鈦合金比重小(約4.5)、熔點(diǎn)高(1600℃左右)、塑性好，具有比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)，能在高溫下長期工作(目前熱強(qiáng)鈦合金已用于500℃)等優(yōu)點(diǎn)，因而已經(jīng)越來越多地用作飛機(jī)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要承載部件，除了鈦合金材料的鍛件外，還有鑄件、板材(如飛機(jī)蒙皮)、緊固件等等。現(xiàn)代國外飛機(jī)上采用鈦合金的重量比已經(jīng)達(dá)到30%左右，可見鈦合金在航空工業(yè)上的應(yīng)用有著廣闊的前途。當(dāng)然，鈦合金也存在如下缺點(diǎn)：例如變形抗力大、導(dǎo)熱性差、缺口敏感性較大 (1.5左右)、顯微組織的變化對(duì)機(jī)械性能影響較顯著等，從而導(dǎo)致在冶煉、鍛造加工和熱處理時(shí)的復(fù)雜性。因此，采用無損檢測(cè)技術(shù)以保證鈦合金制品的冶金和加工質(zhì)量，就是一個(gè)很重要的課題。
鈦合金鍛件中容易出現(xiàn)的缺陷
一、偏析型缺陷
除了β偏析、β斑、富鈦偏析及條狀α偏析外，最危險(xiǎn)的是間隙型α穩(wěn)定偏析(I型α偏析)，其周圍常伴有細(xì)小的孔洞、裂紋，含有氧、氮等氣體，脆性較大。還有富鋁型α穩(wěn)定偏析(II型α偏析)，也因伴有裂紋并有脆性而構(gòu)成危險(xiǎn)性缺陷。
二.夾雜物
多是高熔點(diǎn)、高密度的金屬夾雜物。由鈦合金成分中高熔點(diǎn)、高密度元素未充分熔化留在基體中形成(例如鉬夾雜)，也有混在冶煉原材料(特別是回收材料)中的硬質(zhì)合金刀具崩屑或不適當(dāng)?shù)碾姌O焊接工藝(鈦合金的冶煉一般采用真空自耗電極重熔法)，例如鎢極電弧焊，留下的高密度夾雜物，如鎢夾雜，此外還有鈦化物夾雜等。
夾雜物的存在容易導(dǎo)致裂紋的發(fā)生與擴(kuò)展，因此是不允許存在的缺陷(例如蘇聯(lián)1977年的資料中規(guī)定，鈦合金X射線照相檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)直徑0.3~0.5mm的高密度夾雜物就必須予以記錄)。
三.殘余縮孔
見實(shí)例。
四.孔洞
孔洞不一定單個(gè)存在，也可能呈多個(gè)密集存在，會(huì)使低周疲勞裂紋擴(kuò)展速度加快，造成提前疲勞破壞。
五.裂紋
主要指鍛造裂紋。鈦合金的粘性大，流動(dòng)性差，加上導(dǎo)熱性不好，因而在鍛造變形過程中，由于表面摩擦力大，內(nèi)部變形不均勻性明顯以及內(nèi)外溫差大等，容易在鍛件內(nèi)部產(chǎn)生剪切帶(應(yīng)變線)，嚴(yán)重時(shí)即導(dǎo)致開裂，其取向一般沿最大變形應(yīng)力方向。
六.過熱
鈦合金的導(dǎo)熱性較差，在熱加工過程中除了加熱不當(dāng)造成鍛件或原材料過熱外，在鍛造過程中還容易因?yàn)樽冃螘r(shí)的熱效應(yīng)造成過熱，引起顯微組織變化，產(chǎn)生過熱魏氏組織。
鈦合金鍛件超聲探傷的幾個(gè)問題
除了一般鍛件超聲探傷方法中應(yīng)當(dāng)注意的問題外，鈦合金鍛件的超聲探傷還有以下幾個(gè)需要注意的問題。
一. 原材料的冶金質(zhì)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，結(jié)合考慮我國鈦工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況(原材料、工藝等)，加上鈦合金價(jià)格昂貴，加工困難，并且鍛件的形狀一般都比較復(fù)雜，使得鍛件的超聲探傷存在一定的困難(例如死角、盲區(qū)、探測(cè)方向不利等)，為了將質(zhì)量隱患盡早阻絕在初始階段，應(yīng)該嚴(yán)格把好原材料的冶金質(zhì)量關(guān)，其超聲驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該從嚴(yán)要求，其方法也應(yīng)該更為詳細(xì)。
