鈦合金棒材典型冶金次生缺陷超聲波探傷波形特征分析

佟 健，邰文彬，黨永豐，徐建偉，曾衛(wèi)東

(1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043)(2.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,江西 南昌 330063)(3.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710072)

0 引 言

鈦合金是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，因?yàn)樵S多獨(dú)一無(wú)二的特殊性能而被稱(chēng)為“第三金屬”或“全能金屬”[1-3]。鈦合金棒材是鈦合金三大基材之一，因其密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于航空航天、海洋工程以及石油化工等領(lǐng)域[4-6]。鈦合金在熔煉工序易出現(xiàn)偏析夾雜等冶金缺陷，這些冶金缺陷在后續(xù)的壓力加工和熱處理環(huán)節(jié)會(huì)因?yàn)槿毕莺突w之間力學(xué)性能的差異而導(dǎo)致鈦合金棒材產(chǎn)生裂紋。國(guó)內(nèi)外在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中常使用A型脈沖反射式超聲波探傷方法檢測(cè)鈦合金棒材中的缺陷[7-8]。A型脈沖反射式超聲檢測(cè)方法主要分為直接接觸法和水浸聚焦法[9-10]，其中，直接接觸法具有使用靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、聲能損失少等優(yōu)點(diǎn)；水浸聚焦法易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，較多用于批量探傷或自動(dòng)探傷中。探傷時(shí)具體選用哪種方法主要取決于鈦合金棒材的直徑規(guī)格，當(dāng)坯料直徑大于40 mm時(shí)，一般采用直接接觸法，當(dāng)直徑小于40 mm時(shí)，一般采用水浸聚焦法。通過(guò)超聲波探傷、金相分析及硬度試驗(yàn)研究冶金次生缺陷的波形特征和缺陷形貌之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以對(duì)缺陷性質(zhì)進(jìn)行定性或輔助分析，對(duì)提高企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工藝反饋效率具有重要意義。

本研究以企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的有缺陷的鈦合金棒材為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析偏析硬化裂紋和偏析次生孔洞2種類(lèi)型缺陷的靜態(tài)波形特征和動(dòng)態(tài)波形特征，觀察缺陷部位的微觀組織特征，以建立超聲波波形特征與具體缺陷微觀形貌特征之間的聯(lián)系。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器及材料

實(shí)驗(yàn)所用探傷儀為汕頭超聲波研究所有限公司生產(chǎn)的CTS-2020數(shù)字超聲波探傷儀，其最高采樣速率為240 MHz，最小顯示范圍為5 mm，工作頻率范圍為1～10 MHz，探傷靈敏度余量為62 dB。實(shí)驗(yàn)所用的探頭為縱波直探頭，規(guī)格為5Z14N。該探傷儀是一款國(guó)內(nèi)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中常用的便攜式超聲探傷儀。

實(shí)驗(yàn)材料為企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的有缺陷的TC4鈦合金棒材，其中1#樣品中存在硬化裂紋，規(guī)格為φ82 mm；2#樣品中存在分散孔洞缺陷，規(guī)格為φ88 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

采用直接接觸法進(jìn)行超聲波探傷，利用超聲波探傷、金相分析及硬度試驗(yàn)研究不同類(lèi)型冶金次生缺陷的波形特征和缺陷形貌之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)觀察冶金缺陷不同位置的靜態(tài)波形特征及動(dòng)態(tài)波形變化規(guī)律，結(jié)合顯微組織特征，建立冶金缺陷的微觀形貌特征與探傷波形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈦合金棒材偏析硬化裂紋波形特征分析

鈦合金棒材偏析硬化裂紋屬于典型的冶金次生缺陷，是由于冶金缺陷區(qū)域和基體區(qū)域存在力學(xué)性能差異導(dǎo)致后續(xù)壓力加工時(shí)產(chǎn)生脆性宏觀裂紋或微裂紋。圖1為1#樣品基體區(qū)域和缺陷區(qū)域的顯微組織。觀察基體和缺陷區(qū)域顯微組織可以看出：基體區(qū)域?yàn)閮上嘟M織，形態(tài)均勻，呈扭曲狀，表現(xiàn)出兩相區(qū)變形的特征，α相尺寸大約為5 μm。缺陷區(qū)域?yàn)楫愑诨w的偏析組織，可以觀察到大塊的片狀α相，而且在缺陷區(qū)域能夠觀察到數(shù)目不等的微裂紋。

圖1 1#樣品不同區(qū)域的顯微組織Fig.1 Microstructures of specimen 1# at different areas: (a)matrix area；(b)defect area

采用縱波接觸法對(duì)1#樣品進(jìn)行探傷分析，校驗(yàn)方法為底波調(diào)整法，校驗(yàn)靈敏度ΔdB=(30+26)dB。圖2為1#樣品缺陷區(qū)域不同角度的靜態(tài)波形圖。圖2a中缺陷波高Ha≥100%，缺陷埋藏深度Sa=49.4 mm，在一次底波B1前能觀察到較低的可疑組織回波，一次底波B1和二次底波B2之間的輪廓三角反射波不明顯；圖2b中缺陷波高Ha≥100%，缺陷埋藏深度Sa=34.9 mm，在缺陷波峰附近能夠發(fā)現(xiàn)較低的異常組織回波，三角反射波較明顯，但是在三角反射波和B1與B2之間能夠觀察到數(shù)量不等的異常組織回波。

