TC18鈦合金增材制造材料超聲檢測(cè)特征的試驗(yàn)研究

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院,北京100095）

TC18鈦合金是一種高合金化的近β型鈦合金，具有高強(qiáng)度、高塑性、淬透性好、可焊接性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架、滑輪架等承力結(jié)構(gòu)[1-2]。但采用“鍛造加機(jī)械加工”等傳統(tǒng)技術(shù)制造這些復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件，存在制造工藝復(fù)雜、工序多、生產(chǎn)制造成本高、材料利用率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等突出缺點(diǎn)，制約了鈦合金結(jié)構(gòu)件在先進(jìn)工業(yè)及國(guó)防裝備中的廣泛應(yīng)用[3-5]。

激光或電子束增材制造技術(shù)是一種數(shù)字化的“近凈成形”先進(jìn)制造技術(shù)，克服了傳統(tǒng)制造技術(shù)的諸多缺點(diǎn)，尤其適合于飛機(jī)、飛船、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等航空航天國(guó)防裝備大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件的低成本、短周期、快速成形制造。近年來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，已開始制造某些飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件如某飛機(jī)16框、某飛機(jī)滑輪架、支柱等。然而，作為結(jié)構(gòu)件應(yīng)用的重要一環(huán)，其內(nèi)部缺陷的評(píng)價(jià)要求與評(píng)價(jià)技術(shù)尚未開展系統(tǒng)的研究，成為構(gòu)件應(yīng)用的制約因素。由于鈦合金增材制造是材料逐層熔化沉積和快速凝固的過(guò)程，該工藝將材料制備與零件成形過(guò)程合二為一，其組織特征、力學(xué)性能及零件內(nèi)部可能產(chǎn)生的缺陷等，都與鈦合金鍛件及鑄件存在很大差異[6-8]，因此，不能簡(jiǎn)單照搬鍛件或鑄件的檢測(cè)方法，必須針對(duì)增材制造制件開展具有針對(duì)性的無(wú)損檢測(cè)方法研究。

目前，國(guó)外關(guān)于增材制造技術(shù)質(zhì)量控制方面的研究主要針對(duì)于加工后材料的力學(xué)性能等，只有少量關(guān)于控制工藝參數(shù)以減少成形件中缺陷的研究；國(guó)內(nèi)質(zhì)量控制相關(guān)研究也僅是關(guān)于缺陷形成機(jī)理、顯微組織和力學(xué)性能等方面[9-10]；迄今為止，國(guó)內(nèi)外關(guān)于增材制造材料內(nèi)部質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方面的研究鮮見報(bào)道。本文針對(duì)3種不同工藝制備的TC18鈦合金材料開展超聲檢測(cè)試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)比3種材料的超聲波聲速、衰減及檢測(cè)靈敏度的差異，初步明確了TC18鈦合金增材制造材料的超聲檢測(cè)特征。

試驗(yàn)裝置與方法

1 試樣制備

試驗(yàn)采用兩塊尺寸均為60mm×60mm×60mm（X×Y×Z）的TC18鈦合金激光、電子束增材制造試樣，其中X表示高能束步進(jìn)方向，Y為高能束掃描方向，Z為熔融沉積方向（即成形方向），如圖1所示。沿兩塊試樣的X、Y、Z向分別制作一個(gè)直徑為0.8mm、孔深為5mm的平底孔并進(jìn)行覆型檢驗(yàn)，保證平底孔孔徑及孔底質(zhì)量滿足試驗(yàn)要求。

圖1 增材制造過(guò)程及不同方向示意圖Fig.1 Schematic of the direction of additive manufacturing

另外，設(shè)計(jì)制作孔徑為φ0.8mm、埋深3～30mm的TC18鈦合金激光增材制造Z向階梯試塊，以及相同孔徑、埋深3～45mm的TC18鈦合金電子束增材制造Z向階梯試塊（圖2），用于不同工藝、相同成形方向增材制造材料超聲檢測(cè)靈敏度的對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)所采用的變形鈦合金對(duì)比試塊為直徑50mm的TC18圓柱形成套對(duì)比試塊，平底孔孔徑為φ0.8mm，埋深3～45mm。

