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失效分析:ZTA15鈦合金精鑄件X射線檢測黑斑成因分析

嘉峪檢測網(wǎng)        2019-01-15 17:34

ZTA15鈦合金具有較高的強度、良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能,目前主要用于飛機大型結(jié)構(gòu)件及多種軍工型號配套鑄件。由于國內(nèi)行業(yè)對ZTA15鈦合金鑄件的技術(shù)條件和標(biāo)準(zhǔn)還沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范,關(guān)于質(zhì)量的控制,通常采用常規(guī)的X射線檢測、超聲檢測等無損手段。

 

近日,某鈦合金外購產(chǎn)品ZTA15精鑄件在加工前進行X射線檢測,目前采用GJB 2896A-2007《鈦及鈦合金熔模精密鑄件規(guī)范》進行驗收,其中X射線檢驗依據(jù)為GJB 1187A-2001《射線檢驗》,按照HB 6573-1992《熔模鋼鑄件用標(biāo)準(zhǔn)參考射線底片》進行判定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩處直徑約10mm的黑斑,黑度較淡,但明顯區(qū)別于周圍影像,已知鑄件厚度約20mm,如圖1所示。

 

失效分析:ZTA15鈦合金精鑄件X射線檢測黑斑成因分析

圖1 X射線檢測圖像

 

為查明黑斑顯示的原因,筆者對該零件進行了剖切取樣分析,供相關(guān)檢測人員進行底片評定時借鑒參考。

 

理化檢驗

 

01、著色檢驗

根據(jù)X射線檢測的黑斑位置剖切鑄件橫截面,進行著色檢驗。結(jié)果未見明顯的孔洞縫隙,亦未見線性顯示,故可排除黑斑為線性缺陷或夾渣缺陷的可能。

 

02、低倍檢驗

在對應(yīng)X射線檢測圖像中的黑斑位置切取試塊A,如圖2所示(圖中圓圈處為黑斑顯示位置),然后將試塊A 沿中線進行線切割,一分為二,兩試樣分別編號為1號和2號。

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圖2 試塊A宏觀形貌

 

2件試樣熱酸腐蝕后宏觀觀察可見,黑斑截面形貌均近似為圓形,同時可分為3個不同的特征區(qū)域,如圖3所示。

 

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圖3 黑斑處低倍組織形貌

 

Ⅰ區(qū)對應(yīng)X光片黑斑區(qū),顏色較暗;Ⅲ區(qū)為基體,呈金屬光澤,晶粒清晰可見;Ⅱ區(qū)為過渡區(qū),晶粒有明顯長大;Ⅰ區(qū)晶粒度明顯細(xì)于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的,如圖4所示。

 

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圖4 2號試樣低倍組織局部放大形貌

 

圖4中黑斑Ⅰ區(qū)深度約10.5mm,與黑斑直徑(10mm)相當(dāng)。

 

03、金相檢驗

 

從低倍檢驗的2號試樣中切取高倍試樣,同時包含Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ三區(qū),取樣位置如圖4所示。鑲嵌、磨拋后使用HF-HNO3-H2O(三者體積比為1∶2∶50)Kroll試劑化學(xué)浸蝕,置于ZEISS Observer.Z1m全自動倒置金相顯微鏡下進行觀察。

 

圖5 3個區(qū)域顯微組織形貌

 

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圖6 Ⅰ區(qū)顯微組織形貌

 

失效分析:ZTA15鈦合金精鑄件X射線檢測黑斑成因分析

 

圖7 Ⅱ區(qū)顯微組織形貌

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圖8 Ⅲ區(qū)顯微組織形貌

 

3個區(qū)域顯微組織均較粗大,如圖5所示;其中Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)為短片交叉分布的網(wǎng)籃狀組織,以及完整的晶界α相,但Ⅱ區(qū)晶粒明顯長大,如圖6和圖7所示;Ⅲ區(qū)顯微組織為粗大的魏氏組織以及完整的晶界α相,且在粗大晶粒內(nèi)存在一定數(shù)量取向不同的較大“集束”,同一集束內(nèi)有較多大致平行的α片,如圖8所示。

 

04、硬度試驗

 

依據(jù)GB/T 230.1-2009,分別對Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)進行洛氏硬度試驗(采用C標(biāo)尺),使用RB2000型數(shù)字洛氏硬度計。由表1可見,3個區(qū)域的硬度值差別不明顯,其中Ⅰ區(qū)的硬度稍高于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的。

