變形鎂合金缺陷及其無損檢測研究進展

倪培君，王 猛，喬日東，李雄兵，張榮繁

(1.中國兵器科學(xué)研究院寧波分院， 浙江 寧波 315103; 2.中南大學(xué) CAD/CAM研究所, 長沙 410075)

鎂合金按制造工藝分為鑄造鎂合金和變形鎂合金。其中變形鎂合金可通過塑性變形加工成板材、帶材、管材、棒材、型材和鍛件等，主要包含Mg-Al-Zn系合金、Mg-Mn系合金、Mg-Zn-Zr系合金、Mg-Re系合金、Mg-Th系合金和Mg-Li系合金等[1]。如常用的AZ80鎂合金屬于Mg-Al-Zn系合金，其主要成分見表1[2]。

表1 AZ80鎂合金主要成分(wt%)

鎂合金被譽為“21世紀(jì)綠色工程材料”[3]，其密度低，比強度高，具有良好的加工塑性而易于成型。此外，它具有優(yōu)良的阻尼減震、電磁屏蔽和導(dǎo)熱導(dǎo)電性。就目前而言，壓鑄技術(shù)是在鎂合金加工中應(yīng)用最為廣泛的，但以此法加工出來的零件力學(xué)性能相對較差，容易產(chǎn)生縮孔、氣孔等缺陷。變形加工可以消除鑄錠組織中的一些缺陷，細(xì)化顯微組織，從而獲得比鑄造鎂合金更高的強度、更好的塑性和韌性等力學(xué)性能指標(biāo)。目前，變形鎂合金在航空、航天、軍工、汽車制造領(lǐng)域及3C產(chǎn)品中取得了廣泛應(yīng)用[4-5]。

鎂合金具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，室溫下獨立的滑移系少，變形加工難度大，通常需要加熱到一定溫度并通過擠壓、軋制、鍛造、沖壓成形、超塑成型等技術(shù)加工而成[6]。由于原材料、變形工藝等原因，變形鎂合金構(gòu)件也難免產(chǎn)生一些制造缺陷，如偏析、夾雜、折疊、裂紋等[7]，缺陷的存在直接影響構(gòu)件的機械強度、疲勞性能及安全可靠性。無損檢測技術(shù)是檢測變形鎂合金構(gòu)件缺陷、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。隨著變形鎂合金材料、加工工藝、形狀結(jié)構(gòu)及缺陷類型的不同，采用的無損檢測方法也不同。近年來，國內(nèi)外對鎂合金缺陷無損檢測方法開展了一些研究工作，但與鋼、鋁、鈦合金等無損檢測相比，變形鎂合金的無損檢測還屬于起步階段，相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)很少有建立。本文分析了變形鎂合金常見缺陷類型及形成原因，介紹了變形鎂合金缺陷無損檢測的研究現(xiàn)狀，分析了檢測方法特點及存在的不足，最后指出未來該研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

1 變形鎂合金的常見缺陷分析

1) 夾雜

鎂合金在熔煉和澆鑄過程中容易產(chǎn)生夾雜缺陷，在變形階段中難以消除。夾雜物可分為金屬夾雜和非金屬夾雜[8-9]，金屬夾雜主要是原鎂代入或熔煉和澆鑄過程中從外部混入；而非金屬夾雜主要是在用氣體保護法除渣過程由于熔劑成份不當(dāng)或質(zhì)量較差污染了金屬熔體，或者是熔劑靜置時間不夠等[10]。圖1是AZ80鎂合金筒形構(gòu)件中帶入的高密度金屬夾雜。

圖1 金屬夾雜(工業(yè)CT圖像)

夾雜對變形鎂合金的性能有較大影響，由于夾雜物和鎂基體在力學(xué)性能上有差別，在對鎂合金進行后續(xù)加工過程中，夾雜物周圍容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致夾雜物與基體的連接部位形成顯微孔洞即裂紋源。隨著變形，裂紋不斷擴展，新裂紋源也不斷產(chǎn)生，導(dǎo)致相鄰的孔洞相互連接，最終引起鎂合金構(gòu)件斷裂[11]。

