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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2019-07-30 10:49
超聲檢測(cè)
超聲檢測(cè)作為一種主要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，常常用于檢測(cè)材料與制件內(nèi)部的缺陷，其原理是利用超聲波在材料介質(zhì)中的傳播特性，即聲波在介質(zhì)傳播過(guò)程中會(huì)有能量損失，當(dāng)遇到介質(zhì)的分界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，檢測(cè)聲波反射信號(hào)的變化就可以間接地發(fā)現(xiàn)與評(píng)估材料內(nèi)部的缺陷。
鈦合金材料的超聲探傷
對(duì)于航空航天飛行器使用的各類(lèi)鈦合金材料(棒材、板材、管材、鍛件等)均需按照標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)其進(jìn)行超聲探傷檢測(cè)，如GJB 2218A－2008«航空用鈦及鈦合金棒材和鍛坯規(guī)范»中規(guī)定B類(lèi)用途的直徑不大于150mm的棒材在超聲徑向縱波檢測(cè)時(shí)，要求單個(gè)反射信號(hào)(當(dāng)量平底孔直徑)不大于?1.2mm，棒材雜波水平不能大于?1.2mm~9dB等。在實(shí)際工程實(shí)踐中，對(duì)超聲檢測(cè)存在超標(biāo)缺陷波的鈦合金產(chǎn)品進(jìn)行X射線檢測(cè)并結(jié)合解剖分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)大部分存在實(shí)質(zhì)上的內(nèi)部冶金缺陷，也有一部分沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何內(nèi)部缺陷；對(duì)于超聲檢測(cè)合格的部分鈦合金材料產(chǎn)品，在后期的低倍檢測(cè)試驗(yàn)中也有發(fā)現(xiàn)存在不可接受的偏析類(lèi)缺陷的，筆者對(duì)工程實(shí)踐中遇到的此類(lèi)實(shí)例進(jìn)行了歸類(lèi)總結(jié)。
實(shí)例分析
1、鈦合金棒材內(nèi)部的過(guò)熱組織
某批次直徑為70mm的TC4鈦合金棒材在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)其心部位置存在明顯的超標(biāo)缺陷反射波，缺陷區(qū)域超聲檢測(cè)反射信號(hào)如圖1所示，超聲檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T 5193－2007中A1級(jí)要求執(zhí)行，縱向移動(dòng)探頭發(fā)現(xiàn)其沿棒材長(zhǎng)度分布，約150mm長(zhǎng)。
圖1 ?70mmTC4鈦合金棒材缺陷區(qū)超聲檢測(cè)曲線
對(duì)該段TC4鈦合金棒材進(jìn)行解剖分析，縱向解剖剖面在進(jìn)行低倍腐蝕觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)棒材中心區(qū)域存在3mm左右寬度的亮條，低倍試驗(yàn)照片如圖2所示；隨后對(duì)中心亮條區(qū)域與正常區(qū)域進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分分析和高倍組織觀察，微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果表明二者之間沒(méi)有明顯區(qū)別，但是高倍組織觀察發(fā)現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域的組織存在較為明顯的差異，正常區(qū)域高倍組織如圖3所示，亮條區(qū)域高倍組織如圖4所示，可以看出正常區(qū)域高倍組織為典型的雙相等軸晶，而亮條區(qū)域高倍組織為片狀組織，這種組織在高標(biāo)準(zhǔn)要求的鈦合金棒材中是不允許存在的。在超聲檢測(cè)時(shí)，由于該區(qū)域集中聚集了數(shù)量眾多的尺寸粗大的片狀α相，對(duì)于入射聲束的反射明顯強(qiáng)于周?chē)鄬?duì)細(xì)小的等軸α相區(qū)，在超聲檢測(cè)時(shí)可以有效發(fā)現(xiàn)，但是由于其與周?chē)慕M織沒(méi)有明顯的不連續(xù)截面，所以其反射信號(hào)的幅度較低。
圖2 ?70mmTC4鈦合金棒材解剖后的低倍形貌
圖3 ?70mmTC4鈦合金棒材正常區(qū)域顯微組織形貌
圖4 ?70mmTC4鈦合金棒材缺陷區(qū)域顯微組織形貌
2、鈦合金棒材內(nèi)部的孔洞類(lèi)缺陷
某批次直徑為190mm的TC4鈦合金棒材在進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在明顯的超標(biāo)缺陷反射波，超聲檢測(cè)反射信號(hào)如圖5所示。
圖5 ?170mmTC4鈦合金棒材超聲檢測(cè)曲線