例如，對(duì)鈦合金圓棒，除了按一般周面360°的徑向入射縱波探傷外，還應(yīng)作周面360°的弦向橫波探傷(折射角一般為45°)，以保證發(fā)現(xiàn)直探頭無法發(fā)現(xiàn)的表面和近表面缺陷(例如徑向裂紋)。對(duì)于鈦合金方坯、餅坯、環(huán)坯等除了作垂直入射的縱波探傷外，考慮到可能存在沿鍛造變形應(yīng)變線產(chǎn)生的裂紋(在橫截面上多為近似45°取向)及某些傾斜取向的缺陷，還應(yīng)作折射角45°的徑向橫波探傷(國外有些標(biāo)準(zhǔn)還要求作水中5°入射縱波檢查和折射角60°的徑向、弦向橫波檢查，如英國的RPS705和美國的DPS4.713)。
由于鈦合金探傷靈敏度要求較高，故縱波探傷宜用5MHz，橫波探傷用2.5MHz(兩者在同一材料中波長相當(dāng))的頻率。在評(píng)定、鑒別缺陷時(shí)，有時(shí)還要使用更高的頻率(如蘇聯(lián)資料建議使用20MHz的頻率)。
二. 選擇合適的檢測(cè)方法
為了確保鈦合金鍛件的質(zhì)量，除了嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量外，還必須防止在后續(xù)熱加工過程中出現(xiàn)缺陷，應(yīng)該重視鍛件的毛坯及半成品的超聲探傷，以及成品階段的X射線探傷、熒光滲透探傷和陽極化腐蝕等檢查手段，其方法的選用原則上與一般鍛件基本相同。
2. 鈦合金鍛件的顯微組織變化對(duì)其機(jī)械性能有較顯著的影響，對(duì)超聲探傷中的雜波水平及底波損失的評(píng)定起到檢查鈦合金組織均勻性的作用，應(yīng)予以充分的重視。
超聲波在晶界及晶內(nèi)相組織上的散射可能在熒光屏上以雜波顯示，也可能表現(xiàn)為聲能衰減引起底波高度的降低(底波損失)，這兩者與顯微組織有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)這兩項(xiàng)參數(shù)的評(píng)定，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過粗晶、并列α組織(能造成低周循環(huán)疲勞性能下降的魏氏組織)等。
就目前所作的工作來看，雜波水平高的鈦合金顯微組織，多表現(xiàn)為有完整明顯的原始β晶界和平直細(xì)長的魏氏α組織(未變形的典型魏氏組織)，或顯現(xiàn)有多且大的條塊狀α相，這類組織在機(jī)械性能上表現(xiàn)為強(qiáng)度指標(biāo)下降。此外，某些鑄造組織殘留也可能造成雜波水平較高。但就一般的過熱魏氏組織，如果其原始β 晶界及晶內(nèi)相組織取向較紊亂無規(guī)則時(shí)，盡管這樣的組織是不好的，甚至從顯微組織評(píng)定是不合格的，其雜波水平卻不一定偏高，說明雜波水平的評(píng)定目前還存在較大的局限性。
在底波損失的評(píng)定中，某些魏氏組織對(duì)超聲脈沖的高頻分量有較明顯的衰減(如并列α組織)，這在頻譜儀上較易觀察到(北京航空材料研究所錢鑫源等)，但對(duì)工業(yè)生產(chǎn)上的大批量檢查如何使用普通超聲探傷儀，選用最佳響應(yīng)頻率的探頭進(jìn)行檢測(cè)上存在一定的實(shí)際困難。
應(yīng)當(dāng)說明的是，目前對(duì)鈦合金內(nèi)部偏析也尚無可靠有效的超聲檢測(cè)方法。
總之，如何利用超聲波對(duì)各種不同顯微組織的響應(yīng)達(dá)到控制鈦合金的性能質(zhì)量，是目前需要深入研究的課題(例如采用更高的、甚至上百兆赫的頻率，以及使用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理等)。盡管如此，在目前鈦合金鍛件及材料的超聲探傷中，雜波水平與底波損失的評(píng)定仍然是兩項(xiàng)很有價(jià)值的指標(biāo)。
3.鈦合金材料的超聲探傷中，有時(shí)由于單個(gè)大晶粒或者局部的組織不均勻造成的組織反射會(huì)以單個(gè)反射信號(hào)的形式出現(xiàn)，容易和真正的冶金缺陷(如高密度夾雜物、裂紋、孔洞等)的反射信號(hào)相混淆，通過試驗(yàn)分析認(rèn)為，這種反射信號(hào)可能是由于超聲反射波的相位疊加所致。在這種情況下，采用小直徑探頭或聚焦探頭(縮小波束直徑)，提高超聲頻率，以相同的探測(cè)靈敏度(平底孔直徑相同的試塊)重新評(píng)定時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其反射信號(hào)幅度明顯下降，有時(shí)甚至消失，而真正的冶金缺陷的反射信號(hào)在這種情況下不會(huì)有明顯變化。這種方法可以鑒別鈦合金中真正的冶金缺陷與組織反射。