2 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

采用USIP40型超聲波探傷儀和SM-J6B-300型掃描器進(jìn)行超聲波聲速、衰減以及靈敏度的水浸法試驗(yàn)，所使用的超聲波探頭及參數(shù)見表1。

3 試驗(yàn)方法

針對(duì)3種不同工藝材料的不同成形方向，采用1#探頭進(jìn)行超聲底波監(jiān)控C掃描，分析不同工藝及成形方向材料衰減的差異；隨后采用配比為100mL H2O+（l～3）mL HF+（2～6）mL HNO3的腐蝕液對(duì)兩塊方形增材制造試樣進(jìn)行腐蝕，利用SZ61型體視顯微鏡觀察不同成形方向的低倍組織形貌，研究超聲波衰減與材料組織特征的關(guān)系。

聲速是另外一個(gè)重要的聲學(xué)參量，測(cè)量材料的聲速變化是超聲波評(píng)價(jià)材料特性的重要手段[11]。使用1#探頭，在TC18激光、電子束增材制造方形試樣的X、Y、Z向選取6個(gè)衰減不同的區(qū)域測(cè)量聲速，試驗(yàn)研究聲速的變化規(guī)律；同時(shí)，測(cè)量相同厚度TC18變形鈦合金試塊的聲速作為比對(duì)，由于變形鈦合金沒有明顯方向性，僅進(jìn)行一個(gè)方向聲速的測(cè)量。

圖2 TC18鈦合金增材制造材料階梯對(duì)比試塊Fig.2 Reference blocks of TC18 additive manufacturing titanium alloy

表1 試驗(yàn)所用探頭參數(shù)

超聲檢測(cè)靈敏度是評(píng)價(jià)檢測(cè)能力的重要參數(shù)。使用1#探頭，利用階梯試塊上的平底孔對(duì)比3種材料在相同成形方向的靈敏度差異，使用2#探頭在方形試樣不同位置的平底孔上比較不同成形方向的靈敏度差異。

結(jié)果與分析

1 超聲波衰減及其金相組織特征

鈦合金材料本身具有一定非均勻性，由TC18變形鈦合金的底波監(jiān)控C掃描圖（圖3）可見，由于組織不均勻性引起的底波衰減差異最大可達(dá)6dB左右。對(duì)于增材制造鈦合金材料，該差異則更為明顯。圖4（a）～（c）為TC18電子束增材制造材料不同成形方向底波監(jiān)控C掃描圖?？梢?，電子束增材制造材料在任何一個(gè)方向上底波衰減都不均勻，同一方向不同位置的衰減差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變形鈦合金，最大差值達(dá)23dB（Z向）；同時(shí)，不同方向的底波衰減規(guī)律也存在較大差異，X、Y向底波變化沿熔融沉積方向呈條帶狀分布，Z向則多呈點(diǎn)狀分布。通過(guò)圖4（d）～（f）所示不同方向低倍照片的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電子束增材制造TC18鈦合金材料不同成形方向上組織差異很大。在Y-Z和X-Z平面內(nèi)組織形貌相近，均可觀察到外延生長(zhǎng)的柱狀晶，柱狀晶晶粒自下而上沿著熔融沉積方向生長(zhǎng)，并貫穿多層熔積層，而在X-Y平面內(nèi)觀察到的為柱狀晶的橫截面。組織特征與底波監(jiān)控C掃描圖具有較好的對(duì)應(yīng)性。分析認(rèn)為，電子束增材制造鈦合金材料與變形鈦合金相比具有明顯的方向性，并且不同位置衰減差異大，超聲波底波圖像的不均勻性可能是由于柱狀晶晶界的反射或折射造成的。

圖3 TC18變形鈦合金的底波監(jiān)控C掃描圖Fig.3 C-scan image of back-wall echo monitoring method for TC18 forged titanium alloy

