航空發動機三支點軸承件的超聲波檢測技術

王 玲

（沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

某航空發動機三支點軸承件在使用時出現內圈金屬軌道脫落，造成滑油污染，堵塞滑油濾網，引起滑油傳感器報警，影響發動機使用。經分析內圈金屬脫落為零件內部鍛造缺陷擴展所致，而該零件在裝機前未進行無損檢測。因此，為了保證軸承軌道及其內部質量，需對其進行無損檢測。

在目前的五大常規檢測方法中，滲透、磁粉和渦流檢測法主要是檢測表面及近表面缺陷，因此，不考慮采用該三種方法。射線檢測，雖然對零件結構沒有特殊要求，且檢測靈敏度較高，但不適合檢測鍛造類缺陷，容易造成漏檢。基于以上考慮，只有采用超聲波進行檢測。

由于目前國內還沒有現行的軸承鋼無損檢測標準可供參考，而且以前該三支點軸承件一直未進行過無損檢測，因此采用超聲波檢測存在以下幾個問題：

第一沒有相關的檢測技術及相應的驗收標準可供參考，需要試驗及分析以確定具體的檢測技術及相關參數。

第二為了防止后續零件出現內圈金屬軌道脫落的現象，在檢測試驗過程中，需要采用高靈敏度檢測技術，以保證檢出所有微小缺陷；需要采用特殊的探頭和試塊。這都對檢測的實施帶來極大的挑戰。

第三裝機后返廠零件形狀復雜。內圈已經加工相應的軌道，致使零件形狀復雜，給檢測帶來了諸多困難。

筆者通過試驗確定了超聲波檢測參數，對比試塊，檢測工藝，并對試驗結果進行了驗證，證明了超聲波檢測該工件的可靠性。

1 檢測技術的確定

1.1 三支點軸承件的結構特點

三支點軸承件屬于環形件，其主要尺寸和結構如圖1所示。毛坯狀態時內外壁表面光滑，上下端面平行，表面加工余量較小，約為2mm。成品狀態時壁厚較小，且內壁加工軌道，帶有曲率很小的圓弧面。

圖1 三支點軸承結構圖

1.2 超聲波檢測技術的選擇

環形件超聲波檢驗一般采用接觸法或者水浸法［1］。

隨著計算機技術的進步，水浸法在實現自動化檢測、減少人為因素影響、提高檢測可靠性等方面的優勢，越來越為人們所認知。因此，對重要零件進行高分辨力、高靈敏度和高可靠性的檢測時，更多的選擇超聲波水浸法進行檢測。

該三支點軸承件材料為軸承鋼，材料內部缺陷較小，表面加工余量僅為2 mm，必須采用高靈敏度、高分辨力的檢測技術，以保證所有微小缺陷的檢出。因此，宜采用水浸法進行檢測，如圖2所示。

圖2 水浸法檢測的原理圖

為檢測材料中的微小缺陷，提高小缺陷反射超聲信號幅度和信噪比是關鍵要素［2］。為此筆者采用了超聲聚焦檢測技術。由于聚焦聲束在聚焦區能量集中度較高，聲壓提高較明顯，因此小缺陷反射幅度高；其次，基體材料被聲束穿過部分的體積較小，相對應引起的散射噪聲也較小，因此信噪比也較好，這樣可明顯提高小缺陷檢測的靈敏度和信噪比。

綜上，水浸聚焦檢測技術可很好地滿足三支點軸承件高靈敏度、高信噪比的檢測要求。

2 超聲波檢測參數選擇

2.1 探頭參數

2.1.1 超聲波檢測頻率

超聲波檢測頻率是超聲波對缺陷探測能力的主要決定因素［3］。頻率高時，因其波長短、聲束窄、擴散角小、能量集中，因此發現小缺陷的能力強，橫向分辨力好，缺陷定位準確。

幾種常用水浸探頭的參數如表1所示。由于三支點軸承件厚度和余量較小，為提高信噪比，適合選擇10 MHz的頻率進行探傷。

表1 常用水浸探頭參數

2.1.2 探頭的類型

聲透鏡加上水浸平探頭則可產生聚焦聲束，組成聚焦探頭。聚焦可使聲束在一定范圍深度內直徑變窄，聲強增高，也可使部分區域的檢測靈敏度、信噪比及橫向分辨力參數提高，同時還可提高C 掃描檢測中的圖像分辨率。聚焦探頭的能量集中，發現小缺陷的能力強。

2.2 檢測儀器

由于采用高頻水浸聚焦檢測技術，因此選擇的檢測設備應具有較寬的頻帶寬度及低噪聲電平，發射脈沖可調為窄脈沖和高阻尼。為了對零件實施完全的檢測，檢測設備應能夠方便三支點軸承件的裝夾；系統至少具有A 掃和C 掃這兩種顯示模式，以方便缺陷的評定。

