TA15鈦合金顯微組織對超聲探傷底波衰減的影響

宋韋韋，李本江，宋增金，李增樂，張洪靜，焦娟娟，呂正風，程仁策

(山東南山鋁業股份有限公司，山東 龍口 265713)

TA15鈦合金是一種典型的近α鈦合金，具有比強度高、熱穩定性好、抗蠕變性能優異和可焊性強等優點，被大量應用于航空航天工業中關鍵零部件的制造，例如應用于發動機的各種葉片、機匣，飛機的各種鈑金件、梁、接頭、大型壁板、環鍛件、焊接承力框等[1]。由于航空類產品的可靠性與人身安全有著高度關聯性，同時由于材料和零件使用環境和載荷條件的極端苛刻，對其產品的完整性要求也是極為嚴格。因此，航空無損檢測技術成為保證航空產品完整性和可靠性的重要手段[2]。超聲波檢驗對于鈦合金是一個重要的質量控制手段，生產廠和航空廠都用超聲探傷檢測進行質量控制。

鈦合金缺陷的種類大致分為冶金缺陷(如夾雜、偏析)、工藝缺陷(如過熱、變形不足、裂紋)和組織缺陷。在應用超聲波檢驗鈦合金冶金質量時，材料組織不同所產生的反射信號有明顯差異。針對TA15鈦合金鍛件在超聲C掃描后，局部出現底波衰減嚴重，未出現雜波的情況，采用光學金相法并結合電子背散射衍射(EBSD)技術，揭示不同顯微組織和晶體取向分布對超聲波衰減的影響。

1 實 驗

TA15鈦合金在Tβ-30 ℃溫度進行墩粗和模鍛，經退火處理和機加工后獲得T形截面的鍛環，如圖1所示。

圖1 TA15鈦合金鍛環俯視圖

采用頻率為5.0 MHz縱波聚焦探頭，對加工后的鍛環外環面周向進行了超聲探傷檢測，發現局部區域出現底波損失嚴重現象，底波強度衰減量超過50%，但并未發現任何雜波缺陷信號。圖2為TA15鈦合金鍛環外環面周向超聲探傷底波周向C掃描結果，縱坐標為環鍛件的高度，橫坐標為環鍛件的周向角度，不同顏色代表收集的底波強度與原始發射波強度的比值。通過觀察發現，底波強度衰減部位距環鍛件髙向中心線2～8 mm，距離中心線6 mm位置底波衰減量最大，并以扁平橢圓狀呈對稱式分布于鍛環內。在鍛環超聲探傷底波正常和衰減部位，分別截取T形試片進行低倍組織的觀察和分析，并在此2塊試片不同部位截取試樣進行顯微組織、晶體取向分析，取樣位置如圖3所示。使用配比為V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=5∶20∶75腐蝕液對金相試樣進行腐蝕處理后，采用光學顯微鏡觀察顯微組織，并使用Image J軟件統計初生等軸α相體積分數和次生片狀α相尺寸。采用EDAX 電子背散射衍射(EBSD)系統對材料的晶體取向進行數據采集，試樣制備時使用標樂Vibromet 2振動拋光機對樣品進行去應力拋光處理，并采用OIM軟件進行晶體取向分析。

圖2 TA15鈦合金鍛環外環面周向超聲探傷底波C掃描結果

圖3 T形截面取樣部位示意圖

2 實驗結果

2.1 低倍組織結果

TA15鈦合金鍛環底波衰減試樣和正常試樣的低倍組織如圖4所示。鍛件流線走向沿著截面輪廓邊緣分布，未發現流線不順、渦流、穿流現象。此外，參考GB/T 5168—2008 “高低倍組織檢驗方法”標準[3]，確定鍛環的低倍組織為模糊晶，未發現宏觀偏析、夾雜、裂紋等低倍缺陷，2塊試片低倍組織無明顯差異。

圖4 TA15鈦合金鍛環底波衰減試樣和正常試樣的低倍組織

2.2 顯微組織觀察

在TA15鈦合金鍛環T形截面低倍試片上，按照圖3所示取樣方式，在截面的上端和下端分別切取3塊試樣，對應著中心位置、底波衰減(距中心6 mm處)、邊部位置。

圖5為底波衰減和正常試樣T形截面上端不同位置對應的金相照片。從圖5可以，2塊試片上端試樣顯微組織沒有差異，均為典型的雙態組織，由初生α相和β轉變組織組成，不同部位β轉變組織中次生片狀α相厚度和長度相近。

