鈦合金因其具有密度低、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、耐低溫、無磁、可焊接等優(yōu)異性能，被應(yīng)用于航空、航天、兵器、海洋等高端領(lǐng)域，如：飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片、風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、排氣裝置等零件制造，以及飛機(jī)的起落架大梁、隔框等結(jié)構(gòu)框架件。航天方面，主要用來制造各種壓力容器、燃料貯箱、堅(jiān)固件儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體、
人造衛(wèi)星、登月艙、載人飛船等。
航空航天用途鈦合金，由于其成型零件服役環(huán)境的特殊性，所以對冶煉、鍛造、乳制、檢驗(yàn)等生產(chǎn)過程提出了更高的要求。鈦合金冶金過程產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷主要有縮孔、鑄錠皮下氣孔、高密度夾雜、偏析等，對于這幾類缺陷的檢測，最經(jīng)濟(jì)、有效的檢測方法就是無損檢測，而超聲波檢測以其經(jīng)濟(jì)、靈活、對人體無害、穿透能力強(qiáng)、定位精準(zhǔn)等優(yōu)勢成為目前航空航天類產(chǎn)品無損檢測的主要方法之一。
棒材內(nèi)部孔洞缺陷、高低密度金屬或非金屬夾雜、裂紋類的缺陷，利用常規(guī)的超聲波檢測方法（如接觸法、水浸法、時(shí)差衍射法、C 掃成像法）均可以精確有效地檢出，這里不
再贅述。本文重點(diǎn)研宂、探討鈦合金小規(guī)格棒材偏析類缺陷的檢測機(jī)理和方法。
1、 超聲波檢測基本原理
超聲波在被檢測傳播時(shí)，材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測，了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)稱為超聲波檢測。超聲波檢測按原理分為脈沖反射法、衍射時(shí)差法測，其基本原理如圖1 所示。
2、 實(shí)驗(yàn)
2.1 鈦合金組織偏析
根據(jù)鈦合金的熔鑄特性，在金屬學(xué)中將偏析分為：晶內(nèi)偏析、區(qū)域性偏析、比重偏析；典型的鈦合金棒材低倍偏析和高倍偏析如圖2?4 所示。
圖3 偏析缺陷部位與基體組織有明顯過渡帶，基體組織為α+β 兩相組織，偏析處組織為網(wǎng)藍(lán)高溫組織，圖4 中組織偏析部位α相含量明顯多于基體組織中α相含量，共同之處是偏析缺陷區(qū)域與基體組織之間沒有任何間隙、孔洞或裂紋，由于偏析區(qū)域聲阻抗Z1與基體聲阻抗Z2幾乎相同，即Z1≈Z2, 假設(shè)二者之間的聲阻抗相差1% 則界面的反射率和透射率分別為：
可知，界面兩側(cè)的聲阻抗相接近時(shí)，聲壓反射率極小，透射率接近于1 , 聲能幾乎全部透射。也就是說組織偏析這種對后期產(chǎn)品的使用性能有極大影響的冶金缺陷，利用超聲波脈沖反射法是比較難檢出的，所以，對于組織偏析缺陷，行業(yè)內(nèi)公認(rèn)為用無損檢測方法是無法有效識別的，結(jié)合多年的小規(guī)格鈦合金棒材超聲波檢測經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)多次檢測實(shí)驗(yàn)和解剖數(shù)據(jù)分析對比，探討利用水浸法、高頻、聚焦的方法進(jìn)行小規(guī)格鈦棒偏析缺陷檢測的可行性。
2.2 超聲波水浸聚焦檢測原理
小規(guī)格棒材曲率半徑小， 利用水耦合方式， 結(jié)合帶凹曲的線聚焦探頭， 能夠有效避免超聲波束在異質(zhì)界面?zhèn)鬟f時(shí)的能量損失， 焦柱落在待檢區(qū)域， 能量更集中， 起到降噪作用的同時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷的能力更強(qiáng)。
水浸聚焦檢測原理圖如圖5 所示。
2.3 設(shè)備的選擇
( 1) 儀器：聲納Masterscan系列700M 超聲波探傷儀；
( 2 ) 探頭：GEISS/10MHz /0 .375" F 1.5” 線聚焦；
( 3 ) 對比試塊：φ0.4FBH 、1/4D 、1/2D 、3/4D 。對比試塊如圖6 所示。
2.4 實(shí)驗(yàn)對象
（1）TC4鈦合金棒；
（2）規(guī)格：φ40X 2000mm 。
2.5 水層距離的選擇
棒材水浸探傷的掃查方式分為兩種：一種是探頭旋轉(zhuǎn)，棒材沿軸向直線移動(dòng)；另一種是棒材旋轉(zhuǎn)，探頭沿軸向直線移動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)選用棒材旋轉(zhuǎn)，探頭直線移動(dòng)方式掃查，為了避免尺寸效應(yīng)造成的聲波能量損失，棒材聲束徑向入射探傷，將焦柱落在棒材中心附近即可。
