铝合金锻件无损检测：超声与涡流技术的实践与挑战

铝合金锻件的质量控制离不开无损检测，其核心任务可划分为两个层面：宏观缺陷的检出与微观组织的表征。本文将聚焦于前者，深入探讨在实际生产与质检环节中，如何应用无损技术来识别和评估锻件的宏观缺陷。

铝合金锻件的常见“病灶”

在深入探讨检测方法之前，我们有必要了解铝合金锻件中可能潜藏的各类缺陷。这些缺陷按位置可分为表面缺陷和内部缺陷。

• 表面缺陷：主要包括折叠、重皮、裂口、裂纹、穿流及各类浅层缺陷。它们的形成与锻造工艺、机加工方法乃至零件设计本身息息相关。例如，锻坯中已存在的裂痕就可能在锻造后发展为明显的表面裂纹。
• 内部缺陷：隐藏在锻件内部的隐患则更为棘手，常见类型有破裂、（氧化膜）裂纹、夹杂物、偏析，以及偶尔出现的孔隙。其中，破裂和裂纹的产生，往往指向预热或锻造过程中温度控制不严，或是单次锻打变形量过大。同样，夹杂物、偏析和孔隙这类缺陷，其根源通常可以追溯到存在相应问题的原始锻坯。

超声波检测 (UT)：洞察内部缺陷的主力军

1. 检测对象的界定

并非所有铝锻件都需要进行超声波检测。在要求严苛的航空制造业中，通常根据锻件的尺寸、重量及受力情况来决定是否实施UT，具体可分为：

1. 大型锻件：断面厚度不小于12.7mm，重量超过23kg，且需要大量机械加工或实际承受横向拉伸载荷的锻件。
2. 中型锻件：断面厚度不小于12.7mm，重量在4.54~23kg之间，且实际承受横向拉伸载荷的锻件。
3. 小型模锻件：重量小于4.54kg，由挤压或轧制棒料加工而成。对此类锻件，可选择仅对原始的坯料进行检测。

变形铝合金制件的超声波检测验收等级与适用范围可参考下表。

表1：变形铝合金制件超声波检测验收等级

表2：铝合金制件超声波检测验收等级适用范围

2. 特定合金与缺陷的检测策略

• Al-Zn-Mg-Cu系变形铝合金：这类合金在最终热处理后，晶界析出物会引起声波散射，干扰缺陷探测。因此，最佳实践是在固溶处理-空气冷却的热处理状态下进行超声检测，以获得更高的灵敏度，待检测合格后，再进行最终热处理以达到目标力学性能。

• 入射面分辨力要求：在未指定声进入面加工余量时，铝合金锻件超声检测的入射面分辨力（信噪比≥2:1）需满足下图要求。

图1 铝合金锻件超声波检测时的入射面分辨力要求

3. 超声检测的挑战：氧化膜与“隐形”缺陷

氧化膜的检测难题：氧化膜是铝合金中一种棘手的缺陷。要有效地用超声波检出它，需要满足几个条件：

• 时机：应在经历充分变形（锻、轧等，变形量通常需>80%）后进行，以增大氧化膜的反射面积。
• 方向：声波入射方向应垂直于主流线，尤其要覆盖垂直于分模面的方向，因为该区域金属流动剧烈，氧化膜面积可能最大。
• 热处理：检测应在热处理后进行。极薄（约0.2μm）且与基体结合紧密的氧化膜本身难以形成有效反射。然而，热处理过程中，材料内部吸附的氢会析出并聚集在氧化膜处，如同给缺陷充了气，使其声学特性发生改变，从而变得“可见”。

一个经典的案例揭示了其中的复杂性：使用1.2mm平底孔校准灵敏度后，检测一块18mm厚的2024-T851铝板未发现任何缺陷，但断口分析却暴露出大量灰色氧化膜。对另一块板上两个不同信号（屏高25%和20%）的区域进行解剖，发现氧化膜面积（5.6mm²和4.0mm²）远大于平底孔面积（1.13mm²），而信号幅度却与氧化膜上的亮白色氢吸附区面积（0.9mm²和0.7mm²）高度相关。这个案例告诉我们一个残酷的事实：超声信号的强弱并不直接等同于氧化膜的实际尺寸，氢的吸附才是关键的“显影剂”。如果工件除氢彻底但氧化膜过滤不佳，超声波很可能无法可靠地检出这些潜在的危害。

