本发明涉及一种超声波检测方法，具体涉及一种镶铸双金属涡轮界面粘接不良缺陷超声检测方法。
背景技术：
涡轮作为航空发动机的核心热端部件之一，包括轮盘和叶片两部分。其中，轮盘在低温下工作，主要受机械应力作用，要求具有较高的抗拉强度和抗疲劳强度；叶片在高温下工作，主要受离心力、热应力作用，要求具有良好的高温持久和蠕变性能。传统涡轮叶片通过榫头和轮盘外缘的榫槽相连接，将作用在叶片上的载荷传动到轮盘上，但此种工艺在榫齿和榫槽处有较严重的应力集中从而产生裂纹。新型的镶铸工艺在铸型里提前放入加工好的高温合金轮盘，铸造合金液包裹高温合金轮盘，在其周围凝固为叶片组织，实物形状及涡轮内芯二维结构如图1所示。采用此种工艺的涡轮一体性好、无应力集中、载荷均匀、成本较低。
在镶铸双金属涡轮的实际生产过程中，由于液固复合层冶金不能完全冶金熔合，在结合界面处易出现夹渣，气孔，未熔合，结合区强度差等缺陷。对于这种新工艺制成的涡轮暂时没有相对成熟的检测工艺，磁粉检测和渗透检测都只能检测涡轮的表面及近表面缺陷，不能检测出涡轮内部结合面缺陷；射线检测虽能检测内部缺陷，但涡轮界面缺陷类型为面积型缺陷，射线检测对此种缺陷不敏感易造成漏检。超声检测因其具有方向性好、灵敏度高、穿透能力强、缺陷定位准确、对面积型缺陷的检出率较高等优点适用于镶铸双金属涡轮结合面缺陷的检测
但采用镶铸工艺制作的涡轮也带来了新的检测难点，主要有两个：轮盘材料为镍基高温合金，晶粒粗大，对于超声波的衰减强烈；双金属涡轮结合界面处结构复杂，采用常规自发自收式超声相控阵检测接收不到界面回波。为了解决这两个主要问题，现开发专用高电压15通道相控阵脉冲发射仪，利用相控阵的聚焦特性在涡轮上端发射高压聚焦超声波使合成声束聚焦到结合面上；采用收发分离的方式，在涡轮下端采用球环探头来接收来自双金属涡轮结合层处的反射波。因此采用相控阵探头发射，球环探头接收的超声检测方法适用于此镶铸双金属涡轮结合面缺陷检测。
技术实现要素：
本发明为解决镶铸双金属工艺制作涡轮无现成检测方法和专用设备问题，提出一种双金属涡轮结合界面缺陷超声相控阵检测方法并开发检测设备。该方法既能够完全的覆盖所需检测部位，又能够有效克服材料声衰减大的问题。
本发明是这样来实现的，一种双金属涡轮超声波检测方法及专用检测设备，其特征在于方法如下：
（1）双金属涡轮专用检测系统由专用高压相控阵15通道发射单元、相控阵发射探头（附带15度楔块）、球环接收探头、超声波接收单元、成像系统（附带采集卡）构成；
（2）将探头通过耦合剂与所述检测涡轮进行结合，相控阵探头与带角度楔块连接后固定放置在轮盘上侧；球环超声波探头放置在轮盘另一侧中心，固定接收；
（3）将高压相控阵发射仪的检测模式设置为自定义聚焦扫描；
（4）将15°楔块装配到相控阵探头上，并固定放置在涡轮上侧，通过设置各个阵元不同延时从而使超声波束动态发射聚焦到侧壁，经侧壁反射后由球环探头接收，从得到侧壁反射后的超声波信号来分析判别有无结合面缺陷。
（5）以涡轮中心线为轴线，旋转涡轮1°，移动到下一检测位置，重复步骤3），直至检测完全覆盖涡轮全部，记录并存贮结果。
（6）完成镶铸双金属涡轮超声相控阵一发一收式检测。
进一步的，所述双金属涡轮为锥台状，上端直径为63mm，下端直径为33mm，高为96mm，为k447a高温镍基铸造合金，纵波声速约6000m/s，所述检测楔块材料为有机玻璃，长为33mm，宽度21mm，高度为17mm，角度为15°，纵波声速2337m/s。
