鈦合金棒材徑向貫穿裂紋超聲波探傷波形特征分析

黨永豐，劉 佳

（寧夏工業(yè)學(xué)校，寧夏 銀川 750000）

裂紋缺陷是鈦合金棒材中最危險(xiǎn)的缺陷之一，結(jié)構(gòu)件中如果存在宏觀微裂紋會(huì)大大降低構(gòu)件的機(jī)械承載能力。即使尺寸不太大的微觀裂紋，由于使用過(guò)程中會(huì)造成應(yīng)力集中，也會(huì)成為各種脆性斷裂、塑性斷裂、疲勞斷裂和腐蝕斷裂的斷裂源，從而造成構(gòu)件的低應(yīng)力破壞。因此裂紋類缺陷是鈦合金超聲波探傷要控制的核心缺陷。鈦合金棒材徑向貫穿裂紋缺陷由于裂紋貫穿棒材整個(gè)截面，所以屬于高危缺陷，研究其波形特征和缺陷形態(tài)關(guān)系，對(duì)鈦合金棒材探傷缺陷定性具有重要意義。

1 徑向貫穿裂紋超聲波探傷波形特征分析

1.1 徑向貫穿裂紋的宏觀特征

鈦合金棒材徑向貫穿裂紋通常出現(xiàn)在小規(guī)格鍛造棒材的端頭位置，此類裂紋會(huì)從棒材端頭相對(duì)兩個(gè)圓周面貫穿通裂，在軸線方向延伸深度長(zhǎng)短不一，但在斷面上會(huì)貫穿延伸至兩側(cè)表面。多數(shù)貫穿裂紋在斷面上呈“S”形分布，靠近棒材中心部位時(shí)裂紋裂口較大，擴(kuò)展至邊緣時(shí)裂口逐漸減小。為研究其波形特征，選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為實(shí)際生產(chǎn)中Φ38mm的TC4棒材端頭300mm范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的徑向貫穿裂紋。樣品編號(hào)為 YP06#，圖 1（a）、（b）為樣品 YP06#裂紋宏觀形貌。

1.2 徑向貫穿裂紋波形特征分析

徑向貫穿裂紋探傷分析的參數(shù)如表1所示。

表1 徑向貫穿裂紋試驗(yàn)參數(shù)

圖2（a）為校準(zhǔn)靈敏度所用的Φ30-1.2平底孔的反射波形，由于平底孔的底部反射面積遠(yuǎn)小于聲束掃查截面積，所以平底孔反射回波對(duì)一次底波的影響可以忽略不計(jì)，底波高度和位置都保持不變。

圖2（b）、（c）為樣品端頭底波損失波形圖樣，裂紋埋藏深度變化為Sa=25.1～26.2 mm，位置變化時(shí)底波損失由80%變成40%，缺陷波峰回波高度Ha均＞100%。底波出現(xiàn)損失是由于聲束前行方向遇到貫穿裂紋側(cè)壁造成的能量反射，底波損失越嚴(yán)重，表面聲束和裂紋的延伸方向近乎垂直。

圖1 樣品YP06#裂紋表面和分析斷面形貌圖

圖 2（d）、（c）分別為距離分析端頭 65 mm 和 125 mm處的探傷靜態(tài)波形，觀察波形可以看出，此時(shí)缺陷波高Ha均＞100%，但是埋藏深度Sa變化范圍為Sa=22.1～23.1 mm。由此可見(jiàn)缺陷的徑向貫穿范圍在逐漸減小，底波恢復(fù)體現(xiàn)其貫穿范圍已經(jīng)縮小到聲束截面積的1/2以內(nèi)。圖2（f）、（g）為探頭從距離分析端頭195 mm移動(dòng)到245 mm處的靜態(tài)波形，觀察圖中缺陷回波的高度Ha和缺陷埋深Sa可以看出，回波高度Ha已經(jīng)降低到40%以下，缺陷埋深Sa逐漸接近一次底波B1。說(shuō)明此刻裂紋已經(jīng)逐漸變?yōu)閱蜗驍U(kuò)展裂紋，且逐漸在向表面擴(kuò)展。圖2（h）中樣品端頭300 mm處的波形已經(jīng)是正常組織回波，說(shuō)明裂紋軸向延伸距離已經(jīng)結(jié)束。

由探頭從分析端頭向另一端探頭60 mm等距螺旋前進(jìn)的系列靜態(tài)波形組圖可看出：裂紋最高回波幅度Ha由＞100%降低到26%，缺陷埋藏深度由25.1 mm變化至0mm，說(shuō)明分析樣品棒材中裂紋的開(kāi)裂部位在斷面上部逐漸收縮并向棒材表面移動(dòng)。

圖2 樣品YP06#不同部位靜態(tài)波形組圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)超聲波探傷和金相分析試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)鈦合金棒材徑向貫穿裂紋缺陷的波形特征和缺陷形貌之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

（1）探頭在沿著圓周面旋轉(zhuǎn)檢測(cè)時(shí)在一定角度范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)底波大量損失同時(shí)近中場(chǎng)范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射回波信號(hào)，底波損失最低方向?qū)?yīng)貫穿裂紋的垂直擴(kuò)展方向。

（2）當(dāng)貫穿裂紋逐漸收縮為內(nèi)部裂紋并向表面擴(kuò)展時(shí)，裂紋的缺陷回波高度會(huì)逐漸降低，裂紋埋藏深度逐漸向表面靠近時(shí)，裂紋反射缺陷回波也逐漸向一次底波B1靠近。

（3）如果探頭在軸向移動(dòng)中發(fā)現(xiàn)缺陷反射回波降低且底波損失情況逐漸恢復(fù)，且缺陷波峰逐漸向一次底波靠近并最終消失，則說(shuō)明該貫穿裂紋在逐漸收縮并向棒材表面擴(kuò)展，缺陷回波消失位置即為裂紋擴(kuò)展終止位置。