鈦合金宏觀織構(gòu)的超聲評(píng)價(jià)

張浩喆，盧 超，史亦韋，梁 菁，何方成，顏孟奇，王 曉

(1.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063; 2.中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京 100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

鈦合金宏觀織構(gòu)的超聲評(píng)價(jià)

張浩喆1,2，盧 超1，史亦韋2,3,4，梁 菁2，何方成2，顏孟奇2，王 曉2

(1.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063; 2.中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京 100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

通過對(duì)TC18鈦合金鍛件底波幅度C掃圖與聲速C掃圖進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)聲速C掃圖能顯示更多信息。理論計(jì)算結(jié)果說明，聲速反映出超聲傳播路徑上晶粒的取向，聲速C掃圖顯示了TC18鍛件各位置晶粒取向的差異。在聲速C掃圖上有差異的典型位置處取樣，采用超聲體波法測(cè)量其晶粒取向分布系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其晶粒取向分布系數(shù)差異明顯，說明利用單一方向傳播的超聲速度成像圖可以在一定程度上反映出TC18鍛件各位置的織構(gòu)差異。

超聲C掃描；鈦合金；晶粒取向；取向分布系數(shù)

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐熱、力學(xué)性能好等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1-2]。但鈦合金織構(gòu)的存在會(huì)使其產(chǎn)生局部趨近于單晶的特性，這樣鈦合金不僅在強(qiáng)度、塑性、韌性等方面表現(xiàn)出較明顯的各向異性，而且在具有單一類型織構(gòu)的位置處容易萌生疲勞裂紋[3]，而易使得其制件在使用過程中會(huì)提前失效，對(duì)產(chǎn)品的可靠性及安全性造成嚴(yán)重危害。因此，對(duì)鈦合金織構(gòu)的測(cè)量與評(píng)價(jià)得到了越來(lái)越多的重視。長(zhǎng)期以來(lái)，電子背散射衍射(EBSD)和X射線衍射一直是評(píng)價(jià)材料織構(gòu)的主要方法[4-5]，但這兩種方法的測(cè)量范圍均為微米至毫米量級(jí)，對(duì)于大規(guī)格材料的大范圍宏觀織構(gòu)鈦合金樣品的測(cè)量效率較低，并且取樣過程需要破壞原有零件，不能實(shí)現(xiàn)原位無(wú)損檢測(cè)。

各向異性固體中傳播的超聲波速度會(huì)隨超聲傳播方向發(fā)生變化，單晶中傳播的超聲速度與晶粒取向的關(guān)系已經(jīng)由克里斯托費(fèi)爾(Christoffel)方程給出。在多晶材料中，與傳播路徑上晶粒無(wú)擇優(yōu)取向時(shí)相比，當(dāng)超聲傳播路徑上的晶粒取向趨于一致時(shí)，超聲速度會(huì)逐漸發(fā)生變化，基于此原理，通過測(cè)量聲速可以反映出超聲傳播路徑上晶粒取向擇優(yōu)分布的程度，從而評(píng)價(jià)材料的宏觀織構(gòu)。由于該方法是無(wú)損的，并且反映的是大范圍內(nèi)的晶粒取向，因此可以反映材料對(duì)織構(gòu)敏感的宏觀力學(xué)性能，有利于對(duì)鈦合金制件進(jìn)行更全面的無(wú)損評(píng)價(jià)。

通過對(duì)TC18鈦合金鍛件的底波幅值成像C掃圖和聲速成像C掃進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)聲速成像C掃圖能反映出幅值成像所不能反映的信息。并對(duì)聲速成像C掃圖各位置差異的原因進(jìn)行了理論分析，最后在典型位置取樣，采用超聲體波法測(cè)量其織構(gòu)系數(shù)，從另一角度反映其織構(gòu)差異。

