鈦合金鍛件的超聲波探傷方法

鈦合金鍛件的超聲波探傷方法

鈦合金比重小(約4.5)、熔點高(1600℃左右)、塑性好，具有比強度高、耐蝕性強，能在高溫下長期工作(目前熱強鈦合金已用於500℃)等優點，因而已經越來越多地用作飛機和飛機發動機的重要承載部件，除了鈦合金材料的鍛件外，還有鑄件、板材(如飛機蒙皮)、緊固件等等。現代國外飛機上采用鈦合金的重量比已經達到30%左右，可見鈦合金在航空工業上的應用有著廣闊的前途。當然，鈦合金也存在如下缺點：例如變形抗力大、導熱性差、缺口敏感性較大 (1.5左右)、顯微組織的變化對機械性能影響較顯著等，從而導致在冶煉、鍛造加工和熱處理時的複雜性。因此，采用無損檢測技術以保證鈦合金製品的冶金和加工質量，就是一個很重要的課題。

鈦合金鍛件中容易出現的缺陷

一、偏析型缺陷

除了β偏析、β斑、富鈦偏析及條狀α偏析外，最危險的是間隙型α穩定偏析(I型α偏析)，其周圍常伴有細小的孔洞、裂紋，含有氧、氮等氣體，脆性較大。還有富鋁型α穩定偏析(II型α偏析)，也因伴有裂紋並有脆性而構成危險性缺陷。

二.夾雜物

多是高熔點、高密度的金屬夾雜物。由鈦合金成分中高熔點、高密度元素未充分熔化留在基體中形成(例如鉬夾雜)，也有混在冶煉原材料(特別是回收材料)中的硬質合金刀具崩屑或不適當的電極焊接工藝(鈦合金的冶煉一般采用真空自耗電極重熔法)，例如鎢極電弧焊，留下的高密度夾雜物，如鎢夾雜，此外還有鈦化物夾雜等。

夾雜物的存在容易導致裂紋的發生與擴展，因此是不允許存在的缺陷(例如蘇聯1977年的資料中規定，鈦合金X射線照相檢查時發現直徑0.3~0.5mm的高密度夾雜物就必須予以記錄)。

三.殘餘縮孔

見實例。

四.孔洞

孔洞不一定單個存在，也可能呈多個密集存在，會使低周疲勞裂紋擴展速度加快，造成提前疲勞破壞。

五.裂紋

主要指鍛造裂紋。鈦合金的粘性大，流動性差，加上導熱性不好，因而在鍛造變形過程中，由於表麵摩擦力大，內部變形不均勻性明顯以及內外溫差大等，容易在鍛件內部產生剪切帶(應變線)，嚴重時即導致開裂，其取向一般沿最大變形應力方向。

六.過熱

鈦合金的導熱性較差，在熱加工過程中除了加熱不當造成鍛件或原材料過熱外，在鍛造過程中還容易因為變形時的熱效應造成過熱，引起顯微組織變化，產生過熱魏氏組織。

鈦合金鍛件超聲探傷的幾個問題

除了一般鍛件超聲探傷方法中應當注意的問題外，鈦合金鍛件的超聲探傷還有以下幾個需要注意的問題。

一. 原材料的冶金質量

前麵第二部分所述的缺陷大部分是在原材料上就存在的，結合考慮我國鈦工業生產的實際情況(原材料、工藝等)，加上鈦合金價格昂貴，加工困難，並且鍛件的形狀一般都比較複雜，使得鍛件的超聲探傷存在一定的困難(例如死角、盲區、探測方向不利等)，為了將質量隱患盡早阻絕在初始階段，應該嚴格把好原材料的冶金質量關，其超聲驗收標準應該從嚴要求，其方法也應該更為詳細。

