鍛造參數(shù)對(duì)TC4鍛件的組織和超聲聲速的影響

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(1.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063 ；2.中航工業(yè)貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司，安順 561005；3.沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043)

鍛造參數(shù)對(duì)TC4鍛件的組織和超聲聲速的影響

時(shí)靖1，劉柯1,鄔冠華1,黃映霞1,羅順民2,邰青安3

(1.南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330063 ；2.中航工業(yè)貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司，安順561005；3.沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng)110043)

TC4中的α和β相的顯微組織直接影響到材料的可靠性和壽命，采用有效的超聲無(wú)損評(píng)價(jià)方法可以對(duì)TC4的組織進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)不同鍛造參數(shù)條件下TC4試塊的超聲波聲速進(jìn)行分析，并對(duì)照其金相組織數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：聲速與初生α相的組織分布有一定的相關(guān)性關(guān)系，α相的組織直接影響到超聲波的聲速。

TC4；顯微組織；超聲波；聲速

鈦合金具有比強(qiáng)度高和耐蝕性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥工程等領(lǐng)域[1]。TC4鈦合金是一種具有高熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性等綜合性能優(yōu)良的α+β型的鈦合金。截至目前鍛造是應(yīng)用最廣泛的成型辦法，不同的鍛造條件能夠生成不同的相組成成分和不同相的比例。顯微組織對(duì)鈦合金的性能有著顯著的影響，傳統(tǒng)鈦合金的顯微組織主要由α和β兩相的尺寸及其排列方式來(lái)描述。鈦合金鍛件的組合和力學(xué)性能主要取決于鍛件的熱機(jī)械加工工藝(TMP)，即變形溫度、變形程度、變形速度、鍛后冷卻速度和熱處理等工藝參數(shù)會(huì)影響α和β兩相的組織分布[2-3]。因此，TC4的顯微組織評(píng)價(jià)具有重要的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

無(wú)損評(píng)價(jià)是無(wú)損檢測(cè)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。超聲檢測(cè)中，常用超聲的一些特性參數(shù)對(duì)材料組織的均勻性、材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力、材料不同部位的燒傷程度等進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。合金中α相的含量和百分比對(duì)材料的彈性模量、泊松比、材料的密度、平均晶粒尺寸等參數(shù)具有一定的影響，從而可應(yīng)用超聲聲速的變化情況來(lái)對(duì)材料組織進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。

1 超聲檢測(cè)原理

固體介質(zhì)中聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有關(guān)，因此超聲的眾多特性參數(shù)中，材料的組織變化對(duì)超聲的聲速影響較為明顯。超聲波在固體介質(zhì)中的縱波聲速公式如下式所示。

式中：E為介質(zhì)的彈性模量；σ為泊松比；ρ為材料密度。

由式(1)可看出，材料的彈性模量越大，密度越小，聲速就越大[6]。相同材料密度相同，柱狀初生α相的組織狀況影響到材料的彈性模量、泊松比，從而對(duì)應(yīng)到超聲聲速的變化。

2 試樣與檢測(cè)儀器設(shè)備

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HB 7238-1995《鈦合金環(huán)形鍛件》[7]，采用錘鍛工藝，制作了16個(gè)圓柱體TC4鈦合金鍛件試塊，直徑40 mm,高度35 mm。鍛造變形量分別為25%左右和40%左右兩種，鍛造溫度為低于相變點(diǎn)溫度的920 ℃到990 ℃。其中變形量為25%左右的試塊，溫度由920 ℃起，以10 ℃的步進(jìn)增至990 ℃，共有8塊。變形量為40%左右的試塊，溫度由920 ℃起，以10 ℃的步進(jìn)增至990 ℃，共有8塊。

試驗(yàn)采用的便攜式超聲掃查系統(tǒng)，利用Olympus公司生產(chǎn)的信號(hào)發(fā)生/接收器5077來(lái)控制發(fā)出和接收信號(hào)[8]。信號(hào)的采集部分使用的是picoscope3027采集卡。超聲探頭采用Olympus公司生產(chǎn)的A112S 10/0.25″的單晶直探頭,試驗(yàn)時(shí)選取的探頭頻率為10 MHz。

3 數(shù)據(jù)采集分析

3.1超聲聲速采集

首先對(duì)每個(gè)試樣的尺寸進(jìn)行測(cè)量。由于鍛造工件不同區(qū)域的均勻性相差較大，為了更好地評(píng)價(jià)試塊組織，需要在試樣上劃分局部區(qū)域，進(jìn)行超聲試驗(yàn)。采集點(diǎn)的劃分方法如下：在TC4鈦合金端面過(guò)圓心劃分8等分線，避開(kāi)探頭直徑距離5 mm，選取圓心為第一圈，選擇1個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)。依次由內(nèi)向外命名，1/3半徑處為第二圈，選取4個(gè)點(diǎn)；2/3半徑處為第二圈，選取8個(gè)點(diǎn)。超聲波采樣率為125 M·s-1,保留表面波、一次底波至三次底波，應(yīng)用代碼對(duì)所有保存信號(hào)聲速全部批量處理，對(duì)采集的13個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)求取平均值來(lái)評(píng)價(jià)試塊組織。

試樣厚度為35 mm，調(diào)節(jié)增益使其出現(xiàn)多次底面回波，通過(guò)底波的聲程差進(jìn)行試樣的聲速測(cè)量[9]，聲速c可用下式計(jì)算。

