钛合金锻件的超声波探伤

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1、钛合金锻件的超声波探伤钛合金比重小（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

2、金和加工质量，就是一个很重要的课题。钛合金锻件中容易出现的缺陷一.偏析型缺陷除了 偏析、 斑、富钛偏析及条状 偏析外，最危险的是间隙型 稳定偏析（I型 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 稳定偏析（ II 型 偏析） ，也因伴有裂纹并有脆性而构成危险性缺陷。二.夹杂物多是高熔点、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

3、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 0.30.5mm 的高密度夹杂物就必须予以记录） 。三.残余缩孔见实例。四.孔洞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

4、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。一.原材料的冶金质量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。例如，对

5、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。

6、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。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。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

7、机公司美国宇航材料规范美国军用规范标准名称 钛与钛合金的超声质量要求超声检验 锻制金属的超声检验钛合金的超声检验锻制金属的超声检验适用范围 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超声验收标准：单个缺陷

8、显示平底孔当量直径 mm1.2(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 mm0.4(1/64 英寸)0.8(2/64 英寸) 0.8 - 0.8中心指示间距mm25.4(1 英寸) 25.4 25.4 - 3.18(1/8 英寸)长条形缺陷显示平底孔当量直径 mm0.4(1/64 英寸)0.8 0.8 - 0.4指示长度 mm 2.38(6/64 英寸)12.7 25.4 - 3.18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%-底波损失 % 50 - 50 50 50备注 飞机用钛合金AA 级长条形缺

9、陷的长度确定：在大于 0.4mm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0.8mm 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)底波损失的确定：在有大于0.4mm 平底飞机用钛合金AA 级起始灵敏度：最大声程的0.8mm 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 0.8mm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

10、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%量长度，则指示长度=测量长度-感受直径机构名称 英国IMI 公司英国罗-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 盘件用优质钛合金锻坯通用技术条件主轴、压气机转子盘、涡轮盘及有关转动件的超声验收标准IMI

11、679钛合金压气机盘钛合金棒材与锻坯的超声检验标准制造 I 组零件用优质 TA6V自由锻件或模锻件的验收技术条件适用范围 Ti-6Al-4V 与IMI550 锻坯，直径(1)100255mm(2)255305mm斯贝发动机Ti-6Al-4V 与Ti685 锻件斯贝 MK202 发动机,IMI679(1)供应厂检验要求(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、方形或矩形锻坯直径或厚度：(1)0.54 英寸(12.7101.6mm)(2)49 英寸(101.9228.6mm)Ti-6Al-4V 直径100250mm的半成品及由其加工的锻件(1)棒材

12、直径100250mm(2)模锻件超声验收标准：单个缺陷显示平底孔当量直径 mm(1)1.2(2)1.61.27-12dB(0.05英寸-12dB)(1)1.27(2)1.27-12dB(1)0.8(2)1.2(1)1.2(2)0.5多个缺陷显示平底孔当量直径 mm- 1.27-12dB (1)1.27(2)1.27-12dB- -中心指示间距 mm- 7.62(0.3 英寸) 7.62 - -长条形缺陷显示平底孔当量直径 mm- - - - -指示长度mm- - - - -杂波水平 - 1.27-18dB (1)1.27-6dB(2)1.27-18dB不应有明显较高的杂波显示-底波损失 % -

13、 - - - -备注 发动机用钛合金坯料发动机用钛合金锻件缺陷显示总数不得多于 10 个(单件)发动机用钛合金坯料与锻件，缺陷显示总数不得多于 10 个(单件)发动机用钛合金锻坯发动机用钛合金由表 1 可见，要达到这样高的验收标准，不仅对探伤人员的技术水平有较高要求，而且还要有性能良好的超声探伤仪及探头，如灵敏度要高，信噪比和动态范围要大，线性要好，电噪声电平要低，分辨率要高等等。2.钛合金锻件的显微组织变化对其机械性能有较显著的影响，对超声探伤中的杂波水平及底波损失的评定起到检查钛合金组织均匀性的作用，应予以充分的重视。超声波在晶界及晶内相组织上的散射可能在荧光屏上以杂波显示，也可能表现为声

14、能衰减引起底波高度的降低（底波损失） ，这两者与显微组织有一定的对应关系。根据这两项参数的评定，已经发现过粗晶、并列 组织（能造成低周循环疲劳性能下降的魏氏组织）等。就目前所作的工作来看，杂波水平高的钛合金显微组织，多表现为有完整明显的原始 晶界和平直细长的魏氏 组织（未变形的典型魏氏组织） ，或显现有多且大的条块状 相，这类组织在机械性能上表现为强度指标下降。此外，某些铸造组织残留也可能造成杂波水平较高。但就一般的过热魏氏组织，如果其原始 晶界及晶内相组织取向较紊乱无规则时，尽管这样的组织是不好的，甚至从显微组织评定是不合格的，其杂波水平却不一定偏高，说明杂波水平的评定目前还存在较大的局限性

15、。在底波损失的评定中，某些魏氏组织对超声脉冲的高频分量有较明显的衰减（如并列 组织） ，这在频谱仪上较易观察到（北京航空材料研究所钱鑫源等） ，但对工业生产上的大批量检查如何使用普通超声探伤仪，选用最佳响应频率的探头进行检测上存在一定的实际困难。应当说明的是，目前对钛合金内部偏析也尚无可靠有效的超声检测方法。总之，如何利用超声波对各种不同显微组织的响应达到控制钛合金的性能质量，是目前需要深入研究的课题（例如采用更高的、甚至上百兆赫的频率，以及使用电子计算机进行信息处理等） 。尽管如此，在目前钛合金锻件及材料的超声探伤中，杂波水平与底波损失的评定仍然是两项很有价值的指标。3.钛合金材料的超声探伤

16、中，有时由于单个大晶粒或者局部的组织不均匀造成的组织反射会以单个反射信号的形式出现，容易和真正的冶金缺陷（如高密度夹杂物、裂纹、孔洞等）的反射信号相混淆，通过试验分析认为，这种反射信号可能是由于超声反射波的相位叠加所致。在这种情况下，采用小直径探头或聚焦探头（缩小波束直径） ，提高超声频率，以相同的探测灵敏度（平底孔直径相同的试块）重新评定时，会发现其反射信号幅度明显下降，有时甚至消失，而真正的冶金缺陷的反射信号在这种情况下不会有明显变化。这种方法可以鉴别钛合金中真正的冶金缺陷与组织反射。当然，在钛合金的超声探伤中，也和其他材料的超声探伤一样，企图仅以 A 型显示的反射脉冲信号判断缺陷的性质显然