1 試驗(yàn)方法

1.1 幅值和聲速成像C掃 試驗(yàn)采用TC18鈦合金鍛件，從整體鍛件端部取出規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為500 mm×142 mm×18 mm的板材試樣，并對(duì)其上下兩個(gè)表面進(jìn)行磨光處理。對(duì)鈦合金試樣一個(gè)磨光面進(jìn)行掃查，采用PAC公司生產(chǎn)的水浸超聲檢測(cè)設(shè)備對(duì)鈦合金鍛件板材試樣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)使用中心頻率為5 MHz，晶片直徑為9.525 mm的縱波平探頭，分別采用時(shí)間差模式(TOF)和幅值模式(AMP)進(jìn)行掃查，成像信號(hào)分別為試樣一次底回波與二次底回波的聲程差和一次底回波幅值，C掃圖像分辨率均為0.3 mm。

1.2 等效彈性常數(shù)的計(jì)算 測(cè)量織構(gòu)鈦合金取向分布系數(shù)時(shí)，在板材試樣中切割出兩塊規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為24 mm×10 mm×18 mm的小立方體試樣，立方體試樣需建立在測(cè)量晶粒取向結(jié)果的基礎(chǔ)上，取兩塊存在明顯織構(gòu)和不存在明顯織構(gòu)的試樣進(jìn)行對(duì)比。為了得到鈦合金鍛件試樣的等效彈性常數(shù)，需要在試樣上測(cè)量沿不同傳播和偏振方向上的超聲波速度，有些速度可直接測(cè)得，另外的速度則需要對(duì)試樣進(jìn)行切割，再沿切割面進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量速度取樣如圖1所示，在該試樣上可以測(cè)量6個(gè)速度。c11、c22、c33分別為超聲波縱波速度，即沿試樣長(zhǎng)(x1)、寬(x2)、高(x3)三個(gè)方向用超聲波縱波探頭進(jìn)行測(cè)量。c12、c13、c21、c23、c31、c32這6個(gè)速度為橫波速度，用橫波直探頭在試樣上測(cè)量。試驗(yàn)中縱波直探頭為泛美公司生產(chǎn)的V110探頭，晶片直徑為6.35 mm，橫波直探頭為泛美公司生產(chǎn)的V156探頭。cL12、cL23、cL13聲速的獲得需對(duì)試樣進(jìn)行切割,切割方案如圖1(b)、1(c)、1(d)所示，陰影面即為需要切割的面，其中陰影面法線分別與x1、x2、x3軸的夾角為45°。采用縱波探頭分別在3個(gè)切割面上進(jìn)行測(cè)量。

圖1 測(cè)量速度取樣示意

采用信號(hào)發(fā)生器與示波器測(cè)量速度。信號(hào)發(fā)生器發(fā)射寬頻脈沖信號(hào)激勵(lì)探頭，探頭類型則由需要測(cè)量的速度決定，激勵(lì)出的超聲波信號(hào)經(jīng)過鈦合金試樣底面反射，回波信號(hào)被同一探頭接收后由示波器顯示，整個(gè)試驗(yàn)過程中示波器與信號(hào)發(fā)射器保持同步，測(cè)量一次底波和二次底波的時(shí)間差(TOF)。采用不同探頭在試樣不同的面上進(jìn)行測(cè)量，得到沿不同方向的時(shí)間差(TOF)，再利用測(cè)得的傳播距離，計(jì)算得到沿不同方向上超聲波的聲速。

聲速與等效彈性常數(shù)兩者之間的關(guān)系[6]為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Ak、Bk中k分別可以取1，2，3；cLnm為縱波速度；ρ為密度。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 幅值和聲速成像C掃結(jié)果

圖2 鈦合金鍛件超聲聲速C掃描成像結(jié)果

圖2為鈦合金鍛件超聲聲速C掃描成像結(jié)果，掃查結(jié)果通過彩虹色標(biāo)對(duì)超聲波聲速以不同顏色進(jìn)行表示，紅色區(qū)域?yàn)楦呗曀賲^(qū)，藍(lán)色區(qū)域?yàn)榈吐曀賲^(qū)，整個(gè)速度變化范圍為5 900～6 100 m·s-1，鈦合金鍛件試樣中間部分(黃色區(qū)域)、下邊緣條形部分(藍(lán)色區(qū)域)與其余部分在顏色上存在明顯差異，通過色標(biāo)可知，這兩塊區(qū)域的速度低于其他區(qū)域，說明試樣組織并不均勻。圖3為鈦合金鍛件超聲底波幅值C掃描成像結(jié)果，鈦合金鍛件一次底反射波損失變化是均勻的，各部位的能量衰減程度相近。

