組織和檢測方法對鋯合金型材翼板超聲波檢測結(jié)果的影響

劉 瓊,王 健,馬天洋,楊 鋒,李宇力,李科元

(西安西部新鋯科技股份有限公司,陜西 西安 710299)

鋯合金因其優(yōu)異的核性能,適中的力學(xué)性能和良好的加工性能,主要被作為核動力和民用發(fā)電的結(jié)構(gòu)材料,是重要的戰(zhàn)略金屬。鋯合金型材作為核結(jié)構(gòu)材料中的關(guān)鍵部件,其質(zhì)量可靠才能保證核能應(yīng)用的安全性。而翼板部分在型材中占比比較大,是型材的主要部分,其質(zhì)量將嚴(yán)重影響鋯合金型材的整體質(zhì)量。為了保證核能應(yīng)用的可靠性和安全性,超聲探傷在鋯合金型材加工過程中,已經(jīng)成為一種過程控制和產(chǎn)品檢驗的重要手段,以嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量[1-3]。

鋯合金型材生產(chǎn)過程中,去應(yīng)力退火態(tài)型材翼板的雙晶探頭超聲檢測出現(xiàn)50%FSH ～60%FSH傷信號,但使用X射線檢測時未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜等缺陷,型材翼板的力學(xué)性能和腐蝕性能也未出現(xiàn)異常,為了準(zhǔn)確判定鋯合金型材質(zhì)量,針對該型材翼板超聲傷信號問題進(jìn)行分析,并提出了準(zhǔn)確判定鋯合金型材翼板質(zhì)量的無損檢測方法。

1 試驗過程

本試驗分三部分,(1)使用雙晶探頭檢測方法和水浸聚焦式檢測方法,在傷信號異常的去應(yīng)力退火狀態(tài)鋯合金型材翼板上四個位置進(jìn)行超聲檢測,對同一位置的檢測結(jié)果進(jìn)行對比;(2)對擠壓態(tài)、去應(yīng)力退火態(tài)和再結(jié)晶退火態(tài)的鋯合金型材翼板組織進(jìn)行對比,并對不同組織使用雙晶探頭的超聲檢測結(jié)果進(jìn)行對比;(3)使用層析法對雙晶探頭檢測有超標(biāo)傷信號的位置進(jìn)行組織檢測。試驗一和試驗三用樣品如圖1所示。

(a) 型材橫截面示意圖 (b) 存在異常傷信號(1#～4#)的翼板圖1 試驗用型材Fig.1 Test section

超聲波檢測設(shè)備為便攜式脈沖反射式超聲波探傷儀,人工傷為孔徑0.8 mm的平底孔,埋深分別為T-3、1/2T、3(T為翼板厚度)。雙晶探頭超聲檢測方法為雙晶直探頭,頻率5MHz;水浸聚焦超聲檢測方法為水浸聚焦探頭,頻率10MHz。根據(jù)GB/T 5193《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品超聲波探傷方法》的規(guī)定,6～20 mm厚的板材采用直徑8～20 mm、工作頻率2.5～5MHz的雙晶探頭,或6～16 mm、工作頻率5～10MHz的水浸聚焦探頭,選取以上頻率的探頭,探頭頻率越高檢測精度越高。

層析法進(jìn)行組織分析時,在圖1(a)中去應(yīng)力退火態(tài)型材翼板雙晶探頭探傷超標(biāo)傷信號80%FSH 的位置取樣,從翼板的縱截面進(jìn)行逐層金相組織分析(由翼板邊部向型材中心)。因標(biāo)準(zhǔn)傷為孔徑0.8 mm的平底孔,根據(jù)傷信號判斷缺陷應(yīng)超過0.8 mm當(dāng)量大小,在接近缺陷位置時,磨樣時單次去除量按照0.4～0.6 mm制樣,在磨削量分別是0.3 mm、4.3 mm、4.8 mm、5.4 mm、6.0 mm、6.6 mm、7.1 mm和8.1 mm的位置進(jìn)行金相檢測。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 雙晶探頭和水浸聚焦探頭檢測對比

使用雙晶探頭和水浸聚焦探頭對圖1(b)型材翼板中1#、2#、3#、4#四個異常傷信號位置檢測的結(jié)果見表1,使用不同超聲波檢測方法在同一缺陷位置檢測,表現(xiàn)出不同的傷信號。在水浸聚焦A掃圖中四個位置未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷信號顯示,信號幅值高度小于30%FSH,而使用雙晶探頭對圖中四個位置進(jìn)行檢測,其信號幅值均大于65%FSH。

表1 雙晶探頭和水浸聚焦探頭的檢測結(jié)果

圖2為水浸聚焦C掃描檢測結(jié)果,在翼板主要區(qū)域未發(fā)現(xiàn)有明顯的底波損失,波動在4 dB以內(nèi)。GB/T 5193《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品超聲波探傷方法》規(guī)定,探傷中正常底波損失不能超過50%(相當(dāng)于6 dB),本試驗滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在超聲探傷過程中,聲波會因為傳播過程中被介質(zhì)吸收和散射發(fā)生一定衰減,當(dāng)超聲波遇到近表面大缺陷、吸收性缺陷或傾斜大缺陷時,底波會消失[2]。底波損失波動在4 dB以內(nèi)也說明翼板中無明顯缺陷。

