TaW薄板分層缺陷檢測及成因分析

李建文，王增勇，孟玉堂

（中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900）

鉭鎢合金具有密度大、熔點(diǎn)高、耐高溫和抗燒蝕等特點(diǎn)，擁有良好的可成型性、熱導(dǎo)性以及優(yōu)良的斷裂韌性和耐腐蝕能力。由于其優(yōu)異的性能，鉭鎢合金正逐步取代其它材料［1－3］，在許多重要領(lǐng)域作為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料和功能材料。

近期，筆者對一批1.6～3mm厚度的TaW板材采用蘭姆波進(jìn)行了無損檢測，合格后進(jìn)行線切割加工成型處理，發(fā)現(xiàn)線切割后的板材產(chǎn)生了分層起皮等缺陷，如圖1所示。而蘭姆波檢測方法無法對已經(jīng)加工成臺階狀的薄板進(jìn)行進(jìn)一步的檢測。經(jīng)過研究，筆者利用10MHz的高頻水浸聚焦探頭，采用水浸超聲成像檢測的方法完成了TaW薄板內(nèi)部分層缺陷的檢測。

圖1 TaW板材線切割后的表面缺陷

1 蘭姆波檢測方法

蘭姆波廣泛應(yīng)用于金屬薄板內(nèi)部質(zhì)量的無損檢測中。對厚度＜6mm的光滑金屬板材，由縱波與垂直偏振的橫波合成的蘭姆波具有很高的探傷靈敏度。前期對TaW薄板內(nèi)部質(zhì)量的檢測采用蘭姆波檢測方法［4］，利用不同頻率的可變角探頭，發(fā)現(xiàn)在頻率為1.25MHz，入射角為38°檢測TaW板時，板端面和人工缺陷的反射回波前沿陡峭、無雜波，且板邊盲區(qū)和探頭前沿盲區(qū)較小。據(jù)此用研制的1.25P15×20 38°蘭姆波超聲換能器對1.6mm厚的TaW板材進(jìn)行檢測，不但可以穩(wěn)定檢出φ0.4mm左右的缺陷，而且孔徑與蘭姆波反射幅值呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系（圖2）。

圖2 不同TaW板孔徑與蘭姆波反射幅值的線性關(guān)系

盡管蘭姆波檢測方法的靈敏度較高，且檢測速度快、效率高，但由于是采用固定角度和單一模式的蘭姆波進(jìn)行檢測，因此對不同深度和類型的缺陷檢測能力相差很大。文獻(xiàn)［5］認(rèn)為對不同深度的缺陷，一種模式的蘭姆波不能發(fā)現(xiàn)，而用另一種模式的蘭姆波卻能清楚地檢測出來。文獻(xiàn)［6］認(rèn)為蘭姆波探傷方法不太適用于檢測薄板內(nèi)的分層和折疊缺陷，對于貼合緊密而面積很大的分層缺陷，蘭姆波可能在通過時變換成在分層上下方同時存在的其它模式的波繼續(xù)前進(jìn)，最終被探頭檢測到信號。盡管可能根據(jù)蘭姆波模式轉(zhuǎn)換及群速度變化所導(dǎo)致的板材端頭的反射回波位置變化來進(jìn)行判斷，但是漏檢的可能性很大。而且加工成較小尺寸的臺階狀的結(jié)構(gòu)也無法采用蘭姆波繼續(xù)檢測，因此研究采用高頻水浸聚焦成像檢測方法檢測TaW薄板分層缺陷。

2 水浸超聲檢測方法

水浸縱波檢測主要針對分層缺陷，采用超聲縱波垂直穿過TaW薄板，在分層界面處引起反射，其類似于超聲波在均勻介質(zhì)中異質(zhì)薄層界面引起的反射，聲壓反射率r可由以下公式計算得到：r＝（z2－z1）／（z2＋z1），其中z1為 TaW 板中超聲波傳播的聲阻抗；z2為分層缺陷中空氣層異質(zhì)中超聲波傳播的聲阻抗。TaW板聲阻抗為66.3×106kg／m2·s，空氣的聲阻抗約為0.000 4×106kg／m2·s，因此超聲波通過大面積厚度小的異質(zhì)薄層時，只要其間隙大于10－4～10－5mm，都會在分層處產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，在超聲A掃描顯示上表現(xiàn)為分層處缺陷波尖銳陡峭，波形幅值高，非常容易識別。同時底面波快速下降，甚至完全消失。因此水浸超聲縱波檢測方法是一種非常靈敏的分層缺陷檢測方法。檢測采用10MHz的高頻水浸聚焦探頭，能夠清晰區(qū)分薄至1.6mm的TaW板上下界面，聚焦聲束直徑小至約1mm，能夠靈敏地檢測小面積的分層缺陷。