被遮蔽的分层缺陷：另一个案例则更具迷惑性。检测人员发现了一个强度相当大的超声反射信号，但解剖后只看到一些微小气孔。蹊跷之处在于，当切开材料后不进行磨光，直接用液体荧光渗透法检测，一条清晰的线状缺陷赫然出现；可一旦将剖面磨光，缺陷就消失了。反复三次，结果依旧。深入研究发现，这其实是一个面积很大的分层缺陷，足以产生强烈的超声回波。它之所以在磨光后“隐形”，是因为材料的塑性流变在磨光过程中将缺陷的开口“弥合”了起来。

涡流检测 (ECT)：超越裂纹，表征性能

涡流检测不仅用于发现表面和近表面缺陷，在铝合金领域，它更是一个评价热处理状态、反推力学性能的强大工具。

1. 电导率与硬度的非唯一性关系

涡流检测的核心是测量材料的电导率。但事情并非一一对应那么简单。以2040铝合金为例，在不同温度下时效，其涡流电导率与时间的关系曲线表明，一个特定的电导率值可能对应着不同的时效状态或硬度。

图2 2040铝合金在不同温度下涡流电导率与时效时间的关系

这就引出了一个核心策略：联合使用多种方法，典型组合是“涡流电导率 + 硬度检测”。

2. 识别有害相：以Al-Li合金为例

对于Al-Li合金（如Al-2090），涡流与硬度的关系更为复杂。研究显示，该合金在固溶处理后进行不同时效，其维氏硬度与涡流响应之间并非线性关系。

图3 Al-Li(w(Li) = 2.2%)合金在不同热处理条件下涡流响应与维氏硬度间的关系

图4 Al-2090合金不同热处理条件下涡流响应与维氏硬度值间的关系

透射电镜（TEM）分析揭示了背后的秘密（见表3）。在200°C下时效33小时后，材料中出现了T₁相，而在175°C下则不出现。正是这个T₁相的析出，打破了电导率与硬度的线性关系。尽管T₁相能提高强度，但它对疲劳性能有负面影响，是需要规避的有害相。因此，通过涡流与硬度联合检测，可以有效识别出这种有害相的存在。

表3：Al-2090合金在不同时效处理时的透射电镜观测

3. 揭示过热风险：以2024铝合金为例

那么，为何硬度相同的材料，其内部性能却可能天差地别？2024铝合金的案例给出了答案。如图5所示，76HRB的最终硬度可以通过两种不同的固溶温度获得：一种是推荐的493°C，另一种是过热的521°C。在521°C下处理，材料会因初溶而形成粗晶界和蔷薇状共晶组织，导致严重的脆性。同样，74HRB的硬度也可能对应着488°C的正常处理和538°C的危险过热处理。

图5 2024铝合金在不同固溶温度并经自然时效的情况下，涡流电导率与硬度的关系

这个实验清晰地表明，单纯的硬度检测无法检出因固溶过热引起的脆性，而涡流电导率则能提供关键的判据。

有趣的是，某些微观组织变化对电导率并不敏感。例如，将试样先在499°C固溶，再在488°C进行二次固溶，会在晶界产生大量连续的脱溶物，严重降低耐蚀性和成形性。但其电导率值却与仅在488°C进行一次固溶的试样几乎相同。这提醒我们，每一种无损检测方法都有其适用范围和盲区，深刻理解材料、工艺与检测信号之间的物理关联，是做出准确质量判断的前提。

这些案例充分说明，无损检测远非简单的“照一照、看一看”，它是一门涉及材料学、物理学和工程实践的综合性学科。要准确解读信号背后的信息，识别那些隐藏在“正常”数据下的风险，需要深厚的专业知识和丰富的实践经验。

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