鈦合金棒材超聲波探傷時(shí)底波后回波的缺陷定性分析

毛江虹,張 誼,王建淦,曹繼敏,肖松濤

(西安賽特金屬材料開發(fā)有限公司,西安 710021)

鈦及鈦合金材料因其比強(qiáng)度高、耐腐蝕、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空、化工、醫(yī)療、電子和艦船等高新技術(shù)領(lǐng)域。鈦合金自身的熔煉特點(diǎn)及其缺口敏感性問(wèn)題,要求在采用鈦合金時(shí)必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制。超聲波檢驗(yàn)是一個(gè)重要的鈦合金質(zhì)量控制手段[1-3]。文獻(xiàn)[4-5]中對(duì)國(guó)內(nèi)外鈦材的探傷要求做了分析,小規(guī)格(＜φ20 mm)鈦棒材按AA級(jí)檢測(cè),要求很嚴(yán)格。生產(chǎn)中一般采用水浸聚焦縱波法超聲波探傷[6-9]。水浸聚焦縱波法具有清潔、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。具體方法是將磨光棒材浸入水中,聚焦探頭發(fā)射的聚焦聲束經(jīng)水耦合進(jìn)入棒材,使聲束中心線與棒材表面垂直,確保入射聲束折射后仍為縱波,通過(guò)棒材相對(duì)于探頭的轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)棒材全截面掃查。在探傷檢測(cè)過(guò)程中,為了提高檢測(cè)的靈敏度,可選用高頻率、小晶片尺寸的水浸聚焦探頭[10]。

棒材內(nèi)部常見的裂紋、氣孔、夾層和折疊等缺陷均存在明顯的界面,與基體合金的聲阻抗差別較大,在一次底波前會(huì)出現(xiàn)明顯的回波。因此,在鈦棒材的超聲波探傷實(shí)踐中,一般只觀察一次底波前是否存在缺陷回波[1]。作為實(shí)心圓柱形工件,由于超聲波的擴(kuò)散波束在圓柱面上形成三角反射路徑,一次底波后主要出現(xiàn)三角波的偽缺陷波。包括等邊三角波和等腰三角波,且固定出現(xiàn)在1.3d和1.67d(d為圓柱體直徑)的位置[1,11],因此三角反射波不會(huì)干擾缺陷波的判別。但探傷中經(jīng)常出現(xiàn)這種情形：一次底波前無(wú)缺陷回波,在一次底波后,等邊三角波之間卻存在游動(dòng)回波。通過(guò)對(duì)棒材的解剖分析,發(fā)現(xiàn)合金內(nèi)部存在成分偏析。筆者分析了該缺陷的特性,并討論了底波后回波在探傷實(shí)踐中的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法

(1)材料 選用西北有色金屬研究院研制并生產(chǎn)的TC4鈦合金φ9.0 mm磨光棒材。

(2)檢測(cè)儀 美國(guó)GE公司生產(chǎn)K K USM35型檢測(cè)儀。

(3)探頭 選用進(jìn)口水浸點(diǎn)聚焦探頭,頻率20 MHz,晶片尺寸 1/8″。

(4)檢測(cè)方法 采用水浸聚焦法檢測(cè),基準(zhǔn)波高為80%。對(duì)比試塊選用TC4,φ8/0.8 mm,符合GB 5193—2007 AA級(jí)檢測(cè)要求。

(5)對(duì)缺陷樣做解剖金相分析,并采用JSM-6390A型掃描電鏡(SEM)對(duì)合金進(jìn)行顯微組織觀察和能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 探傷檢測(cè)結(jié)果

在對(duì)φ9.0 mmTC4鈦合金磨光棒材的超聲波檢測(cè)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)在一次底波與等邊三角波之間存在游動(dòng)回波,其波形顯示見圖1。

圖1 底波后的缺陷回波

從圖1中可以觀察到：一次底波前沒(méi)有明顯的回波;等邊三角波很明顯。游動(dòng)回波的幅度約20%～40%,波形清晰獨(dú)立,波底較窄;在棒材的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,該波在一次底波與等邊三角波之間不斷游動(dòng),可以判定這是一種由缺陷所導(dǎo)致的回波;并且在棒材一定長(zhǎng)度的縱長(zhǎng)方向上,回波一直存在,表明這種缺陷具有縱向延續(xù)性。