根據(jù)超聲波的波型轉(zhuǎn)換原理，超聲波在水-鈦棒兩種異質(zhì)介面?zhèn)鞑r(shí)，會發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，如圖7 所示。
由此可知，傳播至棒材內(nèi)部的波束如果是發(fā)散的，覆蓋面積會更大，但是能量會被分散，要發(fā)現(xiàn)更小缺陷，必須確保經(jīng)波型轉(zhuǎn)換后在棒材內(nèi)部的聲束是進(jìn)一步聚焦的，那么結(jié)合線聚焦水浸探頭的固有焦距F 和待檢棒材半徑r 來確定水層距離H 就至關(guān)重要，H + R 應(yīng)大于F 。
已知：D=φ40mm ; r=20mm ; F =38.1mm :
假設(shè)理論焦點(diǎn)落在圓心，則水層與底波重合次數(shù)：
理論水距：H=18.1mm
根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用探頭的距離-振幅校驗(yàn)曲線，-2dB 范圍內(nèi)，探頭軸向有效焦柱長度約12mm (見圖8 ) , 所以，可將水層距離H 增加至22mm ，使能量集中的焦柱盡量多的覆蓋圓入射面一側(cè)的半徑截面，同時(shí)也能確保聲束入射后進(jìn)一步聚焦。
2.6 靈敏度調(diào)節(jié)
利用對比試塊法進(jìn)行靈敏度調(diào)節(jié)，分別將對比試塊上(φ0.8mmFBH ，埋深1/2D 、1/4D 處反射波幅調(diào)節(jié)至80%,取增益值最大的作為靈敏度，調(diào)節(jié)靈敏度時(shí)，可以上下微調(diào)
水層距離，根據(jù)反射波幅確認(rèn)焦柱的能量集中區(qū)域（見圖9 ) 。
2.7 缺陷掃查
進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃查時(shí)應(yīng)在原有靈敏度基礎(chǔ)上噪聲允許的情況下增加2~4dB 作為掃查靈敏度，同時(shí)應(yīng)控制掃查螺距應(yīng)不大于有效聲束的一半，利用6dB 法測量所使用探頭沿棒材軸向有效聲束寬度為6.4mm , 所以螺距就控制在約小于3mm / 周。
2.8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在掃查過程中，未發(fā)現(xiàn)大于80% 的缺陷反射信號，未觸發(fā)報(bào)警閘門，但是出現(xiàn)了高度為31% 的反射信號，調(diào)整重復(fù)頻率參數(shù)，反射信號無變化，排除幻象波可能；聲束入射角度旋轉(zhuǎn)180度。反射信號消失（見圖10 ) , 根據(jù)鈦合金棒材的鍛造軋制變形方式，金屬流線沿棒材軸向延伸，如果存在內(nèi)部缺陷，正常情況下，聲束上下表面入射均可發(fā)現(xiàn)，而上圖缺陷在聲束入射角度旋轉(zhuǎn)180 °以后無任何反射，推斷其原因，在于從下表面入射時(shí)聚焦探頭焦柱能量集中區(qū)域未覆蓋在缺陷附近所致，同時(shí)，缺陷波F左右兩側(cè)包絡(luò)線較寬，附近伴有簇狀反射信號，為內(nèi)部組織相對粗大引起。在缺陷反射位置重復(fù)掃查時(shí)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波幅反射不強(qiáng)烈，但指示長度范圍內(nèi)持續(xù)存在，推斷其為組織偏析類缺陷。
結(jié)合超聲波可以精確定位的特性，對缺陷F 部位進(jìn)行解剖分析，解剖后制備金相試樣，利用鈦合金專用金相腐蝕劑對試樣進(jìn)行腐蝕后發(fā)現(xiàn)，缺陷部位為組織偏析（見圖11 ) 。
3、結(jié)語
結(jié)合實(shí)驗(yàn)可以得出，針對于高標(biāo)準(zhǔn)、小批量、小規(guī)格的鈦合金棒材，利用超聲波水浸耦合、高頻、聚焦的方式可以有效檢出，降低了鈦合金零件在服役后出現(xiàn)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。其弊端在于缺陷部位未開口，反射信號較弱，波幅較低，在自動(dòng)在線檢測中有可能無法觸發(fā)規(guī)定當(dāng)量級別的報(bào)警閘門，容易造成漏檢，手動(dòng)檢測中，操作人員需要具備一定的判斷經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，也應(yīng)注意，在鈦合金產(chǎn)品的超聲波檢測中，除了對超標(biāo)缺陷進(jìn)行判定外，噪聲水平也應(yīng)慎重評估，尤其距離-振幅不成線性的簇狀噪聲反射。
作者簡介：孫寶洋（1984-), 男，陜西延安人，陜西天成航空材料有限公司質(zhì)量部部長、公司級首席質(zhì)量官，研究方向：鈦及鈦合金鍛件熱加工工藝、無損檢測評價(jià)等。
參考文獻(xiàn)
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