2) 偏析

變形鎂合金中存在各化學(xué)成份分布不均勻的現(xiàn)象，這種材料缺陷稱為偏析。AZ80鎂合金擠壓棒材中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷是錳偏析。錳在鎂合金中主要起除鐵作用，鐵作為雜質(zhì)元素，對鎂合金耐蝕性有很大影響。加入少量錳，與鐵元素形成高熔點化合物沉淀，提高鎂合金的耐蝕性能。錳在鎂中的溶解度較低，過量的錳元素易以錳的化合物形式析出，形成了錳的偏析。圖2為某典型AZ80鎂合金構(gòu)件錳偏析照片，在CT圖像上通常表現(xiàn)為高密度(白色)區(qū)域，微觀金相照片上可以直觀看到錳顆粒的偏聚。經(jīng)過SEM分析表明，塊狀顆粒是由Al-Mn相組成，尺度20～70 μm，原子百分比Al為56.37%，Mn為43.63%。

圖2 錳偏析照片

AZ31鎂合金鑄軋板材中經(jīng)常出現(xiàn)表面點狀偏析和中心線偏析。偏析是由富含鋁、鋅元素的金屬間化合物組成。表面點狀偏析是鎂合金鑄軋過程中富含鋁、鋅溶質(zhì)元素的金屬液沿枝晶間形成的金屬液流動通道滲出鑄帶表面，在后續(xù)變形過程中壓入鑄帶表面而形成[12]；中心線偏析是鎂合金在鑄軋過程中，由于鑄軋速度過快而溶質(zhì)擴散條件不好時，鋁、鋅溶質(zhì)元素在凝固界面前沿富集，在隨后的冷卻和變形過程中形成中心線偏析[13]。

變形鎂合金的偏析缺陷通常難以避免，偏析嚴(yán)重時會影響鎂合金構(gòu)件的使用性能，為此需要通過冶煉、變形工藝等加以控制。

3) 裂紋

鎂合金變形過程中當(dāng)材料承受的應(yīng)力大于應(yīng)力極限，則產(chǎn)生裂紋。裂紋產(chǎn)生通常都與原材料缺陷及變形工藝有關(guān)，原材料中有夾雜、氣孔、粗大的脆性相等缺陷都容易在后續(xù)的變形過程中造成應(yīng)力集中，形成裂紋源；變形工藝設(shè)計或控制不合理也是產(chǎn)生裂紋的常見原因，如AZ31鎂合金板材在軋制過程出現(xiàn)的邊裂缺陷與軋制溫度、軋制速度、壓下制度、速度和張力等緊密相關(guān)[14]。圖3是某AZ80變形鎂合金管件擠壓工藝控制不當(dāng)造成的局部撕裂。

圖3 AZ80鎂合金擠壓裂紋

變形鎂合金使用過程中易在沿基面滑移帶、孿晶界面、大尺寸析出相附近和夾雜物三個位置產(chǎn)生疲勞裂紋[15]。如被測材料表面光滑、而內(nèi)部存在較大的夾雜物時，往往會在材料內(nèi)部夾雜物處產(chǎn)生疲勞裂紋；當(dāng)材料表面粗糙、且內(nèi)部夾雜物較小時，就容易在材料表面產(chǎn)生疲勞裂紋。而當(dāng)夾雜物位于材料表面時，兩者將一起加速裂紋的萌生[16]。圖4即為AZ81變形鎂合金的疲勞裂紋斷口圖像[17]。

