钛合金锻件的超声波探伤

richardbjhe

钛合金比重小（约4.5）、熔点高（1600℃左右）、塑性好，具有比强度高、耐蚀性强，能在高温下长期工作（目前热强钛合金已用于500℃）等优点，因而已经越来越多地用作飞机和飞机发动机的重要承载部件，除了钛合金材料的锻件外，还有铸件、板材（如飞机蒙皮）、紧固件等等。现代国外飞机上采用钛合金的重量比已经达到30%左右，可见钛合金在航空工业上的应用有着广阔的前途。当然，钛合金也存在如下缺点：例如变形抗力大、导热性差、缺口敏感性较大（1.5左右）、显微组织的变化对机械性能影响较显著等，从而导致在冶炼、锻造加工和热处理时的复杂性。因此，采用无损检测技术以保证钛合金制品的冶金和加工质量，就是一个很重要的课题。
) d6 b7 [$ c9 F" }1 n$ N8 M# A                              钛合金锻件中容易出现的缺陷
, G- Z1 e/ A% d                              一.偏析型缺陷
( s: E0 |- i* K/ r                              除了β偏析、β斑、富钛偏析及条状α偏析外，最危险的是间隙型α稳定偏析（I型α偏析），其周围常伴有细小的孔洞、裂纹，含有氧、氮等气体，脆性较大。还有富铝型α稳定偏析（II型α偏析），也因伴有裂纹并有脆性而构成危险性缺陷。
                              二.夹杂物
% L; b5 Z& g8 o  A                              多是高熔点、高密度的金属夹杂物。由钛合金成分中高熔点、高密度元素未充分熔化留在基体中形成（例如钼夹杂），也有混在冶炼原材料（特别是回收材料）中的硬质合金刀具崩屑或不适当的电极焊接工艺（钛合金的冶炼一般采用真空自耗电极重熔法），例如钨极电弧焊，留下的高密度夹杂物，如钨夹杂，此外还有钛化物夹杂等。
                              夹杂物的存在容易导致裂纹的发生与扩展，因此是不允许存在的缺陷（例如苏联1977年的资料中规定，钛合金X射线照相检查时发现直径0.3~0.5mm的高密度夹杂物就必须予以记录）。
( r8 M% j" x! q+ b# C4 F                              三.残余缩孔
1 O3 D7 ~3 f' s& V  A3 C0 W: N- u                              见实例。
                              四.孔洞
' ]3 r$ C' a9 D; C                              孔洞不一定单个存在，也可能呈多个密集存在，会使低周疲劳裂纹扩展速度加快，造成提前疲劳破坏。
                              五.裂纹
# P4 ], c9 H3 f6 h$ K, {" M                              主要指锻造裂纹。钛合金的粘性大，流动性差，加上导热性不好，因而在锻造变形过程中，由于表面摩擦力大，内部变形不均匀性明显以及内外温差大等，容易在锻件内部产生剪切带（应变线），严重时即导致开裂，其取向一般沿最大变形应力方向。
                              六.过热
                              钛合金的导热性较差，在热加工过程中除了加热不当造成锻件或原材料过热外，在锻造过程中还容易因为变形时的热效应造成过热，引起显微组织变化，产生过热魏氏组织。
                              钛合金锻件超声探伤的几个问题
; I' O$ ?, n7 z* C8 w                              除了一般锻件超声探伤方法中应当注意的问题外，钛合金锻件的超声探伤还有以下几个需要注意的问题。
  h6 y0 F3 [0 r& ?# O* p5 A/ U                              一.原材料的冶金质量
/ K- E: z) y# n5 X# d, p                              前面第二部分所述的缺陷大部分是在原材料上就存在的，结合考虑我国钛工业生产的实际情况（原材料、工艺等），加上钛合金价格昂贵，加工困难，并且锻件的形状一般都比较复杂，使得锻件的超声探伤存在一定的困难（例如死角、盲区、探测方向不利等），为了将质量隐患尽早阻绝在初始阶段，应该严格把好原材料的冶金质量关，其超声验收标准应该从严要求，其方法也应该更为详细。
. s: H. _3 ~* ?                              例如，对钛合金圆棒，除了按一般周面360°的径向入射纵波探伤外，还应作周面360°的弦向横波探伤（折射角一般为45°），以保证发现直探头无法发现的表面和近表面缺陷（例如径向裂纹）。对于钛合金方坯、饼坯、环坯等除了作垂直入射的纵波探伤外，考虑到可能存在沿锻造变形应变线产生的裂纹（在横截面上多为近似45°取向）及某些倾斜取向的缺陷，还应作折射角45°的径向横波探伤（国外有些标准还要求作水中5°入射纵波检查和折射角60°的径向、弦向横波检查，如英国的RPS705和美国的DPS4.713）。
                              由于钛合金探伤灵敏度要求较高，故纵波探伤宜用5MHz，横波探伤用2.5MHz（两者在同一材料中波长相当）的频率。在评定、鉴别缺陷时，有时还要使用更高的频率（如苏联资料建议使用20MHz的频率）。
                              二.选择合适的检测方法
. S; u! U% }2 F' d                              为了确保钛合金锻件的质量，除了严格控制原材料质量外，还必须防止在后续热加工过程中出现缺陷，应该重视锻件的毛坯及半成品的超声探伤，以及成品阶段的X射线探伤、荧光渗透探伤和阳极化腐蚀等检查手段，其方法的选用原则上与一般锻件基本相同。
2 ~! A) R% s2 e- |& y1 h                              三.需要评定的几个参数
                              1.钛合金锻坯与锻件的超声波验收标准很严格，要求评定的参数也较多，目前国外航空钛合金锻件超声波探伤的验收标准如表1。
. b0 G3 |* k3 j3 Z9 W! ?" B6 _                              表1 国外航空钛合金锻件超声波探伤验收标准（最高等级）一览表
                                机构名称美国格鲁曼飞机公司美国波音
                                飞机公司美国道格拉斯飞机公司美国宇航
                                材料规范美国
                                军用规范
                                标准名称钛与钛合金的
# _% B, G9 t9 ~  ~                                超声质量要求超声检验锻制金属的
                                超声检验钛合金的
( x( ~4 o# S  H- @! J- l' ?                                超声检验锻制金属的