 

表1 洛氏硬度試驗結(jié)果

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05、化學(xué)成分分析

 

表2 剖切試樣Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

失效分析:ZTA15鈦合金精鑄件X射線檢測黑斑成因分析

 

由表2可知,兩個區(qū)域的化學(xué)成分均符合驗收技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

綜合分析

 

X射線檢測的理論基礎(chǔ)是射線衰減定律。射線衰減的程度與射線的能量、被透照物體的性質(zhì)、厚度、密度等有關(guān),若物體局部區(qū)域存在缺陷,它將改變物體對射線的衰減,引起透射射線強度的變化。射線照相法就是應(yīng)用射線膠片來記錄透過有缺陷工件后輻射圖像中射線強度分布的差異,記錄被照物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或缺陷圖像是依據(jù)黑度不等的影像構(gòu)成原理。

 

對ZTA15鑄件進行X射線檢測,單從X射線檢測圖像黑度來看,此位置應(yīng)局部存在缺陷導(dǎo)致X射線透射時強度發(fā)生變化,底片黑斑為圓形,一般情況下判定為氣孔缺陷,但該鑄件經(jīng)過熱等靜壓處理,且鑄件厚度為20mm,存在?10mm氣孔缺陷的可能性較小。

 

從著色檢測結(jié)果看,未見明顯的孔洞縫隙、線性顯示,從而也可排除黑斑顯示為線性缺陷或夾渣缺陷的可能。

 

從黑斑位置及正常位置的化學(xué)成分分析結(jié)果來看,其化學(xué)成分均符合GJB2896A-2007技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,排除材料偏析的可能性。

 

從兩區(qū)顯微硬度測試結(jié)果來看,黑斑位置的硬度稍高于正常位置的。黑斑處金相檢驗結(jié)果表明,黑斑位置顯微組織為α+β相,呈短片交叉分布的網(wǎng)籃狀組織,組織均勻,而正常位置的顯微組織為集束狀魏氏組織,可知X射線檢測時黑斑區(qū)的黑度略不同于正?;w的,是由于網(wǎng)籃狀組織與魏氏組織的組織差異,而非缺陷原因所致。

 

由于鑄造鈦合金經(jīng)常會出現(xiàn)氣孔、縮孔、疏松等缺陷,故生產(chǎn)上常采用補焊、熱等靜壓處理工藝來減少或消除缺陷。從試件低倍組織形貌來看,黑斑位置Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)恰好對應(yīng)補焊熔合區(qū)、熱影響區(qū)以及母材3個區(qū)域,且熱影響區(qū)(Ⅱ區(qū))晶粒明顯長大。后來與廠家溝通確認(rèn),此鑄件確實經(jīng)過補焊處理后又進行了熱等靜壓處理,由此證實黑斑疑似氣孔缺陷,實為鑄造補焊影像。

 

補焊也是一個冶金過程,涉及到金屬液的熔化和凝固,因此若工藝控制不當(dāng),還會產(chǎn)生補焊氣孔及縮松縮孔缺陷,甚至保護氣氛的不純凈會造成補焊區(qū)域的氧含量增加,導(dǎo)致補焊接頭的硬化和脆化。所以,在對鑄件進行補焊時,應(yīng)嚴(yán)格控制補焊工藝參數(shù)及氣氛,尋找最優(yōu)的補焊后的熱處理工藝,同時注意加強補焊后的質(zhì)量檢驗。

 

結(jié)論及建議

 

通過對疑似缺陷位置進行剖切檢驗發(fā)現(xiàn),X射線圖像中黑斑位置的化學(xué)成分與基體的基本相同,黑斑顯示系顯微組織差異引起X射線圖像差異,黑斑區(qū)域為鑄造補焊組織,而非缺陷;該黑斑組織對材料力學(xué)性能沒有明顯的影響,不會影響產(chǎn)品使用。由于此毛坯件為外購產(chǎn)品,因此在以后的外購產(chǎn)品入廠復(fù)驗中需要尋找更加合理的缺陷識別及檢測方法,從而有效控制產(chǎn)品質(zhì)量。

 

選自:《理化檢驗—物理分冊》

作者:徐宋娟,工程師,首都航天機械有限公司

 

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來源:AnyTesting

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