航空用鈦合金大規格棒材超聲接觸法探傷優化的研究

劉 飛，劉曉娟，李 健，陳志鵬，肖字斌，黃艷華，李 衛，樊 凱

(湖南金天鈦業科技有限公司 湖南 常德 450018)

0 前言

鈦合金具有密度低(如Ti-6Al-4V鈦合金密度為4.5 g/cm3，是低碳鋼的57%)、比強度高、耐腐蝕性好、彈性模量低、導熱系數小、屈強比高(成形回彈大)、等特性而被廣泛應用于各個工業領域。應用領域已涉足航空、航天、船舶等多個行業，其中尤以航空航天工業為盛[1-3]。在航空領域中，鈦合金作為當代先進飛機和航空發動機的主要結構材料之一，主要用于飛機的發動機、起落架部件等相關部位，且使用量在不斷增加。先進鈦合金材料的大量采用是新一代飛機和新型發動機先進性的顯著標志之一，可大幅度提高結構減重效果和安全可靠性。美國等世界發達國家的航空用鈦量占鈦產量的50%以上，獨聯體和歐洲等國家的鈦產品也主要用于飛機和航空發動機[4-5]。

鈦合金棒材是加工鈦合金零部件的重要原材料，保證原材料棒材的質量，是保障裝備正常運行的關鍵因素[6]。超聲波檢測是利用進入被檢材料的超聲波對材料內部缺陷及表面進行檢測，是應用最廣泛的無損檢測方法之一[7]。超聲檢測一般是指使超聲波與工件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對工件進行宏觀缺陷檢測，幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的技術。一般常識中，超聲檢測通常指宏觀缺陷和材料厚度測量，超聲檢測時五大常規無損檢測技術之一，是目前國內外應用最廣泛、使用頻率最高且發展較快的一種無損檢測技術，超聲檢測是產品制造中實現質量控制、節約原材料、改進工藝、提高勞動生產率的重要手段，也是設備維護中不可或缺的手段之一。超聲檢測按原理分為脈沖反射法、衍射時差法、穿透法、共振法。鈦合金棒材最普遍使用的是脈沖反射法檢測[8]。應用于航空領域的鈦合金棒材在質量方面要求很高，對超聲波檢測的要求亦是如此，類如JT-FCI-CL-7《X型飛機用TC4鈦合金大規格棒材技術條件》中Φ350的棒材最低探傷要求為Φ2.0-6dB；Q/BS5320—2007《鈦合金大規格棒材》中Φ200的棒材最低探傷要求為Φ1.2-6 dB；因為超聲波的衰減與聲程、探傷頻率等成正比，所以，隨著聲程的增大，探傷增益的提高，超聲波的衰減也在增大。在實際檢測時，對于標準要求高的大規格棒材接觸法全聲程檢測時，往往會由于多半聲程中的雜波過高或滿屏而無法正常檢測；若使用常規半聲程進行檢測，上表面存在較大盲區的問題又無法有效解決。本文作者通過實驗研究，旨在減小大規格鈦合金超聲接觸法檢測的檢測盲區，提高檢測靈敏度和信噪比。

1 實驗

實驗用料及對比試棒用料選用湖南金天鈦業科技有限公司生產的牌號為TC18、直徑為Φ400 mm的棒材。TC18鈦合金名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，是一種具有高強和高沖擊韌性的鈦合金。合金的優點是在退火狀態下具有很高的強度(1 080 MPa),采用強化處理后強度可達1 300 MPa，且其淬透性好，截面淬透厚度可達250 mm。由于截面厚度不受淬透性限制，特別適合制造飛機大型承力構件。采用普通低成本模鍛(在模鍛錘上進行)、熱模鍛和等溫模鍛等多種工藝生產出接近最終形狀的鍛件。該合金在伊爾76 、殲15艦載機等飛機上獲得了大量應用。