圖5 底波衰減和正常試樣T形截面上端不同位置對應的金相照片

圖6為底波衰減和正常試樣T形截面下端不同位置對應的金相照片。從圖6可以看出，底波衰減試樣，從中心到邊部，組織逐漸由雙態組織向雙套組織轉變[4]，中心部位β轉變片狀α相，片狀α相厚度為1.6 μm，長度為9.4 μm；底波衰減部位片狀α相厚度為1.11 μm，長度為5.16 μm，片狀α相交叉無規律排列，且存在豎直分布的條狀α相；邊部位置，在β轉變組織中析出了比初生α相更為細小的近等軸形α相，組織為典型的雙套組織。超聲底波正常試片T形截面下端部位，從中心部位到邊部均由等軸初生α相和β轉變組織形成的雙態組織構成，中心部位和距中心6 mm處，二次片狀α相的厚度為0.98 μm，長度為7.25 μm，β轉變組織中局部片狀α相呈規則平行排列；邊部區域，β轉變組織中片狀α相厚度為1.02 μm，長度為6 μm, 次生片狀α相平行排列，此外β轉變組織中析出近等軸狀的α相。底波衰減和正常試樣T形截面不同部位初生α相尺寸無明顯差異，體積分數均在20%～24%之間。

圖6 底波衰減和正常試樣T形截面下端不同位置對應的金相照片

2.3 不同部位晶體取向觀察

圖7 底波衰減試樣T形截面不同部位對應的反極圖

圖8 T形截面不同部位的晶體取向分布圖

圖9 T形截面不同部位對應的晶體取向面積占比

3 分析與討論

多晶材料由許多離散的晶粒組成，每個晶粒均具有規則的原子排列結構，晶粒的彈性模量存在各向異性，而且晶體的取向也不同。當超聲波穿過聚集的多晶體時，晶界會對超聲波起到散射作用，超聲波的衰減值和傳播速度的改變與晶粒大小、形狀、取向、以及各向異性有關[5]。鈦合金中α相為密排六方結構，具有明顯的各向異性。對于鈦單晶，α相彈性模量隨受力方向與c軸之間的夾角γ的增加而降低，c軸方向的彈性模量相比a軸方向高出約30%，如圖10 所示[6]。此外，對于含有6%Al(質量分數，下同)的α鈦單晶，不同方向的彈性模量如表1所示，沿c軸方向的彈性模量C33為163 GPa，沿基面的彈性模量C11為136 GPa，導致超聲波縱波速率在2種不同取向面的傳播速度有較大差異[7]。但是按照各晶體取向所占比例進行不同區域彈性模量的計算，鍛環中心、底波衰減、邊部的彈性模量均為143 GPa，并無明顯差異，所以超聲底波損失并不是由于彈性模量不匹配導致。

圖10 α-Ti 單晶彈性模量隨傾角γ變化圖[6]

表1 Ti-6%Al α鈦單晶彈性模量矩陣元值(GPa)[7]

超聲波的衰減系數與材料的微觀織構也有密切關系，材料微觀織構較強的區域，聲波衰減量大，而微觀織構不明顯的區域，聲波衰減較小。此外，當超聲波傳播方向與微觀織構平行(伸長方向)時，超聲衰減系數相比與微觀織構垂直時增加了1倍，對于近α型鈦合金，衰減系數由0.12 db/mm(平行)變為0.06 db/mm(垂直)[7]。Blodgett研究發現，具有密排六方晶格的α相，當超聲波傳播方向垂直于c軸時，會出現較明顯的聲波衰減，這是由于該位向使得散射作用較顯著；而當超聲波的傳播方向平行于c軸時，反射波強度較大[8]。

4 結 論

(1)TA15鈦合金鍛環超聲檢測中，底波衰減試樣T形截面不同區域的顯微組織存在差異，底波衰減部位出現與超聲波平行的條狀α相，且二次片狀α相雜亂交錯排列，組織一致性差。

(2) 底波衰減部位條狀α相對應著(0001)晶面，晶面的面積占比為0.345，超聲波的傳播方向與晶體c軸垂直，導致該方向上的材料散射作用較強，底波衰減較明顯。