鍛造TC4組織超聲波調(diào)制特性研究

邰文彬，吳 偉，張全紅，鄔冠華

(南昌航空大學(xué)，南昌 330063)

為滿足提高航空效率和降低成本的要求,減輕航空材料的密度和提高性能變得越來(lái)越重要。材料密度的降低可提高飛機(jī)的推重比,增加飛行距離和減少燃料費(fèi)用。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的一種主要減重方法是采用比強(qiáng)度高、綜合性能好的鈦合金替換原材料,可減輕質(zhì)量10%或更多[1]。其中TC4合金的總產(chǎn)量占全部鈦合金產(chǎn)品的50%，占全部鈦合金加工件的95%[2]。自從該合金出現(xiàn)以后,對(duì)它的研究一直持續(xù)不斷。由于對(duì)其長(zhǎng)時(shí)間的深人研究,所以其加工技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)較為成熟。但這些年由于設(shè)計(jì)概念的變化,由過(guò)去單純的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)槠茡p-安全設(shè)計(jì)概念和損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[3],以及對(duì)新的應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)發(fā),從而對(duì)它的研究又掀起了高潮。目前已對(duì)該合金的顯微組織、織構(gòu)、熱處理、截面大小、加載方向、應(yīng)力比、表面狀態(tài)及腐蝕環(huán)境對(duì)合金疲勞性能的影響規(guī)律及影響機(jī)理開(kāi)展了大量研究工作,使TC4再度成為新的應(yīng)用材料。

鈦合金的常規(guī)鍛造溫度是在相變點(diǎn)以下40～50 ℃,加熱變形得到等軸晶組織，但高溫性能、斷裂韌性和抗裂紋擴(kuò)展的能力較差[4]。在相變點(diǎn)以上鍛造得到網(wǎng)籃組織,它的高溫性能(蠕變和持久性能)、斷裂韌性和抗裂紋擴(kuò)展的能力較好,但塑性和熱穩(wěn)定性嚴(yán)重下降[5]。在相變點(diǎn)45～75 ℃以近β鍛造,可獲得三態(tài)組織—等軸α+條狀α+β+β轉(zhuǎn)變基體。這種組織在不降低塑性,熱穩(wěn)定性的條件下,提高了材料的屈服強(qiáng)度、高溫蠕變性能、低周疲勞壽命、斷裂韌性和抗裂紋擴(kuò)展能力,并能提高使用溫度[6]。因此鍛造鈦合金組織決定其性能，如果能夠通過(guò)無(wú)損檢測(cè)方法判斷鍛造鈦合金組織，預(yù)測(cè)其性能，將更有利于鍛造產(chǎn)品的質(zhì)量控制。

1 超聲組織評(píng)價(jià)原理及研究基礎(chǔ)

超聲波與材料相互作用，若遇到非均質(zhì)介質(zhì)，如聲阻抗不同兩種介質(zhì)分界面、缺陷等，超聲波的傳播方向或特征會(huì)發(fā)生改變；檢測(cè)設(shè)備接收到改變后的超聲波信號(hào)，根據(jù)波形等特征便可分析工件內(nèi)部“非均質(zhì)介質(zhì)”的特性[7]。

超聲縱波聲速：

(1)

超聲橫波速度：

(2)

式(1)和式(2)為超聲波聲速物理公式，式中:E為楊氏彈性模量(N/m2)，G為剪切彈性模量，σ為泊松比，ρ為介質(zhì)密度(kg/m3)，λ、μ為介質(zhì)彈性常數(shù)。彈性模量是描述材料在彈性階段力學(xué)性能的參數(shù)，它決定了材料的一系列的機(jī)械性能。材料的組織結(jié)構(gòu)對(duì)彈性模量的影響表現(xiàn)在原子間距和原子間作用力與彈性模量有關(guān)，而原子間距與材料的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，材料的組織結(jié)構(gòu)改變對(duì)彈性模量也會(huì)造成一定的影響。材料手冊(cè)中[8]鈦合金的彈性模量105～120 GPa，取TC4泊松比σ=0.32，密度ρ=4.51 g/cm2，取E=120 GPa，聲速為6 170 m/s。

依照非線性聲學(xué)理論，有應(yīng)力的超聲縱波聲速表達(dá)式如式(3)所示：

(3)