湖南金天鈦業科技有限公司是一家集研發、生產、銷售航空航天、兵器、海裝用高端優質鈦合金原材料、零部件的知名企業。公司生產的TC18/Φ400 mm棒材主要應用于XX型號飛機上，棒材執行的材料標準為YMS1507；其中對超聲波檢測驗收的要求為，單個缺陷小于Φ3.2 mm，多個和長條形缺陷小于Φ2.0 mm，雜波水平小于Φ3.2-9 dB，底波損失≤50%。在實際超聲波接觸法檢測中，為了發現多個或長條形缺陷，儀器選用聲吶公司生產的D70超聲波便攜式探傷儀、探頭選用奧林巴斯生產的V109(5 MHz，0.5″)，用大平底計算法、按多個和長條形缺陷Φ2.0FBH/80%FSH調節靈敏度進行超聲波檢測，實際檢測結果顯示，超過聲程60%范圍的雜波反射信號幅度超過100%，如圖1所示；若棒材存在超過標準要求的缺陷，則會被雜波反射信號覆蓋，存在缺陷漏檢的風險。為了提高檢測信噪比、提高檢測可靠性，選用底波反射均勻的TC18/Φ405 mm棒材，依據標準AMS2628B對其他規格棒料試棒的要求制作對比試棒，用試棒上埋深為5～30～60～90～120～150～180～215 mm，大小為Φ2.0 mm平底孔的人工缺陷制作第一段TCG曲線，用Φ2.0mm/215 mm、Φ3.2 mm/395 mm制作第二段TCG曲線。在5～395 mm聲程范圍內，制作兩段靈敏度不同的TCG曲線，相當于用Φ2.0FBH/80%FSH靈敏度超半聲程檢測多個缺陷，為了盡可能的擴大檢測范圍，第二段用不小于Φ3.2FBH/80%FSH的靈敏度進行輔助檢測。測量實際產品與試棒上的衰減差異進行衰減補償，然后對湖南金天鈦業科技有限公司生產的TC18/Φ400 mm棒材進行檢測試驗，以驗證新方法的合理性。

圖1 Φ2.0FBH/80%FSH靈敏度接觸法探傷時AScan圖

2 實驗與討論

2.1 TC18/Φ405 mm試棒用料的選取

截取長度為1 200 mm，表面粗糙度≤1.6 μm，底波變化幅度小于4 dB且無影響使用的缺陷存在的TC18/Φ405 mm棒料，作為試棒制作用料。棒料底波變化如圖2所示。

圖2 試棒用料距頭部距離與底波達80%增益值變化圖

2.2 TC18/Φ405 mm試棒制作

依據標準AMS2628B對其他規格棒料試棒的要求(至少最淺表面5 mm，最深T/2+12.5 mm)；再考慮驗證大平底計算法與試塊法靈敏度的差異以及后半聲程輔助掃查的要求，試棒制作人工反射體信息見表1。

表1 TC18/Φ405 mm試棒人工反射體要求

2.3 制作TCG曲線

2.3.1 儀器和探頭的選擇

為了讓試驗數據具有可比性，要讓兩種方法中的探傷工藝參數盡量一致。在本實驗中，我們選擇與常規接觸法(大平底計算法)檢測相同的儀器探頭和耦合劑、且儀器參數設置相同。儀器、探頭、耦合劑如圖3、表2所示。

圖3 實驗中所用儀器和探頭的實物圖

表2 實驗用儀器和探頭型號明細表

2.3.2 TCG曲線繪制

用實驗中選取確定的儀器、探頭、耦合劑在TC18/Φ405 mm試棒上制作TCG曲線，各埋深平底孔測試靈敏度信息如表3所示，埋深5.1～215 mm、Φ2.0 mm平底孔TCG曲線實際AScan效果圖如圖4所示，埋深5.1～215 mm 、Φ2.0 mm平底孔+埋深395 mm、Φ3.2 mm平底孔TCG曲線實際AScan效果圖如圖5所示。

表3 各埋深平底孔測試靈敏度信息

圖4 埋深5.1～215 mm、Φ2.0 mm平底孔TCG曲線實際AScan效果圖：信噪比Φ2.0-18 dB

圖5 埋深5.1～215 mm、Φ2.0 mm平底孔+埋深395 mm、Φ3.2 mm平底孔TCG曲線實際效果AScan圖：信噪比Φ2.0-18 dB

2.4 用TCG曲線法檢測TC18/Φ400 mm棒料

2.4.1 衰減補償

實測得被檢測TC18/Φ400 mm棒料平均底波較對比試棒底波低2 dB，在TCG曲線上補償+2 dB。

2.4.2 檢測

用衰減補償后的TCG曲線，按工藝要求的檢測速度檢測TC18/Φ400 mm棒料，檢測結果顯示，探傷雜波水平為Φ2.0-(14～18)dB，如圖6所示。較常規大平底計算法接觸探傷，優化后的超聲接觸法探傷時，整個直徑范圍可探性高，檢測信噪比、可靠性高，可以大大提高小缺陷的發現能力。

圖6 新方法實際檢測時TC18/Φ400 mm棒料上頭、中、尾AScan圖：雜波水平：Φ2.0-(14～18)dB

3 結論

實驗研究證明，在對航空用鈦合金大規格棒材進行超聲接觸法探傷時，使用相同棒料制作合理的對比試棒，然后利用對比試棒上的人工傷制作TCG曲線，用制作的TCG曲線進行衰減補償后對鈦合金大規格棒材進行接觸法探傷，能夠得到較好的檢測信噪比；可以有效降低棒材的噪聲水平，提高小缺陷的發現能力。