钛合金小规格棒材组织偏析超声波检测方法研究

钛合金因其具有密度低、比强度高、耐高温、耐腐蚀、耐低温、无磁、可焊接等优异性能，被应用于航空、航天、兵器、海洋等高端领域，如：飞机及发动机的压气机盘、叶片、风扇、发动机罩、排气装置等零件制造，以及飞机的起落架大梁、隔框等结构框架件。航天方面，主要用来制造各种压力容器、燃料贮箱、坚固件仪器绑带、构架和火箭壳体、

人造卫星、登月舱、载人飞船等。

航空航天用途钛合金，由于其成型零件服役环境的特殊性，所以对冶炼、锻造、乳制、检验等生产过程提出了更高的要求。钛合金冶金过程产生的内部缺陷主要有缩孔、铸锭皮下气孔、高密度夹杂、偏析等，对于这几类缺陷的检测，最经济、有效的检测方法就是无损检测，而超声波检测以其经济、灵活、对人体无害、穿透能力强、定位精准等优势成为目前航空航天类产品无损检测的主要方法之一。

棒材内部孔洞缺陷、高低密度金属或非金属夹杂、裂纹类的缺陷，利用常规的超声波检测方法（如接触法、水浸法、时差衍射法、C 扫成像法）均可以精确有效地检出，这里不

再赘述。本文重点研宂、探讨钛合金小规格棒材偏析类缺陷的检测机理和方法。

1、 超声波检测基本原理

超声波在被检测传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测，了解材料性能和结构变化的技术称为超声波检测。超声波检测按原理分为脉冲反射法、衍射时差法测，其基本原理如图1 所示。

2、 实验

2.1 钛合金组织偏析

根据钛合金的熔铸特性，在金属学中将偏析分为：晶内偏析、区域性偏析、比重偏析；典型的钛合金棒材低倍偏析和高倍偏析如图2〜4 所示。

图3 偏析缺陷部位与基体组织有明显过渡带，基体组织为α+β 两相组织，偏析处组织为网蓝高温组织，图4 中组织偏析部位α相含量明显多于基体组织中α相含量，共同之处是偏析缺陷区域与基体组织之间没有任何间隙、孔洞或裂纹，由于偏析区域声阻抗Z₁与基体声阻抗Z₂几乎相同，即Z_1≈Z₂, 假设二者之间的声阻抗相差1% 则界面的反射率和透射率分别为：

可知，界面两侧的声阻抗相接近时，声压反射率极小，透射率接近于1 , 声能几乎全部透射。也就是说组织偏析这种对后期产品的使用性能有极大影响的冶金缺陷，利用超声波脉冲反射法是比较难检出的，所以，对于组织偏析缺陷，行业内公认为用无损检测方法是无法有效识别的，结合多年的小规格钛合金棒材超声波检测经验，根据多次检测实验和解剖数据分析对比，探讨利用水浸法、高频、聚焦的方法进行小规格钛棒偏析缺陷检测的可行性。

2.2 超声波水浸聚焦检测原理

小规格棒材曲率半径小， 利用水耦合方式， 结合带凹曲的线聚焦探头， 能够有效避免超声波束在异质界面传递时的能量损失， 焦柱落在待检区域， 能量更集中， 起到降噪作用的同时发现缺陷的能力更强。

水浸聚焦检测原理图如图5 所示。

2.3 设备的选择

( 1) 仪器：声纳Masterscan系列700M 超声波探伤仪；

( 2 ) 探头：GEISS/10MHz /0 .375" F 1.5” 线聚焦；

( 3 ) 对比试块：φ0.4FBH 、1/4D 、1/2D 、3/4D 。对比试块如图6 所示。

2.4 实验对象

（1）TC4钛合金棒；

（2）规格：φ40X 2000mm 。

2.5 水层距离的选择

棒材水浸探伤的扫查方式分为两种：一种是探头旋转，棒材沿轴向直线移动；另一种是棒材旋转，探头沿轴向直线移动。本实验选用棒材旋转，探头直线移动方式扫查，为了避免尺寸效应造成的声波能量损失，棒材声束径向入射探伤，将焦柱落在棒材中心附近即可。