式中：C為有應(yīng)力作用超聲波縱波聲速；CL為無(wú)應(yīng)力作用無(wú)限大介質(zhì)超聲波縱波聲速；σ為應(yīng)力(拉應(yīng)力為正號(hào)，壓應(yīng)力為負(fù)號(hào))；ρ0為介質(zhì)密度；λ′、μ′為材料的拉曼常數(shù)；J、m為材料的三階彈性常數(shù)。

超聲檢測(cè)在材料中的衰減通常是指散射衰減和吸收衰減。超聲波的衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加能量逐漸減小的現(xiàn)象。材料晶粒度對(duì)超聲檢測(cè)的影響表現(xiàn)在散射和衰減兩個(gè)方面[9-10]。根據(jù)多晶體材料的超聲散射理論，超聲散射可分為3種類型，即瑞利散射，隨機(jī)散射和漫散射。散射類型與晶粒平均直徑之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)晶粒平均直徑d與波長(zhǎng)λ的比值小于0.1時(shí)，散射現(xiàn)象微弱，對(duì)超聲檢測(cè)不會(huì)造成大的影響；而當(dāng)比值大于0.1時(shí)，散射現(xiàn)象將顯著增強(qiáng)，超聲檢測(cè)的信噪比降低，靈敏度下降。

圖1 晶粒平均直徑與三種散射類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

超聲衰減的主要原因：

吸收衰減：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)摩擦、熱傳導(dǎo)、材料中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、磁疇運(yùn)動(dòng)等都是導(dǎo)致吸收衰減的原因。吸收衰減與頻率的關(guān)系為αa=c1f；

散射衰減：材料中的晶?；蚱渌⑿☆w粒對(duì)聲波的散射。對(duì)于粗晶材料，超聲波的散射尤為嚴(yán)重。超聲波的散射與晶粒的尺寸、各向異性的程度和超聲波的頻率關(guān)系存在以下三種情況：

當(dāng)d<<λ時(shí)，as=c2Fd3f4，稱為晶粒的瑞利散射；

當(dāng)d≈λ時(shí)，as=c3Fdf2，稱為隨機(jī)散射；

當(dāng)d>>λ時(shí)，as=c4F/d為擴(kuò)散散射；其中d為晶粒平均直徑，λ為波長(zhǎng)，as為散射系數(shù)，c2、c3、c4為常數(shù)，F(xiàn)為各向異性系數(shù)，f為超聲波頻率。

聲速6 170 m/s，檢測(cè)頻率10 MHz，波長(zhǎng)0.6 mm，晶粒尺寸0.01～0.1 mm之間，超聲探傷中常用的頻率為20 MHz以下，散射情況主要由瑞利散射與隨機(jī)散射決定?？梢?jiàn)散射引起的晶粒噪聲具有強(qiáng)烈的頻率依賴性，隨著超聲頻率的降低，散射系數(shù)急劇變小。

散射作用定量表達(dá)如式(4)，對(duì)于表面粗糙度為2 μm的情況，每次反射損失約為0.5±0.5 dB。

(4)

式中:α為衰減系數(shù)(dB/mm)；B1、B2為第一、二次底波高度；d為試樣厚度(mm);δ為底面反射損失。

聲速和衰減關(guān)系進(jìn)一步描述：

(5)

式中:kL為縱波波數(shù)(k=2π/λ)；kT為橫波波數(shù)；Cl為縱波聲速；CT為橫波聲速；Δρ為組織中不同相的密度差；Δμ為組織中不同相的彈性模量差；ρ0為材料密度；a為平均晶粒半徑。

材料組織結(jié)構(gòu)和性能的超聲評(píng)價(jià)在國(guó)外早已被重視[11]，Kwun H等[12]采用超聲信號(hào)的反射衰減來(lái)測(cè)量粒度，其研究表明：在相同奧氏體晶粒尺度下，超聲波在貝氏體中的衰減大于馬氏體中的衰減。Shyne[13]研究了顯微組織對(duì)超聲波在4140鋼(0.4%C)中的傳播速度與衰減的影響，結(jié)果表明：聲速在珠光體/鐵素體組織中最高，貝氏體次之，馬氏體聲速最低。Smith[14]研究發(fā)現(xiàn)超聲波的衰減與晶粒度和晶粒尺寸密切相關(guān)，但是從特定的衰減-頻率曲線上找不到對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸分布規(guī)律。Ambardar等[15]發(fā)現(xiàn)在鋁銅鑄造合金中，縱波聲速隨著晶粒尺寸的增加而增大。Gronau等[16]研究了TiAl粉末擠壓成型合金的顯微組織不均勻性與超聲聲速和聲波衰減的關(guān)系。