為了確定此顯示信號(hào)對(duì)應(yīng)的是何種內(nèi)部缺陷的反射信號(hào)，切取該段TC4鈦合金棒材對(duì)其進(jìn)行超聲檢測(cè)缺陷定位，對(duì)定位的缺陷進(jìn)行解剖分析。
解剖試樣低倍觀察發(fā)現(xiàn)存在裂紋類(lèi)缺陷，在高倍光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)其實(shí)際為孔洞型缺陷，高倍觀察圖片如圖6所示，可見(jiàn)該區(qū)域?yàn)榇嗔褏^(qū)，缺陷孔洞邊界為脆性的單相組織及富α相組織，而正常區(qū)域則為等軸α＋β相組織。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分分析，結(jié)果表明該缺陷區(qū)域碳、氧元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常范圍，見(jiàn)表1。
圖6 ?170mmTC4鈦合金棒材顯微組織形貌及缺陷區(qū)SEM形貌
表1 缺陷區(qū)能譜分析結(jié)果
通過(guò)綜合試驗(yàn)后確定該缺陷為硬α型缺陷，硬α缺陷的來(lái)源主要是使用的海綿鈦中存在氧化或碳化、氮化的硬塊，是海綿鈦在生產(chǎn)過(guò)程中工藝控制不當(dāng)造成的。這類(lèi)硬α缺陷硬度高、熔點(diǎn)高且沒(méi)有塑性，在真空熔煉過(guò)程中不能被有效熔化，加上其為脆性?shī)A雜，在隨后的鍛造過(guò)程中破裂形成了孔洞或裂紋，由于這種缺陷屬于組織不連續(xù)的缺陷，在超聲檢測(cè)過(guò)程中可對(duì)入射的聲束形成很強(qiáng)的反射，所以其反射信號(hào)的幅度較高。
3、鈦合金板材內(nèi)部的過(guò)熱組織
批量生產(chǎn)的厚度12mm的TC4鈦合金板材在進(jìn)行成品超聲波探傷檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別產(chǎn)品較大范圍內(nèi)存在明顯的超標(biāo)缺陷反射波，超聲檢測(cè)方法及合格性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T 5193－2007中A1級(jí)要求執(zhí)行。
為了確定此不合格缺陷信號(hào)對(duì)應(yīng)的是何種內(nèi)部缺陷，對(duì)發(fā)現(xiàn)缺陷波區(qū)域的TC4鈦合金板材進(jìn)行了解剖分析，縱向解剖剖面在進(jìn)行高倍組織觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)其存在粗大的α塊條，高倍組織如圖7所示，隨后對(duì)其進(jìn)行了化學(xué)成分能譜分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。
圖7 12mm厚TC4鈦合金板材顯微組織形貌
表2 不同組織區(qū)域能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
%
從能譜分析結(jié)果可知，組織異常區(qū)域的化學(xué)成分是正常的，不存在化學(xué)成分偏析的問(wèn)題。隨后查閱軋制工藝參數(shù)，綜合分析認(rèn)為是由于軋制溫度過(guò)高，在板材局部位置形成了過(guò)熱組織，即粗大的晶界板條狀α相，由于這種粗大的晶界板條狀α相的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周邊的正常組織(中等軸α相)，兩者之間存在明顯的界面，這種界面對(duì)入射的聲束形成很強(qiáng)的反射，所以其反射信號(hào)的幅度較高。后續(xù)對(duì)該板材產(chǎn)品的軋制溫度進(jìn)行了調(diào)整(降低10~30℃)，批量生產(chǎn)的產(chǎn)品再也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)超聲波探傷不合格的問(wèn)題。
4、鈦合金棒材內(nèi)部的夾雜
某批直徑為45mm的TC1鈦合金棒材在進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一支棒材局部位置存在明顯的缺陷反射波，但是沒(méi)有超出產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的平底孔當(dāng)量值，超聲檢測(cè)反射信號(hào)如圖8所示。
圖8 缺陷區(qū)超聲檢測(cè)曲線
為了確定此顯示信號(hào)對(duì)應(yīng)的是何種內(nèi)部缺陷的反射信號(hào)，切取該段TC1鈦合金棒材對(duì)其進(jìn)行解剖分析，以確定其內(nèi)部缺陷的性質(zhì)與類(lèi)別。該缺陷為細(xì)小的高熔點(diǎn)難熔金屬鎢夾雜，如圖9所示，這類(lèi)異種難熔金屬夾雜類(lèi)缺陷與周?chē)w存在明顯的界面和密度差，在超聲檢測(cè)過(guò)程中可對(duì)入射的聲束形成很強(qiáng)的反射，比較容易檢測(cè)出來(lái)。
圖9 夾雜區(qū)SEM形貌