圖4 擠壓變形AZ81鎂合金疲勞裂紋斷口圖像

裂紋的存在破壞了材料連續(xù)狀態(tài)，是變形鎂合金的中危害性最大的缺陷，直接影響變形鎂合金材料使用的安全及可靠性，必須嚴(yán)格控制。

4) 其他缺陷

鎂合金變形工藝方法有多種，每種變形工藝產(chǎn)生的缺陷形式也有所不同，如鎂合金薄板除了邊裂缺陷外，在軋制過程中由于關(guān)鍵工藝參數(shù)控制不當(dāng)或因板坯質(zhì)量、加工設(shè)備精度存在問題，薄板表面也可能出現(xiàn)褶皺、波紋等缺陷[18]。鎂合金在鑄造過程中產(chǎn)生的冷隔、氣孔、縮孔、夾雜等缺陷，在后續(xù)的鍛造過程中可能以折疊、分層、裂紋等形式出現(xiàn)在鍛件中。

2 變形鎂合金缺陷的無損檢測方法

1) 渦流檢測

渦流檢測主要用來檢測變形鎂合金的表面及近表面缺陷。在此過程中激勵的頻率有著至關(guān)重要的作用，頻率越高則渦流滲透越淺；反之亦然，因此在渦流檢測中，靈敏度與檢測深度存在著矛盾關(guān)系。Dmitriev等[19-20]研制了一種變壓器型渦流傳感器，可以探測鎂鋁合金深度為5 mm的內(nèi)部缺陷。

2) X射線檢測

X射線檢測包括常規(guī)膠片照相檢測技術(shù)、數(shù)字射線成像檢測技術(shù)、工業(yè)CT檢測技術(shù)和變能量X射線多譜成像等方法[21]，檢測適用性強，能檢測到鎂合金中任意位置的缺陷。而且可檢出鎂合金中的絕大部分缺陷，如高密度偏析、夾雜和裂紋等。此外，還能有效測量材料密度及其分布[22]。周建平等利用X射線數(shù)字成像對鎂合金筒體進行缺陷檢測，可有效檢出夾雜、偏析缺陷[23]。馬天鵬等開展了鎂鋁合金中裂紋硬X射線照相檢測方法研究，對裂紋檢測取得了較好的應(yīng)用效果[24]。

2009年，我國建立了鎂合金鑄件X射線實時成像檢測方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T23600—2009)，在一定條件下也可用于變形鎂合金件的檢測。射線檢測主要不足是對人體有輻射、CT及照相檢測效率較低，此外，缺陷的檢測靈敏度與缺陷的方向有關(guān)[22]，如膠片射線照相對于與射線入射方向垂直的面積型缺陷(如寬度極小的折疊、裂紋等)檢測靈敏度低或無法檢出。

3) 超聲檢測

超聲檢測應(yīng)用范圍廣泛，具有很高的靈敏度，還可以實現(xiàn)對缺陷的準(zhǔn)確定位[25]。針對變形鎂合金內(nèi)部缺陷檢測最為常用。劉卉芳[26]研究了鎂合金構(gòu)件近表面和內(nèi)部缺陷超聲檢測的方法，認(rèn)為應(yīng)該先對缺陷特征進行提取，然后得到特征信息，從而實現(xiàn)對缺陷的定位。在超聲信號處理過程中，趙明書等[27]通過對鎂合金試塊的超聲實驗證明了小波分析相比于低通濾波有更好的降噪效果，這樣有利于鎂合金小缺陷的檢測和確定；金永[28]等對鎂合金彈頭進行超聲檢測，當(dāng)使用中心頻率為5 MHz的水浸聚焦探頭時可以實現(xiàn)對夾雜、裂紋等內(nèi)部缺陷的準(zhǔn)確檢測，另外還可以有效地檢測出表面劃痕。Yamagishi等[29]利用縱向和剪切波的超聲反射方法，對室溫下的低周疲勞循環(huán)拉伸過程中擠壓純鎂的力學(xué)行為進行了評價，實驗結(jié)果表明低周疲勞的孔洞缺陷主要是由解理裂紋引起的。

不僅是加工過程中的缺陷，在服役過程中鎂合金的性能改變也是關(guān)注的重點。吳斌用非線性超聲研究了鎂合金早期力學(xué)性能的退化[30]，Kumar等[31]研究了鎂合金主要疲勞裂紋的產(chǎn)生與生長， 韓恩厚等[32]對鎂合金的腐蝕疲勞損傷進行研究，通過聲發(fā)射能量可以有效地區(qū)分腐蝕疲勞裂紋的萌生、擴展和瞬態(tài)斷裂。