當(dāng)然，在鈦合金的超聲探傷中，也和其他材料的超聲探傷一樣，企圖僅以A型顯示的反射脈沖信號(hào)判斷缺陷的性質(zhì)顯然是不可能的，必須結(jié)合具體探傷對(duì)象的材料成分特點(diǎn)、冶煉及鍛造加工工藝，以及輔以其他無損檢測(cè)手段(如X射線照相、滲透、超聲C掃描等等)，加上探傷人員自身的經(jīng)驗(yàn)水平等進(jìn)行綜合分析判斷，必要時(shí)還要進(jìn)行解剖驗(yàn)證(包括宏觀、高倍，甚至電子顯微鏡、電子探針等手段)。因此，目前在鈦合金鍛件及原材料超聲探傷中，其質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)基本上仍以回波信號(hào)的參數(shù)為依據(jù)。
鈦合金鍛件與材料的缺陷實(shí)例
一. Φ70mm鈦合金鍛棒中的殘余縮孔
縱波(上為縱波波形照片)與橫波(下為橫波波形照片)均能發(fā)現(xiàn)，縱波探測(cè)時(shí)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的缺陷回波并造成底波降低(面積型缺陷，可大致判斷為徑向走向)，橫波探測(cè)時(shí)表現(xiàn)為清晰強(qiáng)烈的缺陷回波(裂紋狀缺陷)。右圖為橫向低倍照片(1x)。
二. 鈦合金餅坯中的鉬夾雜(高密度夾雜物)
這是冶煉時(shí)作為鋁鉬中間合金中的鉬未完全熔解而留在基體內(nèi)形成，可用縱波探測(cè)到，無論改變超聲頻率及超聲波束直徑都能很好地發(fā)現(xiàn)，并且在兩面探測(cè)時(shí)位置對(duì)應(yīng)良好。解剖后驗(yàn)證為鉬夾雜。在橫向低倍上多呈"眼睛"狀，在餅坯中的取向多與端面平行，但也有的會(huì)取向傾斜，在餅坯上不易發(fā)現(xiàn)，待模鍛成盤形件后因變形力使其取向改變到與端面平行時(shí)才易于發(fā)現(xiàn)。左圖為橫向低倍照片(2x)，右圖為按超聲束投射方向拍攝的X射線照片(外圈為鉛絲，中間的白點(diǎn)即為高密度夾雜物-鉬夾雜)
a) 環(huán)坯上的45°裂紋 橫向低倍 x1/2 b)左邊環(huán)坯裂紋高倍 100x
c)餅坯上的45°裂紋橫向低倍 x1/2 d)餅坯上的端角45°裂紋帶到模鍛盤上加工至半成品時(shí)暴露 1x
e)鍛制板狀件上的十字裂紋 x1/2
三.鈦合金餅(環(huán))坯中的45°裂紋及鍛制板狀件上的十字裂紋
這類裂紋是由鍛造引起的，特別是從鈦錠開坯鍛制餅(環(huán))坯時(shí)，往往因終端溫度過低、錘擊力過大等而沿最大變形應(yīng)力方向開裂。這種裂紋大多在開口處彌合較緊，或者整條裂紋上的開隙度很不均勻，局部彌合很緊，經(jīng)鍛造后機(jī)械加工至半成品時(shí)，如果表面恰好在彌合較緊的部位處，則用腐蝕或滲透法有時(shí)未必能發(fā)現(xiàn)，但其內(nèi)部開裂又較大，甚至出現(xiàn)孔洞(如照片b))。采用45°折射橫波是很容易探測(cè)到并可以判斷的。
三. Φ70mm鈦合金軋棒上的徑向表面裂紋
這類裂紋也屬于鍛造或軋制加工中形成的裂紋，可以用腐蝕或滲透法發(fā)現(xiàn)，采用45°折射橫波作周面弦向掃查是很容易探測(cè)到的，而用一般的縱波周面徑向入射探測(cè)是發(fā)現(xiàn)不了的。
四. a)橫向低倍x1/2 b)表面裂紋著色滲透顯示x1
a)橫向低倍x1/3 b)縱向低倍x1/2
c)中心粗晶處橫向高倍x500
五.Φ125mm鈦合金鍛棒的中心粗晶
用5P14直探頭周面徑向探測(cè)，中心部位的雜波水平(同聲程比較)達(dá)到Φ1.2mm-6dB。
a)橫向低倍x1 b)縱向低倍x1 c)中心粗晶處高倍 x250(有條塊狀α)
六.Φ70mm鈦合金軋棒中的粗晶
用5P14直探頭周面徑向探測(cè)，中心部位的雜波水平(同聲程比較)達(dá)到Φ0.8mm平底孔當(dāng)量，而正常試件上的雜波水平在Φ0.8mm-10~12dB左右。