標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何異常，但是在隨后進(jìn)行的低倍組織檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)存在疑似偏析的細(xì)小亮斑，對(duì)該處進(jìn)行高倍組織觀察、微區(qū)化學(xué)成分分析及顯微硬度測(cè)試，高倍組織如圖10所示，微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表3，顯微硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，最終確定其為小范圍的化學(xué)成分偏析缺陷。
圖10 偏析區(qū)顯微組織形貌
表3 不同區(qū)域能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）
%
表4 不同區(qū)域顯微硬度測(cè)試結(jié)果
由高倍組織觀察結(jié)合微區(qū)化學(xué)成分分析可以看出，低倍亮斑區(qū)的初生α相的含量明顯高于周?chē)^(qū)域組織的，說(shuō)明該區(qū)域?yàn)?beta;穩(wěn)定元素貧化形成的富α相偏析斑點(diǎn)，微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果驗(yàn)證了這一點(diǎn)。由表3可知，偏析斑點(diǎn)區(qū)域的β穩(wěn)定元素硅、鐵、鉻、鉬元素含量均較周?chē)^(qū)域低，顯微硬度測(cè)試結(jié)果也進(jìn)一步印證了整個(gè)結(jié)論，偏析區(qū)的硬度要明顯低于正常區(qū)域的硬度，因?yàn)槠鰠^(qū)域的合金化元素相對(duì)較少，強(qiáng)化效果也就相對(duì)較低。
雖然偏析區(qū)域的初生α相數(shù)量較正常區(qū)域多，但是由于其尺寸大小及形貌特征與正常區(qū)域的幾乎一致，同時(shí)偏析區(qū)域與正常區(qū)域沒(méi)有明顯的分界面，兩個(gè)區(qū)域之間密度沒(méi)有差異。所以，在進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)時(shí)，入射的聲束不會(huì)產(chǎn)生明顯的反射，致使超聲檢測(cè)不能有效發(fā)現(xiàn)此類(lèi)較為輕微的偏析類(lèi)缺陷。
分析與討論
鈦合金產(chǎn)品在實(shí)際工程生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷有難熔物夾雜、孔洞(裂紋類(lèi))、成分偏析、組織過(guò)熱、組織不均勻等缺陷。其中難熔物夾雜、縮孔裂紋、成分偏析是在鈦合金熔煉過(guò)程中形成的，這幾類(lèi)缺陷在所有鈦合金產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中都是不允許存在的。組織過(guò)熱是在鍛造過(guò)程中形成的，組織不均勻可能是成分偏析造成也可能是鍛造工藝控制不當(dāng)造成的。
由于鈦合金熱加工工藝控制不當(dāng)形成的組織過(guò)熱和組織不均勻缺陷，普通要求的鈦合金產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是允許其存在的，不作為產(chǎn)品合格性判定的標(biāo)準(zhǔn)之一；而較大范圍的組織不均勻、組織過(guò)熱缺陷由于存在明顯的界面，在超聲波無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中反射聲束會(huì)形成超標(biāo)缺陷波，但有的仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求，如果不加以區(qū)別，容易造成產(chǎn)品的誤判與不必要的損失。一方面要從反射波形上對(duì)其加以分析與區(qū)別，組織過(guò)熱或不均勻形成的反射波一般情況下范圍較大、波形寬且低、不同方向變化較大，而夾雜、孔洞類(lèi)缺陷的反射波一般情況下范圍較為集中、波形窄而高、不同方向變化??；另一方面還是要優(yōu)化熱成型過(guò)程的加熱溫度、變形量、變形速率等工藝參數(shù)，盡可能避免出現(xiàn)內(nèi)部組織過(guò)熱、不均勻等現(xiàn)象。
結(jié)論
從上述工程實(shí)踐實(shí)例可以看出，對(duì)于難熔物夾雜、孔洞(裂紋)類(lèi)的內(nèi)部缺陷，由于存在明顯的界面和密度差，采用超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以有效檢測(cè)發(fā)現(xiàn)；對(duì)于成分偏析類(lèi)缺陷，由于沒(méi)有明顯的界面和密度差，采用超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不能有效發(fā)現(xiàn)，偏析類(lèi)缺陷只能依靠低倍檢查發(fā)現(xiàn)，而低倍檢查屬于破壞性的抽樣檢查，所以為了避免合金中的偏析缺陷，只能加強(qiáng)原材料控制和優(yōu)化熔煉工藝，嚴(yán)格控制工藝源頭。
作者：張利軍，高級(jí)工程師，西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司
來(lái)源：理化檢驗(yàn)
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