超聲檢測的缺點是目前主要停留在傳統(tǒng)單晶片探頭應(yīng)用層面[33]，不易檢測形狀復(fù)雜的工件，且要求被檢測表面有一定的光潔度。

中南大學(xué)以變形鎂合金為對象開展了一系列超聲檢測方法研究：在理論方面，宋永鋒等[34]提出了基于極值分布理論的微小缺陷超聲檢測方法，通過超聲實驗和金相分析表明可有效檢測AZ80鎂合金試樣內(nèi)部0.2 mm的微小缺陷，相比于傳統(tǒng)的定閾值C掃描方法，其在缺陷漏檢和誤檢方法有明顯優(yōu)勢；李雄兵等[35]建立了基于動態(tài)閾值缺陷定量方法，并在變形鎂合金上進行驗證，顯著降低了缺陷尺寸的相對誤差。梁佳佳等[36]開展了變形鎂合金彈殼的超聲相控陣成像方法嘗試，對于鎂合金平底孔和凹陷的檢測精度明顯提高，但該全聚焦成像方法需要離線處理超聲數(shù)據(jù)，不合適變形鎂合金殼體在線檢測。楊岳等[37]利用基爾霍夫近似法建立鎂合金殼體內(nèi)部缺陷的超聲測量模型，并利用該測量模型對缺陷回波幅值進行數(shù)值計算，獲得缺陷波/底波幅值比曲線，如圖5所示。在此基礎(chǔ)上，建立基于幅值比曲線的缺陷檢測理論模型，并對缺陷進行定量檢測分析。

圖5 不同尺寸缺陷波/底波幅值比曲線

中國兵器科學(xué)研究院寧波分院針對變形鎂合金彈殼開展了超聲波檢測方法、工藝、設(shè)備研究工作，制定了“WJ20671—2018智能彈藥用鎂合金構(gòu)件超聲波C掃描檢測方法”兵器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對AZ80變形鎂合金彈殼種類多、尺寸小、曲率大的特點及檢測效率、精度高和全覆蓋的要求，設(shè)計了含內(nèi)撐式裝夾機構(gòu)的專用卡盤，在轉(zhuǎn)盤夾持殼體旋轉(zhuǎn)的同時，由六自由度機械手夾持探頭沿彈殼母線運動，通過相對螺旋運動實現(xiàn)超聲C掃描，所開發(fā)的變形鎂合金彈殼超聲波C掃描檢測系統(tǒng)如圖6所示。在變形鎂合金彈殼的超聲檢測工藝研究中，測量了該材質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)，如表2所示，包括聲速、聲阻抗及衰減系數(shù)；并利用六自由度工業(yè)機器人實現(xiàn)探頭位姿的精確控制以及掃描路徑規(guī)劃，另由卡盤裝夾工件使其高速旋轉(zhuǎn)，完成高效率、高精度的螺旋式超聲波C掃描自動檢測。將超聲測量模型應(yīng)用于鎂合金彈殼缺陷檢測，建立了缺陷定量表征曲線。此外考慮到裝夾的偏心誤差對檢測結(jié)果的影響，研究了裝夾誤差識別和補充的算法，顯著提高了缺陷定量的精度。并完成了包括探頭類型、頻率、晶片直徑、檢測靈敏度、掃描步距和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)的對比正交實驗，選取了一套適宜鎂合金構(gòu)件的超聲波自動檢測工藝參數(shù)。為了驗證本方法的正確性，進行了HSQ對比試塊的超聲C掃描實驗。

圖6 鎂合金彈殼超聲C掃描自動檢測系統(tǒng)

表2 AZ80鎂合金聲學(xué)參數(shù)