為此，選擇了以色列SCANMASTER 公司的盤環件超聲水浸檢測系統，型號為LS200－LP，該系統精度高，具有專業化的程序軟件，適宜高靈敏度下環形件的水浸探傷。

2.3 對比試塊

由于該三支點軸承件是首次進行超聲波檢測，且檢測靈敏度高，需要采用同材料不同埋藏深度的一組對比試塊來調節檢測靈敏度。根據該三支點軸承件的加工余量和檢測厚度，最終采用4013316－417試塊組，如圖3所示。試塊內埋藏的平底孔孔徑為φ0.4mm，孔深范圍1.5～40mm。

圖3 4013316－417對比試塊組外觀

2.4 檢測面

選擇檢測面應最先考慮缺陷的最大可能取向。若缺陷的主反射面近似平行于試件的某一表面，應選擇從此表面入射的垂直入射縱波，達到缺陷的主反射面與聲束軸線接近垂直，這樣檢測缺陷最為有利。但是三支點軸承件的缺陷主要是沿著平行于圓周的方向分布，因此，宜采用從外圓方向垂直入射的縱波進行檢測。

3 超聲波檢測工藝

3.1 檢測靈敏度的調整

將4013316－417試塊組的6個試塊（缺陷埋深分別為：1.52，3.18，6.35，12.7，25.4，38.1mm）按照厚度由小到大的順序依次擺放在試塊架上。將HGE－5827－A 探頭置于第一個試塊上，將最淺孔（埋深1.52mm）的最高反射波高調至80%，此時靈敏度為基準靈敏度，此后不改變基準靈敏度，記錄其余各孔的波高達到80%時的增益值，完成TCG 曲線的繪制。

曲線制作完畢后，為了達到較高的檢測靈敏度（一般不低于φ0.4～10dB），需再將增益提高10dB。

3.2 缺陷的識別與評定

為防止漏檢，檢測時對波高超過30%的顯示信號進行記錄，包括缺陷的埋深，大小并在零件上定位，標記出缺陷表面位置。

對三支點軸承件進行超聲波檢測，顯示方式為兩種：A 掃描和C掃描。

A 掃描方式：采用直角坐標系來顯示超聲信號幅度與傳播時間的關系，縱坐標為信號幅度，橫坐標為時間。由于水浸法檢測的傳播介質是水，水是均質材料，則超聲波在水中傳播聲速是恒定的，因此傳播時間可轉變為傳播距離。因此，可以從A 型顯示中得到反射面距入射面的距離（縱波垂直入射檢驗時顯示缺陷的深度），及回波幅度的大小（用來判斷缺陷的當量尺寸）。軸承超聲波檢測的方向是沿軸向掃查，從A 型顯示中可讀出缺陷的埋深和當量大小，如圖4所示。

圖4 三支點軸承件的A 掃描信號圖

C掃描方式：采用試件的平面投影圖，利用探頭對該試件表面進行二維掃查，探頭的掃查位置對應顯示屏的二維坐標。探頭的每一移動位置，采用電子門對應選出某一深度范圍的信號幅度，信號的幅度大小可用亮度或顏色表示，并在對應的探頭位置上顯示，最終可得到某一深度范圍缺陷的二維形狀與分布。

掃描圖像底部有一條色帶，不同的顏色代表不同大小的信號幅度。如果零件內部無缺陷或者材質均勻，則C 掃描圖像的顯示會很均勻，顏色也基本相同。反之，若在C 掃描圖像上發現局部顏色與周圍呈現的顏色不同的部位，則需將探頭移動到該反射信號處，結合其A 掃描圖像進行評定，若A 掃描圖上界面波和底波之間有反射波存在，則一般被認為是缺陷反射信號，此刻探頭的位置即認為是缺陷所在部位，如圖5所示。

圖5 三支點軸承件的C掃描缺陷反射信號圖

3.3 檢測結果

檢測對象為80件三支點軸承件。檢測結果為該80件三支點軸承件采用超聲法水浸法聚焦檢測，其中45件合格，35件發現有明顯的缺陷信號。缺陷件的C掃描圖像如圖6所示。

圖6 缺陷埋深為3.35 mm，距邊緣位置為34mm，當量大小為φ0.4～8dB，且該缺陷顯示信號成片狀顯示，為密集型缺陷。對該缺陷件進行理化失效分析，檢測結果為夾渣缺陷。

圖6 存在缺陷的三支點軸承件C掃描信號圖

4 結論

對發動機三支點軸承件采用水浸超聲聚焦檢測技術，在檢測靈敏度不低于φ0.4～10dB的情況下，可以有效保證內部缺陷的檢出，且經過理化分析，證明檢測方法是可靠的，能夠用于工業生產中。

［1］胡天明.超聲檢測［M］.武漢：測繪科技大學出版社，1994.

［2］史亦偉.超聲檢測［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［3］李家偉，陳積懋.無損檢測手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002.