(a)底波幅值 (b)C掃描底波監(jiān)控結(jié)果圖2 C掃描檢測結(jié)果Fig.2 C-scan testing results

圖3是雙晶探頭和水浸聚焦探頭結(jié)構(gòu)對比。根據(jù)兩種探頭的結(jié)構(gòu)特點,水浸聚焦探頭聲束基本垂直入射,而雙晶探頭聲束入射時存在一定角度。雙晶探頭的晶片采用一發(fā)一收的形式,兩個晶片位置對稱,傾斜角度為θ,θ角介于4°～10°之間,使入射聲束向探頭中心線方向傾斜,在被檢板材中形成菱形聚焦區(qū)。當(dāng)縱波傾斜入射至翼板內(nèi)部時,會發(fā)生反射和折射,反射波被探頭隔聲層吸收,不會對檢測造成影響。當(dāng)翼板內(nèi)存在缺陷(組織不均勻)時,折射縱波在產(chǎn)生反射縱波L 的同時,也會產(chǎn)生變型橫波S,FL 為缺陷的反射縱波,在FL 之后會出現(xiàn)變型橫波FS。在翼板雙晶探頭檢測中,由于變型橫波FS出現(xiàn)在反射縱波FL 之后,因此可能會與翼板內(nèi)部某一缺陷(組織不均勻)反射波的位置重合,存在組織不均勻反射回波與變型橫波疊加引起信號幅值較高的情況。變型橫波FS不僅會對翼板的缺陷識別和評定造成影響,還會引起噪聲,降低信噪比。所以雙晶探頭對不均勻組織(取向更多)更加敏感,容易造成異常信號。為了避免雙晶探頭變型橫波的影響,可采用水浸聚焦檢測方法,采用高頻窄脈沖水浸聚焦探頭,可有效減小超聲檢測時作用于翼板內(nèi)部組織的脈沖量,使信噪比明顯提高[4-6]。

(a)雙晶探頭結(jié)構(gòu) (b)水浸聚焦探頭結(jié)構(gòu)圖3 雙晶探頭和水浸聚焦探頭結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of double crystal probe and water immersion focusing probe

2.2 金相組織及超聲檢測結(jié)果對比

圖4為擠壓態(tài)、去應(yīng)力退火態(tài)和再結(jié)晶退火態(tài)鋯合金型材翼板金相組織。擠壓態(tài)翼板總體呈現(xiàn)出加工流線組織,其中存在細(xì)小的再結(jié)晶晶粒,呈現(xiàn)出不均勻狀態(tài),但無明顯粗大組織。去應(yīng)力退火狀態(tài)下,翼板組織整體仍然保留了擠壓態(tài)的加工流線組織,因熱變形組織發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶,部分組織較為粗大,使晶粒取向差異增加,晶界更加清晰,呈現(xiàn)出不均勻狀態(tài)。再結(jié)晶退火狀態(tài)下,翼板組織發(fā)生了再結(jié)晶,部分晶粒異常長大,晶粒尺寸差異較大(5～50 μm)。

擠壓態(tài)縱截面 去應(yīng)力退火縱截面 再結(jié)晶退火縱截面

使用5MHz雙晶探頭對擠壓態(tài)、去應(yīng)力退火態(tài)和再結(jié)晶退火態(tài)的型件翼板進(jìn)行了超聲波檢測,檢測結(jié)果見表2。與擠壓態(tài)相比,再結(jié)晶退火后的信號幅值稍有增加,去應(yīng)力退火后信號幅值顯著增加。對比不同狀態(tài)擠壓型件翼板金相組織和超聲波檢測結(jié)果,對應(yīng)組織較為粗大且不均勻的去應(yīng)力狀態(tài)異型件翼板的信號更高一些。

表2 不同狀態(tài)型材翼板雙晶探頭檢測結(jié)果

而在超聲探傷過程中,晶粒細(xì)小時,超聲波射到各個晶粒,會引起微小的反射和散射,這些反射波在觀測時就會呈現(xiàn)出草狀回波。此外,反射還會造成被檢物中傳播的超聲波的衰減,并減少多次反射的脈沖次數(shù)。晶粒越大時,這種衰減和草狀回波越顯著,引起信噪比(指有用的信號與無用的噪聲雜波之比)的下降,有時甚至完全不能出現(xiàn)缺陷回波[4]。根據(jù)以上分析,推測去應(yīng)力退火異型件翼板局部組織差異導(dǎo)致了使用雙晶探頭檢測方法對翼板檢測時出現(xiàn)異常信號。結(jié)合圖4和表3的檢測結(jié)果,推斷去應(yīng)力退火態(tài)翼板超聲傷信號可能是由于雙晶探頭檢測對不均勻組織更加敏感造成的。

2.3 傷信號位置組織檢測

圖5為去應(yīng)力退火態(tài)型材翼板雙晶探頭超聲檢測超標(biāo)信號位置逐層金相組織?？梢钥闯?對應(yīng)超聲異常位置進(jìn)行逐層金相組織分析,未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部裂紋、夾雜等缺陷。但在探頭中心位置(探頭檢測點的中心位置)附近1.2 mm范圍內(nèi)(距超標(biāo)傷樣品邊部4.8 mm、6.0 mm、6.6 mm的位置),均存在較大區(qū)域的不規(guī)則熱變形組織,與其他位置的熱加工流線組織有差異。進(jìn)一部說明組織的不均勻性導(dǎo)致了雙晶探頭超聲檢測結(jié)果異常。

0.3mm 4.3mm 4.8mm 5.4mm

3 結(jié)論

(1)雙晶探頭超聲波檢測方法對局部組織不均勻更加靈敏,容易造成信號異常的情況。

(2)去應(yīng)力退火型件翼板局部組織微小差異,是導(dǎo)致雙晶探頭超聲異常的原因。采用水浸聚焦超聲波檢測方法對型材翼板進(jìn)行探傷,可有效避免組織微小差異對檢測結(jié)果的影響。