基于此掃描系統(tǒng)，寧波分院對鎂合金殼體處的不同直徑、不同埋深的缺陷進行檢測。鎂合金樣件超聲波C掃描檢測效果如圖7，其檢測數(shù)據(jù)如表3。從中可見，超聲C掃描系統(tǒng)可以清晰地檢測出不同直徑、不同埋深的孔，且誤差都在可以允許的范圍內(nèi)，由此證明了此掃描系統(tǒng)的有效性。與此同時，劉希玲等[38]針對鎂合金彈殼也開展了基于超聲測量模型的自動檢測方法研究工作。

圖7 鎂合金樣件超聲波C掃描檢測效果

表3 超聲C掃描檢測數(shù)據(jù)及誤差

非線性超聲能夠?qū)Σ牧显缙谛阅苓M行無損評價，這是由于材料早期產(chǎn)生的微缺陷/微裂紋等能夠引起超聲波的非線性效應(yīng)，使超聲波高次諧波產(chǎn)生變化。此外利用非線性超聲對材料的硬度、疲勞強度等十分敏感的特性，可以實現(xiàn)材料所處的力學(xué)階段的有效表征[39]。吳斌等[40]為了研究鎂合金疲勞引起的內(nèi)部缺陷對非線性超聲的影響，建立了非線性超聲檢測有限元模型。研究發(fā)現(xiàn)，在鎂合金疲勞早期，超聲非線性系數(shù)隨疲勞加載周數(shù)單調(diào)增加，但在疲勞后期出現(xiàn)了超聲非線性系數(shù)減小的現(xiàn)象。

4) 其他無損檢測方法

微波無損檢測技術(shù)分為穿透法、反射法、散射法、干涉法和斷層法等。因微波不能穿透金屬材料，故只能檢測變形鎂合金表面缺陷。雷潔[41]設(shè)計了微波無損檢測系統(tǒng)，其原理為材料表面缺陷的有無和微波探頭與待測材料表面之間形成的諧振腔有很大關(guān)系，因此通過諧振腔來確定缺陷。紅外熱成像技術(shù)對變形鎂合金疲勞裂紋的檢測具有很大的優(yōu)勢，這是因為在斷裂過程中，其裂紋尖端伴有熱能的釋放，紅外熱成像技術(shù)則可以實時表征其溫度的變化，對斷裂機理進行深入地分析[42]。除此之外，隨著紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展，超聲熱紅外技術(shù)對鎂合金的內(nèi)部裂紋更加敏感，通常在1秒內(nèi)即可檢查出來[43]。

在滲透檢測中，主要針對變形鎂合金的表面開口缺陷檢測：首先在溶有熒光染料或著色染料的滲透液涂在被測材料表面上；待表面開口缺陷滲有滲透液時，將材料表面上的滲透液清除；再經(jīng)干燥處理后施加合適的顯像劑。由于毛細(xì)現(xiàn)象的作用，缺陷內(nèi)滲透液會被在此吸附到材料表面上，最終顯示出缺陷的分布狀態(tài)和形貌。

3 結(jié)論

1) 渦流檢測、微波檢測、滲透檢測多用來檢測鎂合金的表面或近表面缺陷，內(nèi)部缺陷的檢測方法主要有超聲檢測和射線檢測。射線檢測的效率較低，與射線入射方向垂直的面積型缺陷檢測靈敏度低。

2) 基于曲面跟蹤的超聲波C掃描檢測技術(shù)能實現(xiàn)復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件缺陷的有效檢測，是復(fù)雜型面變形鎂合金構(gòu)件無損檢測重要發(fā)展方向，未來應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)更高精度及更高效率的C掃檢測成像；紅外熱成像技術(shù)、非線性超聲技術(shù)、超聲熱紅外技術(shù)等新檢測方法具有檢測精度高、結(jié)果直觀等優(yōu)點，雖然現(xiàn)在技術(shù)不成熟，但在未來的變形鎂合金無損檢測中必將占有一席之地；超聲相控陣檢測技術(shù)因其多陣元探頭，故檢測效率和檢測精度高，目前設(shè)備成本高且有些理論還有待完善，隨著技術(shù)的發(fā)展，在一些特定場合對大批量的變形鎂合金檢測也具有廣闊前景。