Nb-Hf 合金棒材表面裂紋質(zhì)量問(wèn)題的分析及預(yù)防

1 前言

鈮鉿合金是一種低強(qiáng)度高塑性并且有良好焊接性能的合金，1965年，美國(guó)研制成功Nb-10Hf-1Ti合金，并于1969年用于阿波羅載人登月艙液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輻射冷卻噴管延伸段，1975年，中國(guó)也研制成功Nb-10HfTi1Zr0.7鈮合金。試驗(yàn)證明，我國(guó)研制的鈮鉿合金的主要性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)外同類(lèi)合金的水平。目前能生產(chǎn)直徑220mm，高900mm的鑄錠；同時(shí)也能生產(chǎn)直徑110mm，長(zhǎng)1200mm～1500mm的擠壓棒以及各種規(guī)格的板材。

由于鈮鉿合金材料具有特有的高熔點(diǎn)，低強(qiáng)度、高塑性并且有良好焊接性能的特點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于電子、冶金、鋼鐵、石油、化工、汽車(chē)、通訊、建筑、交通、核能、航空應(yīng)用及航天航空等領(lǐng)域

。

另外，鈮鉿合金是航天工程和技術(shù)中應(yīng)用量最多的一種鈮合金，對(duì)金屬鈮來(lái)說(shuō)，它在難熔金屬中具有的出色綜合性能，如熔點(diǎn)高達(dá)2448℃，比重為8.57克/立方厘米，在1093℃～1427℃范圍比強(qiáng)度最高，溫度低至-200℃仍有良好的塑性和良好的加工性能，而鈮鉿合金是以鈮為基加入一定量鉿和其他元素形成的鈮合金,在二元相圖上，鈮和β-Hf形成置換固溶體，鉿是一種活性元素，與鈮中的氧和碳化合生成HfO

和HfC化合物，起彌散強(qiáng)化作用，同時(shí)降低間隙元素的有害影響，改善鈮合金焊接性能和涂層性能,從而使它成為在宇航方面優(yōu)先選用的熱防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)材料。但是，它的高溫抗氧化性能不好，在450℃以上必須氧化保護(hù)涂層。具體應(yīng)用場(chǎng)所：

對(duì)照組：在授課過(guò)程中觀看傳統(tǒng)中心靜脈穿刺錄像，并進(jìn)行頸部解剖知識(shí)講解識(shí)別，然后帶教老師進(jìn)行一次操作演示。采用傳統(tǒng)體表解剖標(biāo)志定位，在胸鎖乳突肌的鎖骨頭、胸骨頭和鎖骨形成的三角區(qū)域內(nèi)的上部，先觸及頸總動(dòng)脈搏動(dòng)，在動(dòng)脈搏動(dòng)的外側(cè)0.5～1.0 cm為穿刺進(jìn)針點(diǎn)，穿刺針體與皮膚約呈30°，針干與中線(xiàn)平行直接指向尾端，先用小針試探性穿刺，穿入頸內(nèi)靜脈后，再用頸內(nèi)靜脈穿刺針沿相同的方向進(jìn)針，注射器負(fù)壓邊回抽邊進(jìn)針，回抽有暗紅色血液時(shí)停止進(jìn)針，其余操作同實(shí)驗(yàn)組。

（1）液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輻射冷卻噴管延伸段，此種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、適用于承受長(zhǎng)時(shí)間工作和多次起動(dòng)，所以多用于頂級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和宇宙飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)。如；大力神ⅢC的過(guò)渡級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管延伸段采用輻射冷卻；阿波羅載人登月飛船服務(wù)艙發(fā)動(dòng)機(jī)輻射冷卻噴管延伸段；阿波羅登月艙下降發(fā)動(dòng)機(jī)輻射冷卻噴管延伸段等等；

（1）選取具有代表性的三種樣品進(jìn)行X射線(xiàn)檢測(cè)，具體方法是每個(gè)樣品從相互垂直的兩個(gè)方向進(jìn)行X射線(xiàn)檢測(cè)。如圖18-20。

那么，這種激光脈沖和普通的激光器有什么不同呢？斯特里克蘭解釋說(shuō)：如果你從商店買(mǎi)來(lái)一款激光器，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)1秒鐘，如果脈沖不間斷，那么在你關(guān)閉它之前，就已經(jīng)穿越從這里到月球距離的3/4。通過(guò)啁啾脈沖放大的激光器，可以將同樣數(shù)量的光子擠壓成只有一張紙那么厚的脈沖。斯特里克蘭說(shuō)：“當(dāng)你把所有光子擠壓在一起的時(shí)候，光子的數(shù)量是特別巨大的?！钡拇_，如果你的手擋住了這樣的光束，就會(huì)受到嚴(yán)重的燒傷，甚至，特別強(qiáng)大的聚焦激光脈沖可以粉碎藍(lán)寶石。