例如，對鈦合金圓棒，除了按一般周麵360°的徑向入射縱波探傷外，還應作周麵360°的弦向橫波探傷(折射角一般為45°)，以保證發現直探頭無法發現的表麵和近表麵缺陷(例如徑向裂紋)。對於鈦合金方坯、餅坯、環坯等除了作垂直入射的縱波探傷外，考慮到可能存在沿鍛造變形應變線產生的裂紋(在橫截麵上多為近似45°取向)及某些傾斜取向的缺陷，還應作折射角45°的徑向橫波探傷(國外有些標準還要求作水中5°入射縱波檢查和折射角60°的徑向、弦向橫波檢查，如英國的RPS705和美國的DPS4.713)。

由於鈦合金探傷靈敏度要求較高，故縱波探傷宜用5MHz，橫波探傷用2.5MHz(兩者在同一材料中波長相當)的頻率。在評定、鑒別缺陷時，有時還要使用更高的頻率(如蘇聯資料建議使用20MHz的頻率)。

二. 選擇合適的檢測方法

為了確保鈦合金鍛件的質量，除了嚴格控製原材料質量外，還必須防止在後續熱加工過程中出現缺陷，應該重視鍛件的毛坯及半成品的超聲探傷，以及成品階段的X射線探傷、熒光滲透探傷和陽極化腐蝕等檢查手段，其方法的選用原則上與一般鍛件基本相同。

2. 鈦合金鍛件的顯微組織變化對其機械性能有較顯著的影響，對超聲探傷中的雜波水平及底波損失的評定起到檢查鈦合金組織均勻性的作用，應予以充分的重視。

超聲波在晶界及晶內相組織上的散射可能在熒光屏上以雜波顯示，也可能表現為聲能衰減引起底波高度的降低(底波損失)，這兩者與顯微組織有一定的對應關係。根據這兩項參數的評定，已經發現過粗晶、並列α組織(能造成低周循環疲勞性能下降的魏氏組織)等。

就目前所作的工作來看，雜波水平高的鈦合金顯微組織，多表現為有完整明顯的原始β晶界和平直細長的魏氏α組織(未變形的典型魏氏組織)，或顯現有多且大的條塊狀α相，這類組織在機械性能上表現為強度指標下降。此外，某些鑄造組織殘留也可能造成雜波水平較高。但就一般的過熱魏氏組織，如果其原始β 晶界及晶內相組織取向較紊亂無規則時，盡管這樣的組織是不好的，甚至從顯微組織評定是不合格的，其雜波水平卻不一定偏高，說明雜波水平的評定目前還存在較大的局限性。

在底波損失的評定中，某些魏氏組織對超聲脈衝的高頻分量有較明顯的衰減(如並列α組織)，這在頻譜儀上較易觀察到(北京航空材料研究所錢鑫源等)，但對工業生產上的大批量檢查如何使用普通超聲探傷儀，選用最佳響應頻率的探頭進行檢測上存在一定的實際困難。

應當說明的是，目前對鈦合金內部偏析也尚無可靠有效的超聲檢測方法。

總之，如何利用超聲波對各種不同顯微組織的響應達到控製鈦合金的性能質量，是目前需要深入研究的課題(例如采用更高的、甚至上百兆赫的頻率，以及使用電子計算機進行信息處理等)。盡管如此，在目前鈦合金鍛件及材料的超聲探傷中，雜波水平與底波損失的評定仍然是兩項很有價值的指標。

3.鈦合金材料的超聲探傷中，有時由於單個大晶粒或者局部的組織不均勻造成的組織反射會以單個反射信號的形式出現，容易和真正的冶金缺陷(如高密度夾雜物、裂紋、孔洞等)的反射信號相混淆，通過試驗分析認為，這種反射信號可能是由於超聲反射波的相位疊加所致。在這種情況下，采用小直徑探頭或聚焦探頭(縮小波束直徑)，提高超聲頻率，以相同的探測靈敏度(平底孔直徑相同的試塊)重新評定時，會發現其反射信號幅度明顯下降，有時甚至消失，而真正的冶金缺陷的反射信號在這種情況下不會有明顯變化。這種方法可以鑒別鈦合金中真正的冶金缺陷與組織反射。