2.2 解剖結(jié)果

2.2.1 缺陷的高低倍金相

圖2為 TC4鈦合金棒材的低倍金相照片?？梢钥吹?在棒材橫截面的中間部位存在一條清晰細(xì)長(zhǎng)的亮帶,亮帶中心較寬,兩端較窄小。該缺陷屬體積類缺陷,厚度約 0.05～0.5 mm,長(zhǎng)度約 2～5 mm。圖3為缺陷區(qū)域的高倍金相,可以觀察到亮帶中心部分為粗大的單相組織,基體為細(xì)小彌散的兩相組織,且缺陷與基體之間沒(méi)有明顯的界面。

2.2.2 能譜分析

圖4為TC4合金棒材橫截面的背散射圖片?？梢钥吹?圖中有深色和淺色兩個(gè)區(qū)域。分別對(duì)不同區(qū)域采點(diǎn)(001,002和003)進(jìn)行能譜分析,其分析結(jié)果見表1。從表中可發(fā)現(xiàn),003點(diǎn)只有Ti元素存在,表明003區(qū)域是純鈦區(qū)域,即在探傷中所發(fā)現(xiàn)的缺陷區(qū)。001,002點(diǎn)主要由Ti,Al,V元素組成,但Al和V的含量嚴(yán)重偏離TC4的名義成分,是富Al貧V的區(qū)域。從表中還發(fā)現(xiàn),靠近缺陷的002區(qū)域Al元素含量較多,而離缺陷較遠(yuǎn)的001外圍區(qū)域Al元素含量較少,具有不斷接近TC4基體成分的趨勢(shì),表明缺陷與基體之間沒(méi)有明顯的分界面,存在一個(gè)較寬的過(guò)渡區(qū)域。

圖2 TC4鈦合金缺陷的低倍金相

圖3 TC4合金缺陷的高倍金相

圖4 TC4合金缺陷的能譜分析

表1 缺陷區(qū)域的能譜分析結(jié)果 重量百分比

3 討論分析

3.1 缺陷的特性

3.1.1 缺陷的聲阻抗

聲阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的重要物理量。超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。根據(jù)超聲傳播理論,當(dāng)缺陷間隙h?λ(λ為波長(zhǎng))時(shí),聲波在缺陷處的反射取決于缺陷介質(zhì)的聲阻抗,即：

式中r——聲波反射率;

t——聲波透射率;

Z1——基體聲阻抗;

Z2——缺陷介質(zhì)聲阻抗。

當(dāng)界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗近似相等時(shí),即Z1≈Z2,有r≈0;t≈1。也就是說(shuō),當(dāng)超聲波垂直入射到由兩種聲阻抗相差很小的介質(zhì)組成的界面時(shí),波束幾乎全透射,無(wú)反射[1]。

聲阻抗可理解為介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用,其大小等于介質(zhì)的密度與波速的乘積。通過(guò)能譜分析確定,缺陷介質(zhì)為純鈦,與基體TC4鈦合金的密度、縱波傳播速度接近,聲阻抗相差很小,超聲波入射到純鈦介質(zhì)時(shí),發(fā)生全透射,無(wú)反射。因此超聲波探傷時(shí)在一次底波前未出現(xiàn)反射信號(hào)。

3.1.2 聲波的衰減

對(duì)于金屬材料等固體介質(zhì)而言,介質(zhì)衰減系數(shù)α等于散射衰減系數(shù) αs和吸收衰減系數(shù) αa之和[1,12-13],即：

式中f——聲波頻率;

d——介質(zhì)的晶粒直徑

λ— —波長(zhǎng)

F——各向異性系數(shù)c1,c2,c3,c4——常數(shù)。

介質(zhì)的散射衰減與f,d和F有關(guān),當(dāng)d＜λ時(shí),散射衰減系數(shù)αs與f4,d3成正比。在實(shí)際探傷中,若采用較高的頻率進(jìn)行探傷,晶粒粗大的組織會(huì)降低聲速,增大聲波的衰減。文獻(xiàn)[14]報(bào)道材料內(nèi)部的孿晶及桿狀、針狀析出物,超聲波振動(dòng)引起析出物與基體介質(zhì)在界面結(jié)合處產(chǎn)生交互作用,致使超聲波振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為熱能,也將造成能量損失,是產(chǎn)生內(nèi)耗,導(dǎo)致超聲波衰減的主要因素。