圖3 鈦合金鍛件超聲底波幅值C掃描成像結(jié)果

2.2 超聲波速度與晶粒取向的關(guān)系

彈性波在無(wú)限各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)，其聲速由Christoffel方程決定，即

(14)

式中：c為聲速；Γim為Christoffel聲張量，Γim=λim=Ciklmnknl；δim為Kronecher(克羅內(nèi)克)張量，當(dāng)i=m時(shí)，δim=1，當(dāng)i≠m時(shí)，δim=0；um為位移。

Christoffel方程有非零解的必要條件是其系數(shù)矩陣的行列式為零，即：

(15)

Γim對(duì)于任意自由下標(biāo)都含9項(xiàng)，由于彈性模量的對(duì)稱性，聲張量分量矩陣也存在對(duì)稱性，因此Γim只有6個(gè)獨(dú)立的分量，分別為:

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

Γim取決于晶體的對(duì)稱性和彈性波的傳播方向，Γim的不同會(huì)導(dǎo)致彈性波的速度差異。在單晶材料中，超聲波傳播的速度受材料密度、泊松比、彈性常數(shù)等共同影響，因此在不同方向傳播時(shí)聲速會(huì)有明顯的差異。而多晶材料中，超聲波聲束寬度內(nèi)分布著許多隨機(jī)取向的晶粒，對(duì)于宏觀材料而言，因?yàn)檫@些隨機(jī)取向晶粒之間的相互作用使得多晶材料呈現(xiàn)為各向同性，超聲波速度就會(huì)趨向于一致。當(dāng)材料中某些晶粒取向趨向一致形成明顯織構(gòu)時(shí)，宏觀材料顯現(xiàn)各向異性，此時(shí)超聲波的速度受晶粒取向的影響而產(chǎn)生差異。因此，圖2中造成鈦合金試樣聲速差異的主要原因是試樣各部位晶粒取向的差異。

由于TC18鈦合金是以β相為基體的材料[6]，將TC18鈦合金默認(rèn)為體心立方結(jié)構(gòu)的β相鈦合金進(jìn)行分析，這樣TC18鈦合金的彈性常數(shù)矩陣為：

(22)

根據(jù)彈性矩陣計(jì)算得到，β相鈦合金的慢度面與其慢度面截面如圖4和圖5所示。圖4為單晶鈦的3個(gè)慢度面，圖4(a)為縱波慢度面，圖4(b)和圖4(c)為兩個(gè)偏振方向相互垂直的橫波慢度面。兩個(gè)相互垂直的橫波慢度面成橢球型，可以看出：在不同方向上速度存在明顯的差異，由于縱波速度較大，其慢度差異較小，慢度面變化不是很明顯，但從截面圖中可知縱波的慢度也存在差異。

由于體心立方結(jié)構(gòu)的高度對(duì)稱性，沿xy，xz，yz平面的慢度面截面圖是相同的，綠色為縱波慢度面截面，紅色和紫色分別為兩個(gè)偏振方向的橫波的慢度面截面，根據(jù)慢度截面和理論計(jì)算可知，縱波速度沿[101]方向最大為6 261 m·s-1，沿[100]與[001]方向速度最小為6 003 m·s-1。橫波速度在慢度截面上相同，均為3 219 m·s-1，準(zhǔn)橫波速度在[100]與[001]方向上最大為3 219 m·s-1，沿[101]方向最小為2 795 m·s-1。說明在TC18鈦合金材料中沿不同方向上傳播的不同類型的速度是存在差異的。