國(guó)內(nèi)夏紀(jì)真等[17]通過(guò)超聲衰減法測(cè)量了鍛模材料的晶粒度，并建議采用液浸法測(cè)量，以減少接觸法測(cè)量帶來(lái)的誤差。Wang等[18]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，影響聲速的主要因素是晶粒的取向，而影響衰減的主要因素是晶粒尺寸。錢鑫源[19]經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究表明，鈦合金冶金過(guò)程中產(chǎn)生的組織不均勻性會(huì)產(chǎn)生超聲雜波信號(hào)。陳建忠[20]研究建立了超聲縱波聲速與低碳鋼Q235平均晶粒直徑的關(guān)系，為超聲聲速法無(wú)損評(píng)價(jià)低碳鋼的晶粒尺寸提供了依據(jù)。盧超等[21]通過(guò)改變熱處理工藝，測(cè)量了不同狀態(tài)下的船用TA2合金的超聲縱波聲速和晶粒尺寸的關(guān)系，結(jié)果表明TA2合金隨著晶粒尺寸的增大，縱波聲速增大。毛江虹[22]發(fā)現(xiàn)當(dāng)TM50合金中含有較大成分的鈮(Nb)，即富鈮偏析時(shí)，由于鈮元素的彈性模量和密度很大，導(dǎo)致材料的聲阻抗增大，超聲衰減嚴(yán)重，會(huì)加大超聲檢測(cè)的難度，采用高頻、小晶片探頭可降低雜波水平，提高檢測(cè)靈敏度。郝靜燕[23]采用超聲聲速法研究了超聲波參量與材料彈性性能間的關(guān)系。毛江虹等[24]發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金棒材成分偏析類缺陷會(huì)影響一次底波與等邊三角波之間的波形。

馬小懷[25]用V109探頭(5 MHz)對(duì)55 mm厚度板材研究得到：TC11棒材中片狀α組織，雜波φ1.2-(3～6)dB網(wǎng)狀組織φ1.2 -(5～8)dB，等軸α+β轉(zhuǎn)φ1.2 -12 dB，局部φ1.2 -9 dB。張永紅[26]研究α+β型(如TC4)鈦合金比α型(如 TA1)鈦合金易產(chǎn)生雜波信號(hào)，雜波低晶粒組織均勻、細(xì)小，α相與β 相均勻分布(等軸近圓形α和α+β均勻片層)。雜波高，晶粒組織粗大，α相組織長(zhǎng)條狀割裂了基體組織，且分布極為不均勻。梁菁、史亦韋[27]，等指出TC11小直徑棒材中超聲檢測(cè)雜波水平與金相組織之間存在著一定的關(guān)系；棒材中α片層集束尺寸較大、β晶粒破碎不足是高雜波水平產(chǎn)生的重要原因。

綜上所述，常規(guī)超聲檢測(cè)利用超聲波幅度檢測(cè)已經(jīng)很好解決工程材料缺陷檢測(cè)檢測(cè)問(wèn)題，利用超聲波噪聲檢測(cè)剔除超標(biāo)組織(評(píng)價(jià)合格和不合格)，隨航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，航空鍛件的材料組織控制要求進(jìn)一步提高，在鍛件超聲檢測(cè)中，如何利用超聲參數(shù)評(píng)價(jià)材料細(xì)化要求的金相組織的技術(shù)，成了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平的關(guān)鍵技術(shù)。

2 材料試樣及金相分析

根據(jù)Ti-Al-V三元合金平衡相圖6%Al垂直截面(參見(jiàn)圖2)可知，TC4典型組織隨鍛造溫度和鍛造變形量增加，從α-β組織(拉長(zhǎng)α初生相和片層α2-β相)，轉(zhuǎn)變到β組織(α初生相和片層α2-β相，片層α2相可能被β割斷)；雙態(tài)組織(初生α相+片層α2相)向網(wǎng)籃組織甚至是魏氏體組織變化。TC4鍛造試塊如圖3所示，TC4合金不同鍛造溫度和變形量的金相組織如圖4所示。