2.2.1 超聲波探傷儀

但是，確保產(chǎn)品正常順利工作和使用的首要條件是產(chǎn)品必須無(wú)任何質(zhì)量問(wèn)題，特別是上面所說(shuō)的應(yīng)用于航天方面的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)更是不能有一絲一毫的問(wèn)題，如果當(dāng)產(chǎn)品存在潛在的各種缺陷如裂紋等，不僅無(wú)法保證產(chǎn)品的正常使用，對(duì)航天類(lèi)產(chǎn)品而言，還將由于此問(wèn)題將造成設(shè)備或裝備的致命的損傷，從而導(dǎo)致無(wú)法正常工作，其后果是非常嚴(yán)重的。因此非常有必要明確缺陷的產(chǎn)生原因并提出相應(yīng)的檢測(cè)方法。

（2）X射線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備型號(hào)及參數(shù)。檢測(cè)時(shí)選用德國(guó)進(jìn)口的飛利浦450X射線(xiàn)探傷機(jī)，該機(jī)具有靈敏度高，穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)；根據(jù)工件材質(zhì)和厚度，通常電壓選用100KV～360KV，電流選用10mA，透照時(shí)間選用2min;膠片選用愛(ài)克發(fā)工業(yè)膠片。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)用材料來(lái)源及缺陷分類(lèi)

2.1.1 材料生產(chǎn)過(guò)程及來(lái)源

將鈮、鉿、鈦三種合金按一定比例配料，用氬弧焊方法制成電極，在真空自耗電弧爐上經(jīng)兩次熔煉制取鑄錠，然后將鑄錠包鋼套在擠壓機(jī)上開(kāi)坯，再鍛成棒材，經(jīng)機(jī)加至規(guī)定尺寸。

此次收集的棒材為在機(jī)加工生產(chǎn)工序中發(fā)現(xiàn)存在裂紋缺陷的廢品。

2.1.2 缺陷分類(lèi)

依據(jù)發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷的部位，分為棒材外表面及側(cè)面存在長(zhǎng)度及深度不等的裂紋、內(nèi)部裂紋及表面較淺的小缺陷三類(lèi)缺陷作為分析對(duì)象。具體為：圖1-5為外表面及側(cè)面存在長(zhǎng)度及深度不等的裂紋、圖6-7內(nèi)部裂紋及圖8為表面較淺的裂紋小缺陷。

2.2 實(shí)驗(yàn)用檢測(cè)設(shè)備原理及型號(hào)

（3）可伸出噴管民兵Ⅲ第三級(jí)可伸出噴管延伸段方案采用鈮鉿合金制成，長(zhǎng)度約406毫米，用4個(gè)氣動(dòng)作動(dòng)器在點(diǎn)火幾秒后展開(kāi)，噴管面積從24加大到43，提高了推力效率，為提高導(dǎo)彈射程或有效載荷提供了可能。

縱向人工刻槽缺陷參數(shù)為3mm×0.1mm×0.05mm（長(zhǎng)×寬×深）；

平底孔試塊人工缺陷埋深一般用壁厚的3/4作為基礎(chǔ)。

（2）超聲波檢測(cè)設(shè)備型號(hào)。檢測(cè)時(shí)選用武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的漢威HS610e型A掃描超聲波探傷儀器，該儀器具有檢測(cè)靈敏度高、可對(duì)缺陷精確定位、操作方便和選用范圍廣的特點(diǎn)。

當(dāng)代藝術(shù)強(qiáng)調(diào)的是強(qiáng)烈的視覺(jué)性，當(dāng)代公共藝術(shù)更是將這種視覺(jué)形式強(qiáng)化成與地域、人文、場(chǎng)域、環(huán)境等因素相適應(yīng)的具有在地性的公共文化消費(fèi)。它主張的是面向公眾的藝術(shù)展示和具有前沿藝術(shù)觀念的呈現(xiàn)方式，是一種與當(dāng)代社會(huì)普遍價(jià)值相聯(lián)系的藝術(shù)存在。所以，對(duì)于這次具有特殊意義的藝術(shù)行動(dòng)，我們打破常規(guī)，在文化上強(qiáng)調(diào)以沙漠人文為依托；在方式上主張以景觀性、互動(dòng)性為主導(dǎo)；在藝術(shù)上選擇以抽象與具象性相結(jié)合。為了與沙漠的人文地理相呼應(yīng)，我們?cè)谧髌返捏w量、高度、材質(zhì)以及空間布局上面制定出一個(gè)選擇標(biāo)準(zhǔn)。為此，為了體現(xiàn)公正、公平的競(jìng)爭(zhēng)原則，選拔出適合于本次活動(dòng)的優(yōu)秀作品，藝委會(huì)向全球征稿。