式中：h為試塊高度；t為傳播時(shí)間。

3.2微觀組織分析

對(duì)制作試塊時(shí)切下的端面進(jìn)行金相制樣腐蝕，分別對(duì)每個(gè)試塊圓心對(duì)應(yīng)部分、1/3半徑對(duì)應(yīng)部分，2/3半徑對(duì)應(yīng)部分共3個(gè)區(qū)域進(jìn)行金相拍照，圖1為不同鍛造條件下每個(gè)試塊1/3半徑對(duì)應(yīng)部分的金相組織圖。

每個(gè)試塊的對(duì)應(yīng)三個(gè)區(qū)域的金相圖采用IMAGJ軟件進(jìn)行圖像處理，通過(guò)圖像濾波、降噪和二值化處理，應(yīng)用閾值分割圖像處理方法對(duì)初生α相進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)提取[10]。通過(guò)對(duì)每個(gè)試塊3個(gè)采集區(qū)域金相照片中初生α相面積比、晶粒尺寸的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理,得到不同變形量下初生α相組織隨鍛造溫度的變化情況，如表1所示。

表1 不同鍛造溫度、變形量對(duì)應(yīng)的初生α相面積比

通過(guò)觀察分析，鍛造溫度、變形程度會(huì)影響到α相的組織分布。隨著鍛造溫度的升高，β相再結(jié)晶越來(lái)越充分，初生α相面積比下降[11]。

4 鍛造參數(shù)對(duì)組織和聲速的影響

圖2為兩種變形量的試塊在不同鍛造溫度時(shí)，聲速和初生α相面積比的關(guān)系。分析圖2可看出：整體上相同鍛造溫度下，變形量40%的聲速大于變形量25%的聲速；在變形量25%的條件下，聲速下降到980 ℃對(duì)應(yīng)聲速6 122 m·s-1時(shí)開(kāi)始上升；在變形量40%的條件下，聲速下降到970 ℃對(duì)應(yīng)聲速6 144 m·s-1時(shí)開(kāi)始上升。

圖1 不同鍛造條件下不同試塊1/3半徑對(duì)應(yīng)部分的金相組織圖

圖2 兩種變形量的試塊在不同鍛造溫度時(shí)，聲速和初生α相面積比的關(guān)系

圖2(a)中試塊在25%左右變形量下，不同鍛造溫度時(shí)的聲速和初生α相面積比正相關(guān)(相關(guān)性78.8%)，在0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。兩種變形量下，隨著鍛造溫度的升高，β相逐漸充分再結(jié)晶，初生α相面積降低，聲速都在降低。25%左右變形量下，980 ℃以后，α+β片層的組織情況對(duì)聲速的影響開(kāi)始大于等軸狀初生α相的影響，聲速開(kāi)始隨鍛造溫度的升高而增加，溫度變化點(diǎn)的聲速為6 122 m·s-1。由于40%左右變形量比25%的變形量大，β相逐漸充分再結(jié)晶的能量更充分，α片層的組織情況對(duì)聲速的影響溫度點(diǎn)提前到970 ℃，聲速開(kāi)始隨鍛造溫度的升高而增加，溫度變化點(diǎn)聲速為6 143 m·s-1。

初生α相晶體為密排六方結(jié)構(gòu)，比β相的面心立方結(jié)構(gòu)更難塑性變形，力學(xué)性能上具有顯著各向異性，所以彈性模量高于β相。初生α相面積比降低，直到25%左右變形量的試塊在980 ℃以后的初生α相面積比低于20%時(shí)，以及40%左右變形量的試塊在970 ℃以后的初生α相面積比低于20%時(shí)，α+β片層發(fā)育良好，其開(kāi)始成為影響聲速的主要因素。

5 結(jié)論

TC4試塊在變形量25%左右時(shí)，同溫度的聲速和初生α相面積比0.05顯著區(qū)間正相關(guān)(相關(guān)性78.8%)，關(guān)系式為y=1.59x-9693.89(x為聲速，y為對(duì)應(yīng)的初生α相面積比)。兩種變形量下初生α相面積比低于20%時(shí)，α+β片層對(duì)聲速的影響開(kāi)始高于α相。

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InfluenceofForgingParametersonMicrostructureandUltrasonicVelocityofTC4Forging

SHIJing1,LIUKe1,WUGuanhua1,HUANGYingxia1,LUOShunmin2,TAIQingan3

(1.KeyLaboratoryofNondestructiveTestingofMinistryofEducation,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China; 2.AVICGuizhouAndaAviationForgingCo.,Ltd.,Anshun561005,China;3.ShenyangLimingAeroEngineCo.,Ltd.,Shenyang110043,China)

The microstructure of α and β phases in TC4 has a direct impact on the reliability and life of the material. An effective ultrasonic nondestructive evaluation method can be used to evaluate the forging microstructure of TC4. The ultrasonic velocities under various forging parameter conditions of TC4 were analyzed in reference to its metallographic microstructures. The fact is that the velocity and the primary α phase have certain correlation relations, and the organization of α phase is directly affected by the ultrasonic velocity.

TC4; microstructure; ultrasonic; velocity

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0024-04

2017-06-25

時(shí) 靖(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)，mengkesijiu@163.com

鄔冠華(1963-)，男，教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)儀器、射線檢測(cè)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等，wuguanhua@nchu.edu.cn

10.11973/wsjc201710006