圖4 TC18電子束增材制造鈦合金的底波監(jiān)控C掃描及低倍照片F(xiàn)ig.4 C-scan images of back-wall echo monitoring method for TC18 electron-beam additive manufacturing and macro-images

針對(duì)TC18激光增材制造材料也進(jìn)行了類似的試驗(yàn)，超聲底波監(jiān)控C掃描圖像及低倍照片如圖5所示。由圖5（a）～（c）可見，與電子束增材制造材料類似，激光增材制造材料在3個(gè)方向上的衰減也不均勻，且分布規(guī)律各異；同一成形方向、不同位置的底波衰減差異可達(dá)21dB（Z向）。在3個(gè)不同的截面上，激光增材制造材料的組織呈現(xiàn)不同形態(tài)，在X-Y平面可觀察到粗細(xì)相間的晶粒組織，在Y-Z和X-Z平面內(nèi)可見不同熔積層之間的層帶組織。低倍照片與C掃描圖具有良好的一致性。

圖5 TC18激光增材制造鈦合金底波監(jiān)控C掃描及低倍照片F(xiàn)ig.5 C-scan images of back-wall echo monitoring method for TC18 laser additive manufacturing and macro-images

由以上試驗(yàn)結(jié)果可見，增材制造材料在不同成形方向上組織特征差異大，具有明顯的方向性，導(dǎo)致增材制造材料的超聲檢測(cè)具有其特殊性，必須針對(duì)增材制造材料不同成形方向分別開展超聲檢測(cè)方法研究。

2 超聲波聲速的變化特征

由圖6（a）中聲速測(cè)量結(jié)果可見，對(duì)于電子束和激光增材制造材料，在同一成形方向上，無(wú)論該測(cè)量點(diǎn)位于超聲波底波衰減較大還是較小的位置，聲速分布都較為均勻；可見，雖然同一成形方向上由于組織差異對(duì)超聲波衰減造成了嚴(yán)重影響（由底波監(jiān)控C掃描圖可見），但對(duì)于超聲波聲速并未產(chǎn)生顯著影響。與同一成形方向不同位置聲速變化特征不同，增材制造材料不同成形方向之間聲速存在明顯差異。由圖6（b）比較發(fā)現(xiàn)，TC18鈦合金電子束增材制造材料X、Y向平均聲速分別為5873m/s、5885m/s，Z向平均聲速則為5754m/s，比垂直于沉積方向（X、Y向）小130m/s左右；TC18激光增材制造材料也具有類似的變化規(guī)律，沿沉積方向（Z向）比垂直于沉積方向（X、Y向）小將近160m/s。比較3種不同工藝制造的TC18鈦合金材料的聲速發(fā)現(xiàn)：整體而言，激光增材制造材料聲速大于電子束增材制造，變形鈦合金聲速居中。聲速的差異從另一個(gè)方面說(shuō)明了增材制造材料具有明顯的各向異性。

聲速是反映材料特性的重要超聲檢測(cè)特征參量，在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，必須及時(shí)進(jìn)行聲速的校準(zhǔn)從而保證缺陷定位結(jié)果的準(zhǔn)確性；對(duì)于增材制造材料，還應(yīng)特別注意不同成形方向聲速的差異對(duì)缺陷定位準(zhǔn)確性的影響。

3 超聲檢測(cè)靈敏度的差異

3.1 同一成形方向的靈敏度比較

圖6 不同工藝及成形方向TC18鈦合金的聲速Fig.6 Velocity of different prototyping process and directions for TC18 titanium alloy

分別測(cè)定圖2所示的電子束、激光成形Z向階梯試塊，以及變形鈦合金對(duì)比試塊上不同埋深平底孔的反射幅度，比較3種材料在同一成形方向的靈敏度差異，結(jié)果如圖7所示?？梢?，兩種增材制造工藝階梯試塊的靈敏度均高于變形鈦合金，因此，采用TC18變形鈦合金試塊進(jìn)行TC18增材制造鈦合金材料檢測(cè)靈敏度調(diào)整后，實(shí)際使用的檢測(cè)靈敏度偏高，所評(píng)定的缺陷尺寸偏大[12]。由圖7的曲線可見，在3～30mm厚度范圍內(nèi)，檢測(cè)靈敏度比電子束增材制造最多高10dB，比激光增材制造最多高7dB。