（3）超聲波檢測(cè)設(shè)備選配探頭。檢測(cè)時(shí)選用廣東汕頭超聲電子股份有限公司生產(chǎn)的5Z10SJ50XJT水浸線(xiàn)聚焦探頭(圖9)以及2.5Z20N直探頭(圖10)。為保證檢測(cè)過(guò)程中，水浸聚焦探頭始終以固定角度入射到工件上，對(duì)探頭采用馬鞍架固定，并且馬鞍架與工件接觸部位，馬鞍架采用線(xiàn)切割的方法，加工成與工件曲率相同的外形，保證了檢測(cè)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，再輔以直探頭，對(duì)直徑方向上的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

（4）超聲波檢測(cè)對(duì)比試塊選擇。采用與工件相同材質(zhì)的，相同規(guī)格的縱向人工刻槽缺陷以及帶曲率的平底孔試塊。

豫東地區(qū)，早春育苗在6月下旬至7月上旬定植，秋季育苗翌年3月中下旬定植。一般在苗齡60～80天、苗高 0.3～0.4米、有 3～5根地上莖時(shí)定植。

（1）超聲波檢測(cè)原理。超聲波檢測(cè)是應(yīng)用最廣泛的無(wú)損檢測(cè)方法之一，超聲波檢測(cè)方法利用進(jìn)入被檢測(cè)材料的超聲波對(duì)材料表面與內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。利用超聲波對(duì)材料的宏觀缺陷進(jìn)行探測(cè)，依據(jù)的是超聲波在材料中傳播時(shí)的一些特性，如：聲波在通過(guò)材料時(shí)能量會(huì)有損失，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射等等，常用頻率為0.5—25MHz。通常以來(lái)自材料內(nèi)部各種不連續(xù)的反射信號(hào)的存在及其幅度、入射信號(hào)與接收信號(hào)之間的聲傳播時(shí)間、聲波通過(guò)材料以后能量的衰減的進(jìn)行發(fā)現(xiàn)缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)估的基本信息。超聲波檢測(cè)的適用范圍非常廣，可用于各種金屬材料和非金屬材料，從檢測(cè)形狀上來(lái)說(shuō)，可以是板材、棒材、管材、鍛件等；從缺陷的特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，既可以是表面缺陷，也可以是內(nèi)部缺陷

。

（5）超聲波檢測(cè)靈敏度選擇。通過(guò)前期對(duì)檢測(cè)設(shè)備及探頭角度的調(diào)試和確定，最終檢測(cè)時(shí)所用的基礎(chǔ)靈敏度為61.4dB。為了便于發(fā)現(xiàn)缺陷，一般在檢測(cè)時(shí)，在基礎(chǔ)靈敏度的數(shù)值上增加6dB作為檢測(cè)靈敏度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，恢復(fù)至基礎(chǔ)靈敏度作為當(dāng)量的判定，得出該缺陷的當(dāng)量值大小。

微信群健康教育組患者的疾病認(rèn)知度評(píng)分、治療依從性評(píng)分以及護(hù)理滿(mǎn)意度評(píng)分等情況顯著優(yōu)于常規(guī)健康教育組,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)。具體情況見(jiàn)表一。

2.2.2 X射線(xiàn)探傷機(jī)

小熊是我的同學(xué)，他在學(xué)生中威望很高。他之所以能當(dāng)“老大”，是因?yàn)樗偰軓募依锬贸鲂┖猛娴臇|西來(lái)，引逗得一幫“狐朋狗友”跟著他轉(zhuǎn)。比如，在1980年的時(shí)候，他就有了一套鷂式戰(zhàn)斗機(jī)星球大戰(zhàn)的電子游戲。

（1）X射線(xiàn)檢測(cè)原理。X射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)是一種重要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它依據(jù)的是被檢工件由于成分、密度、厚度等的不同，對(duì)射線(xiàn)產(chǎn)生不同的吸收或散射的特性和對(duì)被檢工件的質(zhì)量、尺寸、特性等作出判定

