鍛造參數對TC4鍛件的組織和超聲聲速的影響

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(1.南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室，南昌 330063 ；2.中航工業貴州安大航空鍛造有限責任公司，安順 561005；3.沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043)

鍛造參數對TC4鍛件的組織和超聲聲速的影響

時靖1，劉柯1,鄔冠華1,黃映霞1,羅順民2,邰青安3

(1.南昌航空大學無損檢測教育部重點實驗室，南昌330063 ；2.中航工業貴州安大航空鍛造有限責任公司，安順561005；3.沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽110043)

TC4中的α和β相的顯微組織直接影響到材料的可靠性和壽命，采用有效的超聲無損評價方法可以對TC4的組織進行評價。對不同鍛造參數條件下TC4試塊的超聲波聲速進行分析，并對照其金相組織數據，得出結論：聲速與初生α相的組織分布有一定的相關性關系，α相的組織直接影響到超聲波的聲速。

TC4；顯微組織；超聲波；聲速

鈦合金具有比強度高和耐蝕性好等特點，被廣泛應用于航空航天工業、化學工業、醫藥工程等領域[1]。TC4鈦合金是一種具有高熱強性和熱穩定性等綜合性能優良的α+β型的鈦合金。截至目前鍛造是應用最廣泛的成型辦法，不同的鍛造條件能夠生成不同的相組成成分和不同相的比例。顯微組織對鈦合金的性能有著顯著的影響，傳統鈦合金的顯微組織主要由α和β兩相的尺寸及其排列方式來描述。鈦合金鍛件的組合和力學性能主要取決于鍛件的熱機械加工工藝(TMP)，即變形溫度、變形程度、變形速度、鍛后冷卻速度和熱處理等工藝參數會影響α和β兩相的組織分布[2-3]。因此，TC4的顯微組織評價具有重要的生產指導意義。

無損評價是無損檢測的一個重要的發展方向。超聲檢測中，常用超聲的一些特性參數對材料組織的均勻性、材料內部的殘余應力、材料不同部位的燒傷程度等進行評價[4]。合金中α相的含量和百分比對材料的彈性模量、泊松比、材料的密度、平均晶粒尺寸等參數具有一定的影響，從而可應用超聲聲速的變化情況來對材料組織進行評價[5]。

1 超聲檢測原理

固體介質中聲速與介質的密度和彈性模量等有關，因此超聲的眾多特性參數中，材料的組織變化對超聲的聲速影響較為明顯。超聲波在固體介質中的縱波聲速公式如下式所示。

式中：E為介質的彈性模量；σ為泊松比；ρ為材料密度。

由式(1)可看出，材料的彈性模量越大，密度越小，聲速就越大[6]。相同材料密度相同，柱狀初生α相的組織狀況影響到材料的彈性模量、泊松比，從而對應到超聲聲速的變化。

2 試樣與檢測儀器設備

根據標準HB 7238-1995《鈦合金環形鍛件》[7]，采用錘鍛工藝，制作了16個圓柱體TC4鈦合金鍛件試塊，直徑40 mm,高度35 mm。鍛造變形量分別為25%左右和40%左右兩種，鍛造溫度為低于相變點溫度的920 ℃到990 ℃。其中變形量為25%左右的試塊，溫度由920 ℃起，以10 ℃的步進增至990 ℃，共有8塊。變形量為40%左右的試塊，溫度由920 ℃起，以10 ℃的步進增至990 ℃，共有8塊。

試驗采用的便攜式超聲掃查系統，利用Olympus公司生產的信號發生/接收器5077來控制發出和接收信號[8]。信號的采集部分使用的是picoscope3027采集卡。超聲探頭采用Olympus公司生產的A112S 10/0.25″的單晶直探頭,試驗時選取的探頭頻率為10 MHz。

3 數據采集分析

3.1超聲聲速采集

首先對每個試樣的尺寸進行測量。由于鍛造工件不同區域的均勻性相差較大，為了更好地評價試塊組織，需要在試樣上劃分局部區域，進行超聲試驗。采集點的劃分方法如下：在TC4鈦合金端面過圓心劃分8等分線，避開探頭直徑距離5 mm，選取圓心為第一圈，選擇1個信號采集點。依次由內向外命名，1/3半徑處為第二圈，選取4個點；2/3半徑處為第二圈，選取8個點。超聲波采樣率為125 M·s-1,保留表面波、一次底波至三次底波，應用代碼對所有保存信號聲速全部批量處理，對采集的13個點的數據求取平均值來評價試塊組織。

試樣厚度為35 mm，調節增益使其出現多次底面回波，通過底波的聲程差進行試樣的聲速測量[9]，聲速c可用下式計算。

式中：h為試塊高度；t為傳播時間。

3.2微觀組織分析

對制作試塊時切下的端面進行金相制樣腐蝕，分別對每個試塊圓心對應部分、1/3半徑對應部分，2/3半徑對應部分共3個區域進行金相拍照，圖1為不同鍛造條件下每個試塊1/3半徑對應部分的金相組織圖。

每個試塊的對應三個區域的金相圖采用IMAGJ軟件進行圖像處理，通過圖像濾波、降噪和二值化處理，應用閾值分割圖像處理方法對初生α相進行自動數據提取[10]。通過對每個試塊3個采集區域金相照片中初生α相面積比、晶粒尺寸的數據進行平均處理,得到不同變形量下初生α相組織隨鍛造溫度的變化情況，如表1所示。