进一步的，所述超声相控阵探头做发射用，利用超声相控阵探头声束的可偏转和聚焦特性，使声束能够聚焦在待检测侧面双金属结合层上；通过改变各个阵元延时从而调整合成声束的角度和聚焦位置，使在轮盘下侧的接收探头能够接收到侧面结合层反射回波。
进一步的，所述耦合剂为30#机油，密度为0.9g/cm3，声速为1400m/s。
进一步的，所述楔块角度为15°，目的在于提高合成声束对涡轮侧面结合层的发射指向性。纵波在工件内的传播速度最快，在接收端对数据前端截取能够排除其他结构波带来的干扰。由斯奈尔定律计算出第一临界角为27.6°，且考虑到经过侧壁反射要被接收探头接收到，故选取上述角度楔块。
进一步的，所述利用接收探头得到的射频信号来判别缺陷的原理为，当声波到达结合面时，由于轮盘与叶片材料的不同，存在声阻抗的差异。根据斯奈尔定理，声波在界面处存在反射与折射。若侧壁存在结合不良，由于轮盘与叶片声阻抗的差异远远小于轮盘与空气的差异，故在缺陷处声波将全发射，接收探头接收到的信号幅度会升高。所以通过监测接收端侧壁结合层位置处的信号幅度变化，可以实现对结合层缺陷的检测。
2、本发明是这样来实现的，一种双金属涡轮超声波检测方法及专用检测设备，其特征在于设备如下：
（1）专用高压相控阵发射单元，发射电压范围450v~600v，脉冲宽度范围100ns~500ns可调；阵元延时精度最低为2.5
（2）专用球环接收探头，外径20mm，球冠中空部分直径5mm。球冠中空设计的目的在于最大限度抑制直达波（合成声束不经侧面反射，直接穿透至涡轮底部的成分）能量。
（3）粘接缺陷定位方法，利用利用发射直达波与双金属界面缺陷波的时差对界面粘接缺陷进行定位。
本发明的有益效果在于：填补了此类型涡轮无适合检测方法的空白，利用相控阵的偏转和聚焦特性，根据涡轮特殊结构采取相控阵发射，对需检测面进行全覆盖；球环探头接收的方法，确保弧面接收端形状利用脱粘缺陷波与直达波的时差确定脱粘缺陷位置，对涡轮的生产和使用有重大意义。
附图说明
图1为本发明的检测对象镍基高温合金涡轮盘图。
图2为本发明的检测对象涡轮盘的内部椎体图。
图3为本发明的专用设备高压负脉冲延时激励模块图。
图4为本发明的15阵元高压相控阵发射模块图。
图5为本发明的15阵元高压相控阵检测示意图。
图6为本发明的超声相控阵一发一收式检测原理图。
图7为本发明的含人工缺陷模拟试块图。
图8为本发明的15阵元高压相控阵检测波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体技术方案作进一步的描述。
如图5所示，其中1为专用高压相控阵发射单元，2为15通道超声相控阵探头，3为15°相控阵斜楔块，4为待检测涡轮，5为球环探头，6为脉冲接收仪，7为发成像系统（包含采集卡）。
将相控阵探头2配合15°斜楔块3放置在涡轮4上侧，由于斜楔块3角度小于第一临界角，所以超声相控阵探头2在楔块—涡轮结合面会产生出纵波和横波。由于纵波声速大于横波，因此纵波首先经结合面反射被位于下方的球环探头5接收。此a型超声波信号经由脉冲发射接收仪6接收放大，送至成像系统7进行显示，根据系统显示的信号进行缺陷的判别。
