鈦合金環(huán)材的超聲檢測(cè)及特性分析

鄭翠萍 田園 劉婭玲 田佳賓 雷龍 韓明臣 舒瀅

摘? 要：介紹了5種規(guī)格（各10件）TC4鈦合金環(huán)材的超聲檢測(cè)原理、工藝方法及試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了超聲檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)與顯微組織、沖擊韌性等特性的相互關(guān)系。對(duì)比分析表明：鈦合金環(huán)材的顯微組織不均勻，會(huì)導(dǎo)致超聲檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)較高的雜波水平或單顯信號(hào)，并使其沖擊韌性下降。

關(guān)鍵詞：鈦合金環(huán)材;顯微組織;超聲檢測(cè);沖擊韌性

中圖分類號(hào)：TG115.28? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）27-0106-03

Abstract： The ultrasonic testing principle， technological method and test data of five specifications （10 pieces each） of TC4 titanium alloy ring material are introduced， and the relationship between ultrasonic test data and microstructure， impact toughness and other characteristics is compared and analyzed. The comparative analysis shows that the microstructure of titanium alloy ring material is not uniform， which will lead to higher clutter level or single display signal during ultrasonic testing， and decrease its impact toughness.

Keywords： titanium alloy ring material; microstructure; ultrasonic testing; impact toughness

1 概述

鈦合金的密度低、比強(qiáng)度高、工作溫度范圍較寬和耐腐蝕能力優(yōu)異，已被航空航天等領(lǐng)域廣泛使用。與其它材料（如鋼、高溫合金等）相比，鈦合金的缺陷敏感性較大，在冶煉過(guò)程中或是在零部件的制造、加工過(guò)程中產(chǎn)生的微小缺陷對(duì)部件（如葉片、盤(pán)等）的使用影響很大[1-2]。

鈦合金環(huán)材主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、內(nèi)環(huán)、安裝邊等部位。本文從超聲檢測(cè)原理出發(fā)，介紹了鈦合金環(huán)材的超聲檢測(cè)工藝方法，并從實(shí)驗(yàn)角度研究了5種典型規(guī)格（各10件）TC4鈦合金環(huán)材的金相組織與超聲波反射信號(hào)之間的聯(lián)系，為相關(guān)檢測(cè)和生產(chǎn)工藝提供了一定借鑒。

2 檢測(cè)原理

以脈沖反射技術(shù)為例，超聲檢測(cè)是利用高頻聲波

（>20000Hz）產(chǎn)生的脈沖波射入受檢工件，若材料是均勻連續(xù)的，則聲波沿一定的方向，以恒定的速度向前傳播。隨著距離的增加，聲波的強(qiáng)度由于擴(kuò)散和材料內(nèi)部的散射和吸收而減小。當(dāng)遇到兩側(cè)聲特性阻抗（材料密度與聲速的乘積）有差異的界面時(shí)，則部分聲能被反射。這種界面可能是材料中某種缺陷（不連續(xù)），如裂紋、分層、空洞等，也可能是受檢材料的外表面與空氣或水的界面。反射的程度取決于界面兩側(cè)聲特性阻抗差異的大小，在金屬與氣體的界面上幾乎全部反射。通過(guò)探測(cè)和分析反射脈沖信號(hào)的幅度、位置等信息，可以確定缺陷的存在，評(píng)估其大小、位置。通過(guò)測(cè)量入射聲波和接收聲波之間聲傳播的時(shí)間可以得知反射點(diǎn)距入射點(diǎn)的距離。

通常用以發(fā)現(xiàn)缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)估的主要信息為：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。

鈦合金環(huán)材常采用的超聲檢測(cè)有直探頭檢測(cè)和斜探頭檢測(cè)，以上兩種檢測(cè)方法都屬于脈沖反射法。圖1給出了直探頭（a）和斜探頭（b）檢測(cè)的原理示意圖，其中，f為受檢中的缺陷，s為顯示屏上的缺陷信號(hào)。通過(guò)分析s的幅值和位置等信息來(lái)評(píng)判缺陷的大小和位置等信息。

3 檢測(cè)步驟和要求

3.1 檢測(cè)原則

鈦合金環(huán)材通常是由坯料鍛造、鐓粗，然后沖孔，再滾壓制成。制造過(guò)程中產(chǎn)生缺陷的主要取向：與環(huán)材的外圓表面平行;所以，鈦合金環(huán)材的超聲檢測(cè)一般以直探頭外圓面檢測(cè)為主，以斜探頭檢測(cè)為輔。

3.2 儀器和探頭選擇

超聲檢測(cè)一般采用A型脈沖反射式超聲檢測(cè)儀，其工作頻率按-3dB測(cè)量應(yīng)至少包括5MHz～10MHz頻率范圍。直探頭標(biāo)稱頻率一般選用1MHz～5MHz，斜探頭標(biāo)稱頻率一般選用2MHz～5MHz。

使用斜探頭為超聲波橫波探傷，橫波探傷檢測(cè)鈦合金環(huán)材時(shí)需滿足：

a.聲束入射后在被檢件中僅產(chǎn)生折射橫波;

b.橫波聲束能掃查到被檢件的內(nèi)壁。

圖2給出了鈦合金環(huán)材斜探頭的檢測(cè)方向。

根據(jù)條件a要求入射角大于第一臨界角，由折射定律可知：

sin β≥VS/VL? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

根據(jù)條件b要求有：

sin β≤R1/R2? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：β-橫波折射角;