圖2 Ti-Al-V三元合金相圖6%Al垂直截面

圖3 鍛造TC4試塊

從金相組織觀察中，初生α相的大小和面積百分比隨鍛造溫度的提高和變形量的提高而減小，次生α相由短棒狀向片層狀演變，在TC4相變點(diǎn)附近形成網(wǎng)籃組織。用自編的金相分析軟件，獲得的TC4金相組織參數(shù)(初生α相面積百分比，初生α相平均直徑、長(zhǎng)短軸比)與鍛造溫度和變形量的關(guān)系曲線，如圖5，其中“■”為變形量在23%～26%，“□”為變形量38%～42%。采用SPPS統(tǒng)計(jì)分析軟件作相關(guān)性分析的結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

圖4 TC4合金不同鍛造溫度和變形量的金相組織

圖5 初生α相組織分布與鍛造溫度和變形量的關(guān)系曲線

表1 鍛造溫度與初生α相面積比相關(guān)性分析

**在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表2 鍛造溫度與初生α相平均直徑相關(guān)性分析

*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表3 初生α相面積比與初生α相長(zhǎng)短軸比相關(guān)性分析

**在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

結(jié)果表明，TC4合金在920～990 ℃溫度范圍內(nèi)鍛造時(shí)，初生α相的面積百分比隨鍛造溫度和鍛造變形量提高而降低，變形量在23%～26%規(guī)律性好于變形量38%～42%變形量。38%～42%變形量鍛造中，初生α相平均晶粒直徑、初生α相長(zhǎng)短軸比隨鍛造溫度提高而降低，晶粒更圓，排除相變點(diǎn)附近及相變點(diǎn)以上數(shù)據(jù)，初生α相的面積百分比和初生α相長(zhǎng)短軸比密切相關(guān)，面積比增減，長(zhǎng)短軸比減小。

3 TC4鍛造組織的超聲特征參數(shù)測(cè)量及分析

利用Olympus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)，超聲探頭采用的是奧林巴斯生產(chǎn)的型號(hào)為A112S 10/0.25單晶10 MHz直探頭信號(hào)的采集用Picoscope3027采集卡，并使用采集卡自帶的信號(hào)采集軟件Picoscope6.0顯示和保存波形數(shù)據(jù)，自編軟件作參數(shù)分析。

3.1 鍛造參數(shù)與超聲參數(shù)的關(guān)系

TC4合金β轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度在980～1 100 ℃左右，不同鍛造參數(shù)條件下獲得的超聲參數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

TC4超聲聲速和鍛造溫度及鍛造變形量SPPS統(tǒng)計(jì)軟件相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表4，說(shuō)明鍛造參數(shù)和超聲聲速密切相關(guān)。

圖6 TC4鍛造組織的超聲特征參數(shù)測(cè)量結(jié)果

表4 TC4超聲聲速下鍛造溫度及鍛造變形量的相關(guān)性分析

**在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.2 鍛造TC4組織金相參數(shù)與超聲參數(shù)的關(guān)系

超聲縱波聲速(V)和超聲縱波衰減系數(shù)(A)TC4金相組織參數(shù)[初生α相面積百分比(Aero)，初生α相平均直徑(D)、長(zhǎng)軸平均長(zhǎng)度(L)、長(zhǎng)短軸比(Lmax/Lmin)]的相關(guān)性分析見(jiàn)表5(排除相變點(diǎn)左右和以上數(shù)據(jù))，結(jié)果表明，超聲縱波聲速和初生α相面積百分比、初生α相長(zhǎng)短軸比以及衰減相關(guān)，超聲衰減與初生α相長(zhǎng)短軸比和縱波聲速相關(guān)，其中聲速和聲衰減相關(guān)表明沒(méi)有殘余應(yīng)力或者殘余應(yīng)力均勻一致。

表5 超聲縱波聲速(V)和衰減(A)TC4金相組織參數(shù)相關(guān)性分析

*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。**在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.3 超聲縱波聲速與鍛造TC4組織金相參數(shù)的關(guān)系

超聲縱波參數(shù)和TC4金相參數(shù)相關(guān)性分析見(jiàn)表6，表明縱波聲速?zèng)Q定于初生α相面積百分?jǐn)?shù)。

表6 不同鍛造變形量TC4初生α相面積百分?jǐn)?shù)與超聲聲速及衰減的相關(guān)性分析

**在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

進(jìn)一步分析，≥980 ℃的TC4鍛造接近或超過(guò)β相變點(diǎn)溫度，將920～970 ℃溫度鍛造和980～990 ℃的初生α相面積百分?jǐn)?shù)和超聲聲速的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖7，說(shuō)明相變點(diǎn)以下，聲速隨初生α相面積百分?jǐn)?shù)增加而增加，相變點(diǎn)以上，聲速隨初生α相面積百分?jǐn)?shù)增加而減小。