TC4屬兩相鈦合金,相轉(zhuǎn)變溫度約 980～1 000℃,純鈦的相轉(zhuǎn)變溫度約880℃。TC4合金加工過(guò)程中,工藝溫度相對(duì)純鈦較高,使成分偏析部分的純鈦晶粒長(zhǎng)大,并且與附近區(qū)域發(fā)生固溶,形成以Ti,Al,V三種元素組成的過(guò)渡組織。超聲波探傷采用高頻水浸聚焦探頭,聲束通過(guò)棒材中缺陷區(qū)域時(shí),晶粒粗大的純鈦組織將降低聲速,增大聲波的衰減。同時(shí)TC4鈦合金中純鈦成分偏析缺陷屬透射類缺陷,使得在探傷時(shí)聲波將透射該缺陷區(qū)域,在波束接觸棒材底部反射后,最終造成該反射信號(hào)的出現(xiàn)將落后于一次底波。

3.1.3 缺陷形成原因分析

真空自耗電弧(VAR)熔煉是生產(chǎn)鈦及鈦合金鑄錠的基本方法。預(yù)先壓制海綿鈦與合金料的自耗電極,在真空狀態(tài)下,利用電極和坩堝兩極間電弧放電產(chǎn)生的高溫做熱源,將電極熔化。在熔化過(guò)程中,鑄錠自上而下地在結(jié)晶器內(nèi)連續(xù)凝固增高,冷卻條件、熔池形狀和深度等均不是一成不變的,且合金元素在凝固結(jié)晶時(shí)分配系數(shù)各異,不可避免地使合金元素或化合物在樹枝狀晶間富集而形成偏析。偏析程度與原料質(zhì)量、粒度、合金元素在電極中的分布和分配系數(shù)、凝固速率、熔煉時(shí)的掉塊、熔池深淺、液相的自然和受迫運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散、晶粒尺寸及晶體形成的方式等諸多因素[15]。鈦合金的偏析包括宏觀偏析、α微觀偏析和β微觀偏析等,合金元素貧化偏析也是常見的一種。

合金元素貧化偏析又稱亮偏析,主要表現(xiàn)形式為基體中合金元素的貧化。分析認(rèn)為,偏析的原因主要與原料粒度過(guò)大、熔煉過(guò)程不正常掉塊以及焊接和熔煉時(shí)起弧料使用不當(dāng)有關(guān)。偏析部分在后續(xù)的鍛造、軋制過(guò)程中被拉長(zhǎng)、分?jǐn)?棒材的縱方向上呈長(zhǎng)條或斷續(xù)狀。由于缺陷為純鈦組織,硬度較低,相對(duì)基體延伸率較好,不會(huì)因加工產(chǎn)生裂紋。在應(yīng)力應(yīng)變作用下,逐漸趨向于棒材的中間部位,且呈一亮帶。同時(shí),偏析部分在加工過(guò)程中會(huì)與基體組織發(fā)生固溶擴(kuò)散,在含Al的鈦合金中通常形成以Ti-Al為主要成分的過(guò)渡區(qū),向外逐漸到鈦合金的基體組織。中心部位則仍存留著粗大晶粒的純鈦單相組織。

分析表明該缺陷的特點(diǎn)為：合金元素貧化偏析;存在過(guò)渡層,無(wú)明顯界面;一般分布于中心部位,呈亮帶;中心部位是粗大晶粒的純鈦單相組織。

3.2 底波后回波的缺陷定性分析[16-17]

缺陷的回波特點(diǎn)：一次底波前無(wú)明顯的回波;一次底波與等邊三角波之間出現(xiàn)游動(dòng)回波;波幅約20～40%。底波前無(wú)明顯的回波表明缺陷不能引起聲波的反射。底波后出現(xiàn)說(shuō)明缺陷被超聲波透射,并造成衰減,聲波減速,被延遲,觸底后反射的信號(hào)位于底波后。同時(shí)由于缺陷與基體的聲阻抗相差很小,使缺陷回波的波幅較低。