                                超声检验
( d/ X5 Z, T* k2 ]7 N, [2 R                                适用范围棒材,锻坯,模锻件,自由锻件(厚度≥1英寸)及厚度≥1/2英寸的板材及中间坯,直径≥2英寸的圆形件锻坯,棒材,板材,模锻件,自由锻件,挤压件及机加工零件锻件,锻坯,环形锻件,轧坯,棒材或板材,挤压棒及型材,挤压或拉制管材及其制品横截面厚度≥13mm(0.5英寸)的钛合金制品,包括圆棒,圆饼及平面制品(锻坯,板材,锻件与挤压件)横截面厚度≥1/4英寸的锻制金属及其制品:锻坯,锻件,轧坯或板材,挤压棒或轧棒及由其制成的挤压或轧制型材和零件
: N' k) l# n$ a; m+ n0 l* |: X, Y2 C, e                                超声验收标准：
                                单个缺陷显示平底孔当量直径 mm≯1.2(3/64英寸)≯1.2≯1.2≯0.8≯0.4*
                                多个缺陷显示
                                平底孔当量直径mm＞0.4(1/64英寸)≥0.8(2/64英寸)＞0.8---＞0.8
: r9 z6 [3 o" E) l* ]  A1 r' z/ `                                中心指示间距mm≮25.4(1英寸)≮25.4≮25.4---≮3.18(1/8英寸)
                                长条形缺陷显示
0 L8 {2 N' K& E, B. @8 V' a                                平底孔当量直径mm＞0.4(1/64英寸)＞0.8＞0.8---＞0.4
) M) _9 f% ]/ x4 [2 J, i                                指示长度mm≯2.38(6/64英寸)≯12.7≯25.4---≯3.18
9 U# J# ^2 @& @6 |9 m                                杂波水平≯0.4mm直径平底孔当量(1/64英寸)---见备注不高于基准参考
                                平底孔波高的70%---
. G" u6 t: d7 m9 O# q8 N                                底波损失 %≯50---≯50≯50≯50
                                备注飞机用钛合金AA级
                                长条形缺陷的长度确定：在大于Φ0.4mm平底孔当量的缺陷上移动探头至缺陷回波消失时两端的长度减去在同深度的Φ0.8mm平底孔试块上以相同方法移动测得的长度，所得差值不应大于2.38mm(6/64英寸)
0 ^/ w' x5 E3 {- S                                底波损失的确定：在有大于Φ0.4mm平底孔当量显示的区域上进行，以第一次底波与同声程的标准参考试块的第一次底波比较，其底波损失不应大于50%飞机用钛合金AA级
: j( V: K% j4 k                                起始灵敏度：最大声程的Φ0.8mm平底孔波高至少为30%荧光屏满刻度
                                长条形缺陷指示长度的确定：以试块上Φ0.8mm平底孔波高为80%满刻度，向两端移动探头至波高降为10%满刻度时两点间距离为感受直径，在此灵敏度下测定缺陷长度，以缺陷波高降到10%满刻度的两端点间距离为测量长度，则指示长度=测量长度-感受直径飞机用钛合金AI级
                                长条形缺陷长度以最大缺陷回波振幅下降到50%满刻度的两端点间距离确定
                                当与正常材料相比的底反射损失大于50%并结合在材料中的杂波有两倍增加时，材料拒收飞机、发动机用优质钛合金AA级
9 ?, p6 U2 _" B, k                                与正常材料相比的底反射损失大于50%，并伴随有上下底面之间任何信号的增加（至少两倍于正常本底噪音信号）时，产品拒收飞机用钛合金AAA级
                                * 原文如此
                                机构名称英国
                                IMI公司英国
7 B4 c/ n( ]7 z$ H' Z, H) Q6 R; x; ~                                罗-罗公司加拿大普惠
                                飞机公司法国Tm
                                发动机公司
                                标准名称IMI盘件用
: B0 [* u; G* X$ K                                优质钛合金锻坯
                                通用技术条件主轴、压气机
                                转子盘、涡轮盘
( A, C' @; ~6 j. K                                及有关转动件的
( C3 E5 v7 E7 ?+ T7 v- @                                超声验收标准IMI679
                                钛合金压气机盘钛合金棒材与锻坯
; ~% x* L6 g7 h% ?                                的超声检验标准制造I组零件用
1 t  ~# H* Q) V* @/ P                                优质TA6V自由锻件或模锻件的
9 ?( X; d" K5 v) q7 n) c                                验收技术条件
( ?: M5 q# p5 l8 J* ?                                适用范围Ti-6Al-4V与IMI550锻坯，直径(1)Φ100~255mm
- l9 N& \' l& L7 z5 w2 y                                (2)＞Φ255~305mm斯贝发动机
                                Ti-6Al-4V与Ti685锻件斯贝MK202发动机,IMI679
/ _7 a/ q# B, t5 q2 ^                                (1)供应厂检验要求
& O1 d$ a9 Y; S5 B                                (2)中间阶段检验要求用于制造盘件、轮毂、隔套、叶片等直径或厚度在0.5英寸以上的圆形、方形或矩形锻坯