在920～970 ℃鍛造組織為初生α相和(α次生相+β)組成，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，彈性模量高于β相。初生α相面積比降低，已知α相的彈性模量和β相的彈性模量，簡(jiǎn)單使用機(jī)械混合物的彈性模量計(jì)算公式(6)，沒(méi)有考慮次生α相片層結(jié)構(gòu)對(duì)彈性模量的提高，得到α相總含量80%時(shí)，聲速6 100 m/s，α相總含量100%，聲速6 170 m/s，與實(shí)際聲速非常接近。

圖7 TC4不同鍛造溫度下的初生α相面積百分?jǐn)?shù)和超聲聲速的關(guān)系曲線

(6)

其中Eα，Eβ為α和β彈性模量，Sα，Sβ為α和β所占面積百分比。

李萍等[28]研究表明，規(guī)則片層組織彈性模量大，聲速高，因此TC4金相組織中α次生相+β相組成的片層組織，聲速高相對(duì)α初生相高，解釋了圖6b結(jié)果，相變點(diǎn)附近及以上鍛造，縱波聲速?zèng)Q定于α次生相+β相片層組織。

3.4 超聲縱波衰減與鍛造TC4組織金相參數(shù)的關(guān)系

超聲縱波衰減系數(shù)和鍛造溫度和鍛造變形量關(guān)系密切，如圖8所示，縱波衰減與金相參數(shù)相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表7，衰減系數(shù)主要決定于初生α相的平均晶粒大小。聲速6 100 m/s，檢測(cè)頻率10 MHz，波長(zhǎng)610 μm，晶粒尺寸在15±6 μm左右，d<<λ，as=c2Fd3f4，衰減主要是晶粒的瑞利散射，衰減隨初生α相的平均晶粒大小增減而增大。

圖8 縱波衰減與金相參數(shù)相關(guān)曲線

表7 超聲縱波衰減系數(shù)和TC4金相參數(shù)相關(guān)性分析

**在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

進(jìn)一步分析，鍛造變形量大的TC4金相組織，在相同溫度下，初生α相的面積百分?jǐn)?shù)變化不大(圖4(a))，變化大的在(α2+β)片層組織，隨鍛造溫度的提高(≥960 ℃)，小變形量的(α2+β)片層組織發(fā)育完善，隨片層厚度增加，衰減系數(shù)增大。大變形量(α2+β)片層組織發(fā)育完善，隨片層厚度增加衰減系數(shù)減小。

3.5 超聲縱波二次底波頻偏與鍛造TC4組織金相參數(shù)的關(guān)系

用超聲縱波二次底波頻率偏移表達(dá)與鍛造TC4組織金相參數(shù)關(guān)系，如圖9所示，相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表8。

圖9 二次底波頻率偏移與金相參數(shù)相關(guān)曲線

表8 超聲縱波二次底波頻率偏移表達(dá)與鍛造TC4組織金相參數(shù)

*在 0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

分析得出鍛造溫度大于等于960 ℃，超聲縱波二次底波頻率偏移決定(α2+β)片層組織發(fā)育程度，發(fā)育程度高，底波頻率偏移大。

4 結(jié)論

1)超聲縱波聲速在920～970 ℃溫度鍛造時(shí)決定于TC4合金中初生α相面積百分比，隨面積比提高而提高，在980～990 ℃鍛造時(shí)，決定于(α2+β)片層發(fā)育程度，發(fā)育程度好，聲速高；

2)超聲波縱波衰減在920～970 ℃溫度鍛造時(shí)決定于TC4合金中初生α相晶粒平均直徑，隨平均直徑增加而增加，在980～990 ℃鍛造時(shí)，決定于(α2+β)片層發(fā)育程度，發(fā)育程度好，衰減小；

3)超聲縱波二次底波頻偏在920～970 ℃溫度鍛造時(shí)決定于TC4合金中初生α相面積百分比，隨面積比提高而降低，在980～990 ℃鍛造時(shí)，決定于(α2+β)片層發(fā)育程度，發(fā)育程度好，頻偏高。