。當(dāng)強(qiáng)度均勻的射線(xiàn)束透照射物體時(shí)，如果物體局部區(qū)域存在缺陷或結(jié)構(gòu)存在異常，它將改變物體對(duì)射線(xiàn)的衰減，使得不同部位透射射線(xiàn)強(qiáng)度不同，這樣，采用一定的檢測(cè)器（例如，射線(xiàn)照相中采用膠片）檢測(cè)透射射線(xiàn)強(qiáng)度，就可以判斷物體內(nèi)部的缺陷和物質(zhì)分布等。

在這里，我們僅針對(duì)棒材在機(jī)加工后出現(xiàn)的肉眼可見(jiàn)裂紋缺陷產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防和解決辦法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 超聲波檢測(cè)結(jié)果

對(duì)上述三種類(lèi)型的裂紋缺陷進(jìn)行水浸橫波超聲波檢測(cè)，其結(jié)果見(jiàn)圖11-17。

從圖中的檢測(cè)試驗(yàn)情況可以看出，上述三類(lèi)缺陷，通過(guò)超聲波檢測(cè)是可以發(fā)現(xiàn)的。若再進(jìn)一步確定方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、確定人工參數(shù)試樣后，該類(lèi)產(chǎn)品中的缺陷是具有可檢性和可控性的。

3.2 X射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果

（2）雙元液體推進(jìn)劑姿控發(fā)動(dòng)機(jī)；R-4D反作用控制發(fā)動(dòng)機(jī)是用鈮鉿合金棒材機(jī)加工制成燃燒室；阿金納火箭其推力室的燃燒室也是用鈮鉿合金機(jī)加工制成；

從圖中的檢測(cè)情況可以看出，由于鈮鉿合金比較致密，上述三種樣品中，僅3#樣品可以發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在的缺陷，其它兩種樣品是無(wú)法發(fā)現(xiàn)樣品中所存在的缺陷的。

近期，水利部、交通運(yùn)輸部聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)長(zhǎng)江河道采砂管理工作的通知》，要求沿江各地、各相關(guān)部門(mén)在當(dāng)?shù)卣慕y(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，按照各自職責(zé)分工，進(jìn)一步加強(qiáng)長(zhǎng)江河道采砂管理工作，確保河勢(shì)穩(wěn)定、防洪安全和航運(yùn)安全，以?xún)?yōu)異成績(jī)迎接黨的十八大勝利召開(kāi)。

（2）檢測(cè)結(jié)果如下：如圖21-26。

4 缺陷特征及原因分析

4.1 缺陷特征

通過(guò)對(duì)缺陷部位進(jìn)行多方位的觀察，我們發(fā)現(xiàn)該缺陷具有如下特征：

第一類(lèi)缺陷裂紋從棒材表面向內(nèi)部逐漸延伸，裂紋長(zhǎng)度及深度不等，與棒材整體存在一定的角度，大部分約為45度，并且在分布上沒(méi)有規(guī)律可循，具有典型的鍛造折疊裂紋特征。

英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》The Guardian: to crack down on both “tigers” and “flies”—powerful leaders and lowly bureaucrats.[9]

第二類(lèi)缺陷為機(jī)加后發(fā)現(xiàn)的內(nèi)表面裂紋，該缺陷大部分處于棒材的中心部位，并且均在棒材的一端。

第三類(lèi)缺陷為機(jī)加后發(fā)現(xiàn)的外表面較淺的小缺陷，由于此時(shí)棒材已進(jìn)行了部分機(jī)加工，外徑變小，缺陷已部分切除掉，但通過(guò)對(duì)殘留部分進(jìn)行觀察，可以判定同屬于第一類(lèi)缺陷。其在分布上是隨機(jī)的。

通過(guò)對(duì)上述樣品存在三類(lèi)缺陷部位進(jìn)行觀察，缺陷部位沒(méi)有存在異類(lèi)金屬和非金屬所形成的夾雜和偏析，不存在冶金缺陷問(wèn)題。

4.2 缺陷產(chǎn)生原因分析

該批產(chǎn)品經(jīng)過(guò)熔煉——擠壓—鍛造——機(jī)加——檢查——入庫(kù)這些工序后交付用戶(hù)。產(chǎn)品在后期生產(chǎn)過(guò)程中需要不斷進(jìn)行修磨、加熱、鍛造及切頭等工序，并最終進(jìn)行表面加工至合同所要求的尺寸公差范圍內(nèi)。在這里修磨及鍛造是非常重要的，若坯料表面修磨不徹底，或由于局部修磨較深，則鍛造后將產(chǎn)生裂紋將或坯料折疊，最終導(dǎo)致成品外表面存在裂紋和折疊；壓下量增大有利于提高產(chǎn)品的鍛透性，改善金屬的內(nèi)部組織，但如果過(guò)大，繼續(xù)鍛造時(shí)就會(huì)形成折疊；同樣對(duì)送進(jìn)量的控制也是非常重要的，若送進(jìn)量過(guò)小或鍛造過(guò)程中送進(jìn)量控制不理想,也容易產(chǎn)生橫向折疊，即我們所說(shuō)的鍛造折疊。并且變形量?jī)H集中在表面，使內(nèi)外組織不均。就會(huì)形成前面的說(shuō)的第一類(lèi)缺陷。