圖4 鈦合金慢度面示意

圖5 鈦合金慢度面截面示意

實(shí)際測(cè)量的沿TC18鈦合金試樣不同方向的超聲波波速如表1所示。

實(shí)際測(cè)量縱波聲速范圍為5 800～6 300 m·s-1，橫波聲速范圍為2 900～3 300 m·s-1。由于理論分析中將TC18鈦合金默認(rèn)為β相鈦合金，但實(shí)際工程中使用的TC18鈦合金含有一定量的α相，故理論計(jì)算出的速度范圍和實(shí)際測(cè)量出的聲速變化范圍略有差異。

表1 實(shí)際測(cè)量的沿TC18鈦合金試樣不同方向的超聲波波速 m·s-1

2.3 取向分布系數(shù)測(cè)量

為了采用超聲法得到鈦合金試樣的晶粒取向分布系數(shù)，在TC18鈦合金試樣中存在明顯聲速差異的兩個(gè)位置處取樣，取樣位置如圖6所示。

圖6 鈦合金取向分布系數(shù)測(cè)量取樣位置

多晶材料的取向分布函數(shù)(ODF)的廣義球諧函數(shù)[7-8]可寫為

(23)

式中：Zlnm為廣義勒讓德函數(shù)；ξ,ψ,φ為歐拉角；Wlnm為取向分布系數(shù)，即ODCs(Orientation Distribution Coefficients)，ODCs可以反映出試樣中晶粒取向的聚集程度。

立方晶體中等效彈性常數(shù)與取向分布系數(shù)關(guān)系[7]為

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

根據(jù)沿不同方向聲速的測(cè)量結(jié)果計(jì)算出TC18鈦合金試樣的等效彈性常數(shù)，如表2所示。再計(jì)算得到兩個(gè)試樣的取向分布系數(shù)，如表3所示。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)TC18鈦合金試樣的取向分布系數(shù)存在明顯差異，其中兩試樣W400和W440差異較小，W420相差很大，試樣B的W420絕對(duì)值大于1，試樣A的W420幾乎為0。取向分布系數(shù)的不同說明了TC18鈦合金試樣不同位置的織構(gòu)有明顯差異，與上文中聲速C掃描結(jié)果相同。

表2 TC18鈦合金試樣不同方向的等效彈性常數(shù) GPa

表3 鈦合金試樣取向分布系數(shù)

3 結(jié)論

(1) TC18鈦合金鍛件聲速C掃圖中的變化是由晶粒取向的分布不同所引起的。

(2) 通過測(cè)量不同位置的晶粒取向分布系數(shù)，說明各位置織構(gòu)存在差異，其結(jié)果與聲速C掃結(jié)果一致。

(3) 采用單向傳播的縱波進(jìn)行檢測(cè)，可以在一定程度上反映鈦合金鍛件不同位置之間的織構(gòu)差異。

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Evaluation of Titanium Alloy Texture by Using Ultrasonic

ZHANG Haozhe1,2, LU Chao1, SHI Yiwei2,3,4, LIANG Jing2, HE Fangcheng2, YAN Mengqi2, WANG Xiao2

(1.Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education, Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063, China;2.AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China; 3.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China；4.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China)

C-scan of bottom echo amplitude and the C-scan of velocity of the TC18 titanium alloy forging were compared. Result showed C-scan of velocity contained more information. Theoretical calculation shows that velocity reflects crystal orientation in direction of ultrasonic propagation. C-scan of velocity revealed difference of crystal orientation in TC18 forgings. Orientation distribution coefficients (ODCs) of samples from different position in C-scan of velocity were measured by bulk ultrasonic method. Result shows that difference of the ODCs was obvious. Difference of texture in TC18 forgings would be reflected by using image of velocity ultrasonic in single direction.

ultrasonic C-scan; titanium alloy; crystal orientation; orientation distribution coefficient

2016-12-17

張浩喆(1992-),男，碩士，主要從事材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)研究工作

張浩喆, zhanghaozhe1992@163.com

10.11973/wsjc201707008

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0038-05