VS/VL-被檢材中超聲橫波聲速VS與縱波聲速VL之比;

R1/R2-被檢材內(nèi)徑R1與外徑R2之比。

綜合式（1）和式（2）可得：

VS/VL≤sinβ≤R1/R2? ? ? ? ? ?（3）

鈦合金中，VS=3290m/s;VL=6180m/s，由此可得：

0.53≤sinβ≤R1/R2? ? ? ? ? ? （4）

根據(jù)（4）式，可以按照鈦合金環(huán)材的內(nèi)外徑比例的不同，選擇適當(dāng)?shù)臋M波斜探頭。推薦采用折射角為45°（K值為1，K=tanβ）的斜探頭。

儀器和探頭組合性能一般參照J(rèn)B/T 9214標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其中水平線性偏差不大于1%，垂直線性偏差不大于5%。

3.3 靈敏度設(shè)置和試塊

通常采用帶有人工平底孔或槽傷的對(duì)比試塊設(shè)置鈦合金環(huán)材的超聲檢測(cè)基準(zhǔn)靈敏度。鑒于對(duì)比試塊應(yīng)與被檢材料具有相同或相似聲學(xué)特性，鈦合金環(huán)材的超聲檢測(cè)對(duì)比試塊一般利用受檢工件壁厚或長(zhǎng)度上的加工余量部分制作而成。

3.4 掃查

掃查靈敏度一般比基準(zhǔn)靈敏度高3dB～6dB。耦合方式一般采用直接接觸法。直探頭檢測(cè)和斜探頭檢測(cè)掃查方式有所不同，圖3給出了不同徑高比的鈦合金環(huán)材直探頭的檢測(cè)方向，根據(jù)徑高比的不同，主要檢測(cè)方向和輔助檢測(cè)方向有所不同。另外，需要注意的是，雙晶直探頭掃查時(shí)，探頭的移動(dòng)方向應(yīng)與探頭的隔聲層相垂直。

4 試驗(yàn)和討論

4.1 顯微組織對(duì)超聲檢測(cè)的影響

材料組織對(duì)雜波水平的影響是顯而易見(jiàn)的，起因于顯微組織的彌散物、晶界以及晶粒大小等對(duì)超聲波的散色混響作用，并且可能與晶格點(diǎn)陣位向存在的聲速各向異性有關(guān)。粗大不均勻的組織可引起超聲波的散亂反射，這種反射以雜波形式反映在示波屏上。但是，在晶粒尺寸不超過(guò)評(píng)級(jí)要求的情況下，什么樣的組織致使探傷雜波水平偏高還有待于進(jìn)一步探究。

為了探討TC4鈦合金環(huán)材中組織與雜波的關(guān)系，特對(duì)φ360mm/φ270mm×200mm、φ337mm/φ298mm×150mm、φ360mm/φ180mm×150mm、φ322mm/φ282mm×150mm和φ400mm/φ300

mm×100mm共計(jì)5種典型規(guī)格（各10件）的TC4鈦合金環(huán)材進(jìn)行了超聲檢測(cè)雜波和金相組織分析。圖4給出了鈦合金環(huán)材常見(jiàn)的金相組織照片和相應(yīng)的超聲檢測(cè)波形，表1給出了與其對(duì)應(yīng)的超聲檢測(cè)水平。

由圖4和表1可以看出存在局部組織不均勻片狀α或大塊α以及晶粒度較大的組織的雜波要比均勻細(xì)小等軸α+β相組織的雜波明顯高一些，存在局部偏析的組織有明顯的單顯信號(hào)。

分析上述相關(guān)數(shù)據(jù)，可以初步認(rèn)為：粗大的不均勻組織以及片狀α集束，均可能引起較高的雜波反射信號(hào)，局部的偏析可能會(huì)引起明顯的單個(gè)信號(hào)顯示。至于雜波與組織其它方面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有待于相關(guān)材料及探傷界的專家進(jìn)一步探討。

4.2 顯微組織對(duì)沖擊韌性的影響

材料的沖擊韌性主要取決于材料本身抵抗斷裂能力，與合金的內(nèi)部缺陷與顯微組織密切相關(guān)。均勻細(xì)小的等軸組織，不會(huì)形成局部的嚴(yán)重位錯(cuò)塞積現(xiàn)象，從而推遲晶界的斷裂和空洞的產(chǎn)生。較少的初生α含量減少裂紋的萌生，裂紋在次生α和初生α界面交互擴(kuò)展，將不斷改變方向，導(dǎo)致裂紋路徑曲折、分枝多，因而沖擊韌性好。

以上幾種組織的鈦合金環(huán)材的沖擊韌性見(jiàn)表2。由表中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鈦合金環(huán)材的組織不均勻使其沖擊韌性下降。

5 結(jié)論

雜波的主要起因于材料顯微組織中的相質(zhì)點(diǎn)、彌散物、晶界以及晶粒大小等對(duì)超聲波的散射混響作用，并且與晶格點(diǎn)陣位向存在的聲速各向異性有關(guān)。鈦合金環(huán)材組織的不均勻性，會(huì)導(dǎo)致超聲檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)較高的雜波水平或單顯信號(hào)，并使其沖擊韌性下降。

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