2.2.1 混合瀝青動(dòng)穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn) 試驗(yàn)中，MY改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度和車(chē)轍深度采用全自動(dòng)車(chē)轍實(shí)驗(yàn)儀，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTGE20-2011中規(guī)定規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試。MY改性瀝青按試驗(yàn)規(guī)程制備車(chē)轍板試件，車(chē)轍試驗(yàn)溫度和輪壓均按照試驗(yàn)規(guī)程設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行。

另外，在鍛造過(guò)程中，由于其變形特點(diǎn)，使棒坯的心部和表層金屬流動(dòng)性有很大的差異，在棒材的頭部均會(huì)產(chǎn)生不

同程度的縮尾，通常對(duì)該縮尾采用鋸切的方法去除，隨后通過(guò)目視檢驗(yàn)確認(rèn)，因縮尾僅位于棒材頭部區(qū)域，通常的方法是可以完全去除的，但由于該類(lèi)產(chǎn)品在機(jī)加工中較粘，棒材表面和兩端在進(jìn)行車(chē)（磨）光及切頭后機(jī)加后金屬屑非常容易將缺陷掩蓋，與機(jī)加工后的痕跡混淆在一起，如果個(gè)別非常小的裂紋，檢查員目視不易發(fā)現(xiàn)很容易引起漏檢，棒材在加工過(guò)程中形成的縮尾如果未徹底切除干凈就會(huì)形成前面的說(shuō)的第二類(lèi)缺陷。

另一種比較則是非常合理的，有利于學(xué)生的健康成長(zhǎng)，那就是縱向的自我比較。這種比較必須設(shè)置一個(gè)小小的目標(biāo)，當(dāng)達(dá)到了小目標(biāo)之后，自己就會(huì)通過(guò)新舊自我的比較，發(fā)現(xiàn)進(jìn)步了、成功了，一旦發(fā)現(xiàn)自己取得成功就樂(lè)此不疲，而且這種方法對(duì)每個(gè)學(xué)生而言都是效果明顯的。正確引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我比較，讓學(xué)生樹(shù)立自信，有利于自身的發(fā)展。

5 結(jié)論

上述缺陷的產(chǎn)生原因是由于在鍛造過(guò)程未將鍛造折疊和上一道鍛造折疊因未修磨干凈所產(chǎn)生的裂紋以及鍛造縮尾未清除干凈而保留了下來(lái)形成的。

(1)與廬山文化結(jié)合。廬山歷史文化源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，內(nèi)涵深厚，是一座文化、政治、宗教名山，它最早可以追溯到新石器晚期。廬山上有大量老別墅，它是近代中西建筑文化的完美結(jié)合，也是廬山獨(dú)特的地理環(huán)境造就的，具有極高的歷史價(jià)值。廬山民宿在發(fā)展過(guò)程中，或多或少地與當(dāng)?shù)匚幕兄蝗诮Y(jié)合，整體文化氛圍也高于廬山山下或周邊地區(qū)。

通過(guò)上面的檢測(cè)情況可以看出，超聲波檢測(cè)是可以發(fā)現(xiàn)的，因此通過(guò)進(jìn)一步的工作，對(duì)該類(lèi)產(chǎn)品的這種缺陷具有可檢性和可控性；而X射線(xiàn)檢測(cè)則無(wú)法有效發(fā)現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題。

制定合理的生產(chǎn)工藝，加強(qiáng)對(duì)鍛造過(guò)程中壓下量及送進(jìn)量控制，最大程度避免上述缺陷的產(chǎn)生。

加強(qiáng)對(duì)機(jī)加工后產(chǎn)品檢查力度，不漏檢和誤判，確保產(chǎn)品符合使用要求。

[1]李青云等．稀有金屬材料加工手冊(cè)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1984．25-28．

[2]史亦偉等．超聲檢測(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012．22-25．

[3]鄭世才等．射線(xiàn)檢測(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011．40-42