對8件TaW板材進(jìn)行了水浸聚焦超聲成像檢測，發(fā)現(xiàn)有三件存在超標(biāo)缺陷，對其中一件最嚴(yán)重的部位進(jìn)行了水浸成像檢測，其檢測波形和C掃描圖像結(jié)果如圖3，中間為分層缺陷區(qū)域，長度約20mm。從水浸檢測A掃描波形及C掃描結(jié)果可以看出：

圖3 1.6mm TaW板水浸檢測A掃描波形及C掃描結(jié)果

（1）10MHz水浸聚焦探頭能夠清晰地區(qū)分1.6mm厚度的TaW板上下層界面波。

（2）薄板中間產(chǎn)生的分層缺陷信號可以清晰地區(qū)分，說明檢測方法有效。

為分析缺陷成因，對圖1試樣的分層起皮缺陷部位取樣進(jìn)行了金相分析，磨制的金相試樣表面宏觀形貌如圖4和5所示。

圖4為圖1所示的較嚴(yán)重的分層起皮部位的縱向切割斷面宏觀圖像及其左側(cè)分層較嚴(yán)重部位放大50倍的金相照片。從金相照片上可以看到，分層起皮缺陷靠近加工面一側(cè)，且沿著平行于線切割加工面的方向擴(kuò)展，沒有明顯的向深度方向延伸趨勢，而中心部位的金相照片中沒有發(fā)現(xiàn)缺陷。圖5斷面右側(cè)為輕微分層缺陷處及中心基體位置的金相照片，從金相圖像上來看，輕微分層缺陷存在的部位距離線切割加工面的距離45μm，長度410μm，大致沿表面方向擴(kuò)展，而基體中心部位無缺陷，說明缺陷的產(chǎn)生與材料材質(zhì)及加工有關(guān)。前幾批同樣材質(zhì)的TaW板在線切割加工時，采用的設(shè)備、工藝及人員完全相同，加工成型的時候卻沒有出現(xiàn)這些情況，因此這次TaW板產(chǎn)生缺陷的原因很可能在于該批TaW材料的材質(zhì)不均勻、材料層間結(jié)構(gòu)組織結(jié)合不緊密或熱處理不當(dāng)導(dǎo)致存在內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域等，進(jìn)而在線切割加工時會產(chǎn)生薄的近表層分層缺陷。

為驗(yàn)證此判斷，對產(chǎn)生分層缺陷的TaW板材余下部位采用線切割方式加工成系列厚度相差0.5mm的臺階，然后觀察線切割加工面狀況，其宏觀形貌如圖6所示。可以看出，每一層的表面均存在嚴(yán)重程度不同的淺凹坑缺陷（白色部位），而前面的金相解剖試驗(yàn)證明缺陷主要位于線切割加工面，不大可能每層均存在缺陷。由此可推斷材質(zhì)不佳以及線切割加工時產(chǎn)生的熱應(yīng)力是導(dǎo)致分層缺陷產(chǎn)生的主要原因。

圖6 TaW板臺階切割斷面宏觀圖像

3 結(jié)論

（1）超聲蘭姆波是一種檢測薄壁板材內(nèi)部缺陷較靈敏的方法，檢測能力可達(dá)到0.4mm當(dāng)量缺陷，但采用單一模式的蘭姆波檢測緊密貼合的不同深度的缺陷存在漏檢的可能性，應(yīng)采用多種模式的蘭姆波綜合檢測，或補(bǔ)充水浸超聲縱波檢測方法。

（2）高頻水浸聚焦超聲縱波成像檢測方法是檢測薄壁板材分層缺陷十分靈敏有效的方法，能夠檢測出貼合非常緊密的分層缺陷。

（3）破壞試驗(yàn)和金相分析表明，該TaW板加工后出現(xiàn)的缺陷均位于線切割加工表面或近表面的位置，初步判斷為材質(zhì)不均勻、材料層間結(jié)構(gòu)組織結(jié)合不緊密以及熱加工等原因?qū)е麓嬖趦?nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域，進(jìn)而在線切割加工時產(chǎn)生薄的表層分層缺陷。

［1］胡忠武，李中奎，張廷杰.鉭及鉭合金的新發(fā)展和應(yīng)用［J］.稀有金屬與硬質(zhì)合金，2003，31（3）：34－36.

［2］彭海健，閆曉東，李德富.鉭在破甲彈藥型罩中的應(yīng)用［J］.稀有金屬，2006，30（5）：678－681.

［3］黃金昌.鉭及其合金的性能和在化工中的應(yīng)用［J］.稀有金屬快報，1995（3）：1－3.

［4］王增勇，李建文，孫朝明.鉭鎢合金薄板的蘭姆波檢測［J］.無損檢測，2009，31（9）：689－690.

［5］范同俐，廖玉齡.金屬薄板中蘭姆波的激勵及分層的檢查方法［J］.無損檢測，1982，4（6）：6－10.

［6］鄭開勝，劉景忠，白寶陽.薄板蘭姆波探傷方法的評價［J］.無損檢測，1994，16（9）：247－248.