根据超声波的波型转换原理，超声波在水-钛棒两种异质介面传播时，会发生波型转换，如图7 所示。

由此可知，传播至棒材内部的波束如果是发散的，覆盖面积会更大，但是能量会被分散，要发现更小缺陷，必须确保经波型转换后在棒材内部的声束是进一步聚焦的，那么结合线聚焦水浸探头的固有焦距F 和待检棒材半径r 来确定水层距离H 就至关重要，H + R 应大于F 。

已知：D=φ40mm ; r=20mm ; F =38.1mm :

假设理论焦点落在圆心，则水层与底波重合次数：

理论水距：H=18.1mm

根据实验所用探头的距离-振幅校验曲线，-2dB 范围内，探头轴向有效焦柱长度约12mm (见图8 ) , 所以，可将水层距离H 增加至22mm ，使能量集中的焦柱尽量多的覆盖圆入射面一侧的半径截面，同时也能确保声束入射后进一步聚焦。

2.6 灵敏度调节

利用对比试块法进行灵敏度调节，分别将对比试块上(φ0.8mmFBH ，埋深1/2D 、1/4D 处反射波幅调节至80%,取增益值最大的作为灵敏度，调节灵敏度时，可以上下微调

水层距离，根据反射波幅确认焦柱的能量集中区域（见图9 ) 。

2.7 缺陷扫查

进行动态扫查时应在原有灵敏度基础上噪声允许的情况下增加2~4dB 作为扫查灵敏度，同时应控制扫查螺距应不大于有效声束的一半，利用6dB 法测量所使用探头沿棒材轴向有效声束宽度为6.4mm , 所以螺距就控制在约小于3mm / 周。

2.8 实验结果

在扫查过程中，未发现大于80% 的缺陷反射信号，未触发报警闸门，但是出现了高度为31% 的反射信号，调整重复频率参数，反射信号无变化，排除幻象波可能；声束入射角度旋转180度。反射信号消失（见图10 ) , 根据钛合金棒材的锻造轧制变形方式，金属流线沿棒材轴向延伸，如果存在内部缺陷，正常情况下，声束上下表面入射均可发现，而上图缺陷在声束入射角度旋转180 °以后无任何反射，推断其原因，在于从下表面入射时聚焦探头焦柱能量集中区域未覆盖在缺陷附近所致，同时，缺陷波F左右两侧包络线较宽，附近伴有簇状反射信号，为内部组织相对粗大引起。在缺陷反射位置重复扫查时，发现动态波幅反射不强烈，但指示长度范围内持续存在，推断其为组织偏析类缺陷。

结合超声波可以精确定位的特性，对缺陷F 部位进行解剖分析，解剖后制备金相试样，利用钛合金专用金相腐蚀剂对试样进行腐蚀后发现，缺陷部位为组织偏析（见图11 ) 。

3、结语

结合实验可以得出，针对于高标准、小批量、小规格的钛合金棒材，利用超声波水浸耦合、高频、聚焦的方式可以有效检出，降低了钛合金零件在服役后出现的质量风险。其弊端在于缺陷部位未开口，反射信号较弱，波幅较低，在自动在线检测中有可能无法触发规定当量级别的报警闸门，容易造成漏检，手动检测中，操作人员需要具备一定的判断经验。同时，也应注意，在钛合金产品的超声波检测中，除了对超标缺陷进行判定外，噪声水平也应慎重评估，尤其距离-振幅不成线性的簇状噪声反射。

作者简介：孙宝洋（1984-), 男，陕西延安人，陕西天成航空材料有限公司质量部部长、公司级首席质量官，研究方向：钛及钛合金锻件热加工工艺、无损检测评价等。

参考文献

[1] 范艳霞，何雪康， 吕琴. 大尺寸T B 6 钛合金超声波探伤浅析[J].热处理技术与装备，2018, 1 (12) : 36-41.

[2] 马小怀.钛合金超声波检測中杂波产生原因分析[J ].无损检測，2016，12 (22) : 649-651.

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