表1 不同鍛造溫度、變形量對應的初生α相面積比

通過觀察分析，鍛造溫度、變形程度會影響到α相的組織分布。隨著鍛造溫度的升高，β相再結晶越來越充分，初生α相面積比下降[11]。

4 鍛造參數對組織和聲速的影響

圖2為兩種變形量的試塊在不同鍛造溫度時，聲速和初生α相面積比的關系。分析圖2可看出：整體上相同鍛造溫度下，變形量40%的聲速大于變形量25%的聲速；在變形量25%的條件下，聲速下降到980 ℃對應聲速6 122 m·s-1時開始上升；在變形量40%的條件下，聲速下降到970 ℃對應聲速6 144 m·s-1時開始上升。

圖1 不同鍛造條件下不同試塊1/3半徑對應部分的金相組織圖

圖2 兩種變形量的試塊在不同鍛造溫度時，聲速和初生α相面積比的關系

圖2(a)中試塊在25%左右變形量下，不同鍛造溫度時的聲速和初生α相面積比正相關(相關性78.8%)，在0.05 水平(雙側)上顯著相關。兩種變形量下，隨著鍛造溫度的升高，β相逐漸充分再結晶，初生α相面積降低，聲速都在降低。25%左右變形量下，980 ℃以后，α+β片層的組織情況對聲速的影響開始大于等軸狀初生α相的影響，聲速開始隨鍛造溫度的升高而增加，溫度變化點的聲速為6 122 m·s-1。由于40%左右變形量比25%的變形量大，β相逐漸充分再結晶的能量更充分，α片層的組織情況對聲速的影響溫度點提前到970 ℃，聲速開始隨鍛造溫度的升高而增加，溫度變化點聲速為6 143 m·s-1。

初生α相晶體為密排六方結構，比β相的面心立方結構更難塑性變形，力學性能上具有顯著各向異性，所以彈性模量高于β相。初生α相面積比降低，直到25%左右變形量的試塊在980 ℃以后的初生α相面積比低于20%時，以及40%左右變形量的試塊在970 ℃以后的初生α相面積比低于20%時，α+β片層發育良好，其開始成為影響聲速的主要因素。

5 結論

TC4試塊在變形量25%左右時，同溫度的聲速和初生α相面積比0.05顯著區間正相關(相關性78.8%)，關系式為y=1.59x-9693.89(x為聲速，y為對應的初生α相面積比)。兩種變形量下初生α相面積比低于20%時，α+β片層對聲速的影響開始高于α相。

[1] 婁軍. 快速凝固鈦合金的組織與性能研究[D]. 沈陽:沈陽大學, 2012.

[2] 馬濟民，賀金宇，龐克昌,等. 鈦鑄錠和鍛造[M]. 北京：冶金工業出版社, 2012.

[3] 徐彥霖,王增勇,黃振翅. 奧氏體不銹鋼平均晶粒尺寸的超聲評價技術[J]. 無損檢測, 2001,23(6):246-248.

[4] PAPADAKIS E P. Use of correlations and functions in determining nondestructive tests for material properties[C]∥Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. Brunswick:BLREN,1992.

[5] 劉儷. 鈦合金顯微組織對其超聲參量及耐蝕性能的影響[D]. 南昌：南昌航空大學,2012.

[6] 鄔亞華,唐佳,王伏喜,等. 高鉻鑄鐵組織與超聲聲速關系的測定[J]. 無損檢測,2011,33(12):62-65.

[7] 鄒武裝，郭曉光，謝湘云,等. 鈦手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2012.

[8] 萬剛,吳偉,王茹,等. 鈦-鋼爆炸焊復合層的超聲成像檢測[J]. 無損檢測,2016,38(7):36-39.

[9] 萬江. GH706合金組織與超聲檢測參數關系研究[D].南昌：南昌航空大學,2016.

[10] 于漫漫. TC4鈦合金組織超聲信號特征研究[D]. 南昌：南昌航空大學, 2014.

[11] 段銳,蔡建明,李臻熙. 初生α相含量對近α鈦合金TG6拉伸性能和熱穩定性的影響[J]. 航空材料學報,2007, 27(3): 17-22.

InfluenceofForgingParametersonMicrostructureandUltrasonicVelocityofTC4Forging

SHIJing1,LIUKe1,WUGuanhua1,HUANGYingxia1,LUOShunmin2,TAIQingan3

(1.KeyLaboratoryofNondestructiveTestingofMinistryofEducation,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China; 2.AVICGuizhouAndaAviationForgingCo.,Ltd.,Anshun561005,China;3.ShenyangLimingAeroEngineCo.,Ltd.,Shenyang110043,China)

The microstructure of α and β phases in TC4 has a direct impact on the reliability and life of the material. An effective ultrasonic nondestructive evaluation method can be used to evaluate the forging microstructure of TC4. The ultrasonic velocities under various forging parameter conditions of TC4 were analyzed in reference to its metallographic microstructures. The fact is that the velocity and the primary α phase have certain correlation relations, and the organization of α phase is directly affected by the ultrasonic velocity.

TC4; microstructure; ultrasonic; velocity

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0024-04

2017-06-25

時 靖(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向為無損檢測，mengkesijiu@163.com

鄔冠華(1963-)，男，教授，主要研究方向為無損檢測儀器、射線檢測、計算機控制技術等，wuguanhua@nchu.edu.cn

10.11973/wsjc201710006