當然，在鈦合金的超聲探傷中，也和其他材料的超聲探傷一樣，企圖僅以A型顯示的反射脈衝信號判斷缺陷的性質顯然是不可能的，必須結合具體探傷對象的材料成分特點、冶煉及鍛造加工工藝，以及輔以其他無損檢測手段(如X射線照相、滲透、超聲C掃描等等)，加上探傷人員自身的經驗水平等進行綜合分析判斷，必要時還要進行解剖驗證(包括宏觀、高倍，甚至電子顯微鏡、電子探針等手段)。因此，目前在鈦合金鍛件及原材料超聲探傷中，其質量驗收標準基本上仍以回波信號的參數為依據。

鈦合金鍛件與材料的缺陷實例

一. Φ70mm鈦合金鍛棒中的殘餘縮孔

縱波(上為縱波波形照片)與橫波(下為橫波波形照片)均能發現，縱波探測時表現為強烈的缺陷回波並造成底波降低(麵積型缺陷，可大致判斷為徑向走向)，橫波探測時表現為清晰強烈的缺陷回波(裂紋狀缺陷)。右圖為橫向低倍照片(1x)。

二. 鈦合金餅坯中的鉬夾雜(高密度夾雜物)

這是冶煉時作為鋁鉬中間合金中的鉬未完全熔解而留在基體內形成，可用縱波探測到，無論改變超聲頻率及超聲波束直徑都能很好地發現，並且在兩麵探測時位置對應良好。解剖後驗證為鉬夾雜。在橫向低倍上多呈“眼睛”狀，在餅坯中的取向多與端麵平行，但也有的會取向傾斜，在餅坯上不易發現，待模鍛成盤形件後因變形力使其取向改變到與端麵平行時才易於發現。左圖為橫向低倍照片(2x)，右圖為按超聲束投射方向拍攝的X射線照片(外圈為鉛絲，中間的白點即為高密度夾雜物-鉬夾雜)

a) 環坯上的45°裂紋 橫向低倍 x1/2 b)左邊環坯裂紋高倍 100x

c)餅坯上的45°裂紋橫向低倍 x1/2 d)餅坯上的端角45°裂紋帶到模鍛盤上加工至半成品時暴露 1x

e)鍛製板狀件上的十字裂紋 x1/2

三.鈦合金餅(環)坯中的45°裂紋及鍛製板狀件上的十字裂紋

這類裂紋是由鍛造引起的，特別是從鈦錠開坯鍛製餅(環)坯時，往往因終端溫度過低、錘擊力過大等而沿最大變形應力方向開裂。這種裂紋大多在開口處彌合較緊，或者整條裂紋上的開隙度很不均勻，局部彌合很緊，經鍛造後機械加工至半成品時，如果表麵恰好在彌合較緊的部位處，則用腐蝕或滲透法有時未必能發現，但其內部開裂又較大，甚至出現孔洞(如照片b))。采用45°折射橫波是很容易探測到並可以判斷的。

三. Φ70mm鈦合金軋棒上的徑向表麵裂紋

這類裂紋也屬於鍛造或軋製加工中形成的裂紋，可以用腐蝕或滲透法發現，采用45°折射橫波作周麵弦向掃查是很容易探測到的，而用一般的縱波周麵徑向入射探測是發現不了的。

四. a)橫向低倍x1/2 b)表麵裂紋著色滲透顯示x1

a)橫向低倍x1/3 b)縱向低倍x1/2

c)中心粗晶處橫向高倍x500

五.Φ125mm鈦合金鍛棒的中心粗晶：用5P14直探頭周麵徑向探測，中心部位的雜波水平(同聲程比較)達到Φ1.2mm-6dB。

a)橫向低倍x1 b)縱向低倍x1 c)中心粗晶處高倍 x250(有條塊狀α)

六.Φ70mm鈦合金軋棒中的粗晶

用5P14直探頭周麵徑向探測，中心部位的雜波水平(同聲程比較)達到Φ0.8mm平底孔當量，而正常試件上的雜波水平在Φ0.8mm-10~12dB左右。