圖7 不同工藝成形試塊的距離幅度曲線對(duì)比Fig.7 Distance-amplitude-curve of different reference blocks

可見，由于增材制造工藝的特殊性，導(dǎo)致該工藝成形的鈦合金與變形鈦合金檢測(cè)靈敏度水平存在較大差異，如果簡(jiǎn)單地采用變形鈦合金對(duì)比試塊進(jìn)行增材制造材料的檢測(cè)靈敏度調(diào)整和缺陷評(píng)定，結(jié)果往往是不準(zhǔn)確的。因此，采用變形鈦合金替代增材制造鈦合金試塊是不可行的，必須針對(duì)增材制造材料制作專門的對(duì)比試塊。

3.2 不同成形方向的靈敏度比較

采用2#探頭在方形增材制造試塊及同埋深變形鈦合金對(duì)比試塊上，比較不同成形工藝及成形方向上平底孔的反射幅度。測(cè)定每個(gè)平底孔的反射幅度時(shí)，通過(guò)調(diào)整水距使焦點(diǎn)落于平底孔所在深度。由圖8可見，電子束增材制造鈦合金在不同成形方向的靈敏度均高于變形鈦合金；激光增材制造則不同，除Z向外，其它方向靈敏度均低于變形鈦合金，Y向差值最大（相差8.5dB），因此，如果采用變形鈦合金進(jìn)行激光增材制造X向、Y向靈敏度的調(diào)整，將導(dǎo)致實(shí)際檢測(cè)靈敏度偏低，從而使小缺陷無(wú)法有效檢出。另外，即使是同一工藝成形的鈦合金材料，在不同成形方向上的靈敏度也不同，最大差值甚至達(dá)12dB（激光增材制造鈦合金的Z向和Y向之間）。

圖8 不同成形工藝及成形方向平底孔幅度對(duì)比Fig.8 Amplitude of flat bottom holes of different prototyping method and directions

由此可見，TC18增材制造鈦合金不同成形方向上的靈敏度差異大，在超聲檢測(cè)時(shí)，應(yīng)分別使用與被檢對(duì)象成形方向相同的試塊進(jìn)行檢測(cè)靈敏度調(diào)整和缺陷評(píng)定，不同成形方向的試塊不能相互替代使用。

由于增材制造材料不同成形方向上組織特征的差異，帶來(lái)不同方向上超聲波聲特性的不同，導(dǎo)致不同方向檢測(cè)時(shí)的靈敏度不同，從而使得缺陷的檢出和定量評(píng)價(jià)情況存在差異。所以必須針對(duì)不同材料、不同成形方向的超聲檢測(cè)靈敏度水平分別開展試驗(yàn)研究。

結(jié)論

（1）TC18鈦合金增材制造材料不同成形方向上超聲波底波衰減差異大，同一方向衰減也不相同，底波監(jiān)控超聲C掃描圖與低倍照片具有良好的對(duì)應(yīng)性。

（2）TC18鈦合金增材制造材料同一成形方向、衰減不同的位置聲速差異不大，不同成形方向之間聲速存在明顯差異，垂直于沉積方向聲速大于沿沉積方向；因此，對(duì)于增材制造材料的超聲檢測(cè)，應(yīng)特別注意不同成形方向聲速的差異對(duì)缺陷定位準(zhǔn)確性的影響。

（3）不同增材制造工藝及成形方向的TC18鈦合金材料靈敏度差異大；超聲檢測(cè)時(shí)，必須采用同種工藝成形的材料制作專用對(duì)比試塊，且針對(duì)不同成形方向分別制作對(duì)比試塊。

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