底面回波的變化，而界面回波的變化更為明顯，受工件形狀影響小，因此成像檢測中以復合層界面回波為特征，進行成像顯示。圖5顯示的是厚10 mm 合金層的檢測結果，把正常的結合層界面回波調至滿刻度的40%，每增加滿刻度的20%進行測量，用不同顏色進行顯示，結果形成一幅界面回波高度變化圖，根據圖像判斷結合不良區(qū)域，如圖中深色為結合不良缺陷，深色區(qū)域表示結合層回波幅值超過80%。試驗表明，用特征掃描成像方法，結合層回波分辨容易，結果直觀，并且由于F特征掃描成像由C 掃描發(fā)展而來，同樣具備水浸C 掃描的優(yōu)勢，在檢測時，數據的獲取、處理包括探頭的移動都是通過計算機來控制和完成，減少了人為因素的影響，檢測效率高。為了有效檢測近表面的結合不良，采用聚焦探頭，改善了近表面缺陷的分辨能力，對薄層探傷有利，分辨率高。圖6為5mm 結合層特征掃描成像檢測結果，工件上界面回波和結合層回波能明顯分開，保證了可采用結合層回波成像。

3 結論

介紹了兩種針對巴氏合金／鋼復合層界面質量的超聲檢測方法，討論了利用特征掃描成像對巴氏合金／鋼復合層質量檢驗的可行性，兩種方法原理都是利用復合層回波或者是底波幅值的變化來判斷合金復合層的結合狀況，但特征掃描成像有兩點優(yōu)勢：①利用計算機全波列采集檢測信號，提取和存儲缺陷及工件的多種特征，故結果更加直觀，效率更高，更能準確反映復合層質量狀況。②采用高性能聚焦探頭，改善了近表面缺陷的檢測能力。

［1］ 張彥新，牛曉光.復合材料軸瓦結合狀況的超聲波檢測［J］.河北電力技術，2004，23（5）：17－18.

［2］ 徐華.巴氏合金鋼復合層的超聲檢測技術［J］.無損檢測，2011，33（10）：88－89.

［3］ 李國良.軸瓦合金結合質量的超聲波檢測方法［J］.廣西電力，2011，34（1）：30－31.

［4］ DL／T 297－2011 汽輪發(fā)電機合金軸瓦超聲波檢測［S］.

［5］ ISO 4386－1－1992 滑動軸承多層金屬滑動軸承，第1部分：結合強度超聲波無損檢驗［S］.

［6］ ISO 4386－3－1992 滑動軸承多層金屬滑動軸承 第3部分：無損穿透檢測［S］.

［7］ 明德純.滑動軸承等巴氏合金／鋼復合層質量超聲波檢測與評定［J］.柴油機，1991（5），31－34.

［8］ 陸銘慧，付德永.復合材料層狀薄板超聲特掃描成像檢測［J］.無損檢測，2005，27（9）：449－453.

［9］ 陳以方，駱巍，陳玉寶，等.復合材料的特征掃描聲成像檢測［J］.無損檢測，2001，23（10）：427－431.