游動(dòng)回波表明缺陷為體積性缺陷,不是點(diǎn)狀缺陷,有一定的長(zhǎng)度和厚度。隨著探頭的轉(zhuǎn)動(dòng),在垂直于缺陷方向探測(cè),缺陷回波高;在平行于缺陷方向探測(cè),缺陷回波低,甚至無(wú)缺陷回波。結(jié)合缺陷的低倍金相(圖2),當(dāng)聲束垂直于亮帶的中心部位時(shí),回波波幅較高;當(dāng)聲束小角度偏離亮帶的中心部位的垂直方向于時(shí),回波發(fā)生游動(dòng);當(dāng)聲束偏離較大,逐漸平行于亮帶時(shí),回波波幅降低并消失。

回波位于一次底波與等邊三角波之間,小規(guī)格棒材的超聲波探傷中,一次底波后,三角波是比較清晰的。這里所研究的透射類缺陷造成聲波被衰減、延遲,但作為合金基體元素的成分偏析相對(duì)于合金使聲波延遲的程度很小。只能使缺陷回波延遲在一次底波后,并且靠近一次底波,不可能被延遲到距離一次底波較遠(yuǎn)的地方?？梢钥隙ǖ卣f(shuō)：透射類缺陷引起的回波本身與等邊三角波沒(méi)有關(guān)系,但其出現(xiàn)的位置一般位于一次底波與等邊三角波之間。

3.3 探傷實(shí)踐中底波后回波的參考價(jià)值

小規(guī)格鈦及鈦合金棒材的超聲波探傷具有自身的特點(diǎn),通常采用水浸縱波法,探頭為聚焦探頭,頻率高,檢測(cè)靈敏度高;棒材直徑小,缺陷的比例相對(duì)較高,危害性也大,探傷中通常發(fā)現(xiàn)缺陷即判廢;成分偏析的缺陷在前期工序中未經(jīng)檢出,小規(guī)格成品中依然存在,且相對(duì)于裂紋、氣孔、分層等缺陷,回波幅度較低,在探傷實(shí)踐中很難判定,是一個(gè)難點(diǎn)。

小規(guī)格鈦及鈦合金棒材的超聲波探傷,成分偏析是常見的一種冶金缺陷。按照超聲波檢測(cè)的理論可以大致分為兩類：一種是與基體組織聲阻抗相差較大的反射類缺陷;一種是與基體組織聲阻抗相差很小的透射類缺陷。前者如β鈦合金中的Nb富集偏析,可以在一次底波前清晰地觀察到缺陷回波。后者如文中所述的 TC4合金、TC1合金[18]棒材中的純鈦偏析以及含Al鈦合金中的TiAl金屬間化合物偏析。此類缺陷在一次底波前不反射,而在一次底波后出現(xiàn)游動(dòng)的回波,且波幅一般＜50%。檢驗(yàn)工作者如果只觀察一次底波前的情形,則會(huì)認(rèn)為缺陷;或者注意到一次底波后的回波,也會(huì)認(rèn)為缺陷很微小,不能對(duì)其定性地分析。實(shí)際上,反射波幅低主要是由于缺陷與基體的聲阻抗相差很小。通過(guò)對(duì)發(fā)現(xiàn)存在回波的棒材作解剖分析,缺陷往往是體積類缺陷,具有一定的長(zhǎng)度與厚度,相對(duì)于小規(guī)格棒材的性能、使用狀態(tài)都存在重大的質(zhì)量隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

超聲波檢測(cè)方法及相關(guān)國(guó)家、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一般不要求關(guān)注一次底波后的回波情形,而且即使發(fā)現(xiàn)回波也不會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)要求。因此,在實(shí)際探傷過(guò)程中,操作者只觀察一次底波前的回波情形。筆者基于長(zhǎng)期的小規(guī)格鈦及鈦合金棒材的超聲波探傷實(shí)踐,歸納分析一次底波后的回波可能是由棒材中透射類成分偏析缺陷引起的。建議從事小規(guī)格鈦及鈦合金棒材超聲波探傷的檢測(cè)工作者注意一次底波與等邊三角波之間的波形情況,避免漏檢可能存在的透射類成分偏析缺陷。

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