如图6所示，当声波到达结合面时，由于轮盘与叶片材料的不同，存在声阻抗的差异。根据斯奈尔定理，声波在界面处存在反射与折射，接收探头接收到的信号幅度会降低。同时，若侧壁存在结合不良，由于轮盘与叶片声阻抗的差异远远小于轮盘与空气的差异，故在缺陷处声波全发射，接收探头接收到的信号幅度会升高。所以通过监测穿透波特定区域的信号幅度变化，就可以实现对结合部缺陷的检测。
下面为本发明实施案例，给出的实例仅为了阐述本方法，而不是为了限制本方法的范围。
实施实例
一种双金属涡轮结合面缺陷超声检测方法，首先在制有人工缺陷的模拟试样上验证方法的灵敏性和有效性。
制作含人工缺陷的模拟试样，材料为k447a高温铸造合金，纵波声速5918m/s，横波声速3233m/s。在人工试块侧壁不同位置预制垂直于侧壁的平底孔，平底孔底面落在结合面的几何尺寸上，平底孔底面间连线为bc与cd段，通过侧壁平底孔来模拟双金属结合面粘接不良缺陷，如图7所示。在bc段上结合面处打上三个平底孔，cd段下结合面处二个平底孔，深度为10mm，孔径为1.5mm，孔之间间距相同，从上至下编号分别为1#、2#、3#、4#、5#。
该检测方法具体包括以下步骤，
（1）将相控阵探头2通过耦合剂与15°斜楔块3相连接，连接后放置在涡轮4上侧。球环探头5放置在涡轮4下侧，两探头与涡轮之间均需耦合剂耦合良好；
（2）将相控阵的检测模式设置为自定义聚焦扫描，调节发射电压为450v，脉宽200ns，按照聚焦算法设置各个阵元延时，使发射声波能聚焦在双金属结合层母线顶部第一个点处。此模式下相控阵声束可沿双金属结合层母线进行逐点聚焦扫描；
（3）将脉冲发射接收仪切换至接收模式，并调整合适增益。同时打开带有高速采集卡的成像系统，更改采集卡触发模式为后触发工作，得到稳定清晰的反射信号；
（4）对轮盘bc、cd段进行检测，将15°斜楔块与相控阵探头进行耦合。对轮盘bc段上侧第一个点进行检测。得到第一个点反射a扫信号，记录并储存结果；
（5）而后对bc段第二点进行检测，重复步骤4），此条母线检测完毕；
（6）以涡轮中心线为轴线旋转涡轮1°，固定相控阵发射探头与球环探头，移动到下一条检测母线，重复步骤4），5），直至检测完全覆盖涡轮bc、cd段，记录并存贮结果；
（7）对全部a型波数据进行截取成像、缺陷识别，完成镶铸双金属涡轮超声相控阵一发一收式检测。
如图8所示，第一个出现幅值较低的波形为直达波，因其声程最短，故最先出现。后面幅值较高的为模拟试样侧壁的回波，其声程大于平底孔回波。为了使缺陷定位及更精确，依次记录直达波起跳点时间及双金属结合层缺陷回波时间并计算二者声程差，根据预先拟合的缺陷深度—声程差函数对缺陷位置进行定位。在整体涡轮扫查完成后，以该处缺陷回波幅值最高点-6db作为缺陷边界判断条件对缺陷大小进行分析。
对模拟试样上5个人工缺陷定位结果如表1所示，测量深度位置以轮盘上表面为测量起点。
表1
表1得出了测量值与人工缺陷实际位置的误差值，绝对误差不大于2mm。通过测量结果与人工缺陷实际位置的对比，表明相控阵发射—球环探头接收法可以满足缺陷定位要求，有利于对缺陷定位。此发明能够保证利用超声的方法来对双金属涡轮结合界面进行完全检测。
以上所述是本方法的较佳实例，而非对本发明保护范围的限制，故凡依本发明申请范围所述特征、原理等所做的等效变化或修饰，均包括于本发明申请范围内。