若鈦合金棒材中存在偏析硬化裂紋，探頭沿著圓周方向移動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)性質(zhì)不同的2種缺陷回波。其中一種為在圓周上一定角度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的較高的裂紋缺陷回波，探頭旋轉(zhuǎn)時(shí)波峰會(huì)出現(xiàn)起伏，埋深變化幅度不大；另一種為探頭在任意位置均會(huì)有較低波峰的組織回波出現(xiàn)，較低的組織回波在探頭移動(dòng)時(shí)會(huì)小幅度的起伏跳動(dòng)。兩者波峰的高低差別很大。

圖2 1#樣品缺陷區(qū)域不同角度的靜態(tài)波形圖Fig.2 Static waveforms of specimen 1# defect area at different angles：(a)angle 1;(b)angle 2

2.2 鈦合金棒材冶金次生孔洞缺陷波形特征分析

偏析次生孔洞缺陷微觀形貌分布和中心橫通孔缺陷相似，只是孔洞的位置分布和孔洞個(gè)數(shù)不唯一。圖3為2#樣品缺陷區(qū)域的顯微組織。從圖3可以明顯看出，缺陷為一組不規(guī)則孔洞群，中間孔洞較大，孔洞邊緣位置和圖3中箭頭所示區(qū)域能觀察到有別于基體組織的大塊α相組織，屬于異常偏析組織，且偏析區(qū)域邊緣分散有數(shù)目不等的小孔洞。

分散孔洞缺陷探傷分析也采用縱波接觸法，校驗(yàn)方法為底波調(diào)整法，校驗(yàn)靈敏度ΔdB=(28+25.5)dB。圖4為2#樣品缺陷區(qū)域不同角度的靜態(tài)波形圖。圖4a中缺陷波高Ha>100%，缺陷埋藏深度Sa=45.4 mm，一次底波B1和二次底波B2之間輪廓三角波波形特征不明顯，主缺陷回波之前出現(xiàn)了2組波高在5% ～10%之間的異常組織；回波探頭移動(dòng)時(shí)，小波的深度和波高會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則跳動(dòng)；圖4b中缺陷波高Ha=70%，缺陷埋藏深度Sa=42.0 mm，輪廓三角波波形特征較為明顯。對(duì)比圖2與圖4中探傷波形可以看出，探頭在軸向不同位置探傷時(shí)，主缺陷反射回波埋深Sa變化范圍很小，波形特征和人工橫通孔缺陷的波形特征很相似，說(shuō)明主反射回波為中間大孔洞反射回波(圖4b)。主反射回波附近的異常組織回波會(huì)有小范圍的深度和波高跳動(dòng)，但是波峰高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于孔洞反射回波。

圖4 2#樣品缺陷區(qū)域不同角度的靜態(tài)波形圖Fig.4 Static wave of specimen 2# defect area at different angle:(a)angle 1;(b)angle 2

表1為2#樣品基體、過(guò)渡區(qū)及缺陷區(qū)域的維氏硬度。可以看出，缺陷區(qū)的硬度遠(yuǎn)高于基體區(qū)，這種性能差異可能是后續(xù)壓力加工時(shí)誘發(fā)該次生缺陷的主要原因。結(jié)合缺陷金相圖片中缺陷的分布形貌和探傷靜態(tài)波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得出組織異常次生分散孔洞缺陷探傷波形特征為：若棒材中存在組織異常次生分散孔洞缺陷，探頭在軸向移動(dòng)或者周向旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在中場(chǎng)位置出現(xiàn)主反射回波，探傷角度對(duì)該波高度和埋深影響不大，波峰尖銳，主反射波峰周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)數(shù)目不等的波高在5% ～10%之間的異常組織回波；探頭周向或者軸向移動(dòng)時(shí)，異常組織回波會(huì)出現(xiàn)小范圍的深度和波高跳動(dòng)，但是波峰高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主反射回波。實(shí)際探傷過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)有和上述波形特征一致的缺陷則可以判定為偏析次生分散孔洞缺陷。

表1 2#樣品不同區(qū)域的維氏硬度

Table 1 Vickers hardness of specimen 2# at different area

3 結(jié) 論

(1)鈦合金棒材冶金次生缺陷會(huì)呈現(xiàn)冶金缺陷和次生缺陷2種缺陷的波形共生的特征。

(2)若棒材中存在偏析硬化裂紋，主反射波峰為裂紋反射回波；若棒材中存在組織異常次生孔洞缺陷，主反射波峰為孔洞反射回波。

(3)冶金次生缺陷在主反射波峰周?chē)紩?huì)出現(xiàn)數(shù)目不等的波高在5%～10%之間的異常組織回波，探頭周向或軸向移動(dòng)時(shí)，異常組織回波會(huì)出現(xiàn)小范圍的深度和波高的跳動(dòng)，但是波峰高度遠(yuǎn)小于主反射回波。