郑翠萍 田园 刘娅玲 田佳宾 雷龙 韩明臣 舒滢

摘  要：介绍了5种规格（各10件）TC4钛合金环材的超声检测原理、工艺方法及试验结果数据，对比分析了超声检测试验结果数据与显微组织、冲击韧性等特性的相互关系。对比分析表明：钛合金环材的显微组织不均匀，会导致超声检测时出现较高的杂波水平或单显信号，并使其冲击韧性下降。

关键词：钛合金环材;显微组织;超声检测;冲击韧性

中图分类号：TG115.28      文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）27-0106-03

Abstract： The ultrasonic testing principle， technological method and test data of five specifications （10 pieces each） of TC4 titanium alloy ring material are introduced， and the relationship between ultrasonic test data and microstructure， impact toughness and other characteristics is compared and analyzed. The comparative analysis shows that the microstructure of titanium alloy ring material is not uniform， which will lead to higher clutter level or single display signal during ultrasonic testing， and decrease its impact toughness.

Keywords： titanium alloy ring material; microstructure; ultrasonic testing; impact toughness

1 概述

鈦合金的密度低、比强度高、工作温度范围较宽和耐腐蚀能力优异，已被航空航天等领域广泛使用。与其它材料（如钢、高温合金等）相比，钛合金的缺陷敏感性较大，在冶炼过程中或是在零部件的制造、加工过程中产生的微小缺陷对部件（如叶片、盘等）的使用影响很大[1-2]。

钛合金环材主要用于航空发动机机匣、内环、安装边等部位。本文从超声检测原理出发，介绍了钛合金环材的超声检测工艺方法，并从实验角度研究了5种典型规格（各10件）TC4钛合金环材的金相组织与超声波反射信号之间的联系，为相关检测和生产工艺提供了一定借鉴。

2 检测原理

以脉冲反射技术为例，超声检测是利用高频声波

（>20000Hz）产生的脉冲波射入受检工件，若材料是均匀连续的，则声波沿一定的方向，以恒定的速度向前传播。随着距离的增加，声波的强度由于扩散和材料内部的散射和吸收而减小。当遇到两侧声特性阻抗（材料密度与声速的乘积）有差异的界面时，则部分声能被反射。这种界面可能是材料中某种缺陷（不连续），如裂纹、分层、空洞等，也可能是受检材料的外表面与空气或水的界面。反射的程度取决于界面两侧声特性阻抗差异的大小，在金属与气体的界面上几乎全部反射。通过探测和分析反射脉冲信号的幅度、位置等信息，可以确定缺陷的存在，评估其大小、位置。通过测量入射声波和接收声波之间声传播的时间可以得知反射点距入射点的距离。

通常用以发现缺陷并对缺陷进行评估的主要信息为：来自材料内部各种不连续的反射信号的存在及其幅度;入射信号与接收信号之间的声传播时间;声波通过材料以后能量的衰减。

钛合金环材常采用的超声检测有直探头检测和斜探头检测，以上两种检测方法都属于脉冲反射法。图1给出了直探头（a）和斜探头（b）检测的原理示意图，其中，f为受检中的缺陷，s为显示屏上的缺陷信号。通过分析s的幅值和位置等信息来评判缺陷的大小和位置等信息。

3 检测步骤和要求

3.1 检测原则

钛合金环材通常是由坯料锻造、镦粗，然后冲孔，再滚压制成。制造过程中产生缺陷的主要取向：与环材的外圆表面平行;所以，钛合金环材的超声检测一般以直探头外圆面检测为主，以斜探头检测为辅。

3.2 仪器和探头选择

超声检测一般采用A型脉冲反射式超声检测仪，其工作频率按-3dB测量应至少包括5MHz～10MHz频率范围。直探头标称频率一般选用1MHz～5MHz，斜探头标称频率一般选用2MHz～5MHz。

使用斜探头为超声波横波探伤，横波探伤检测钛合金环材时需满足：

a.声束入射后在被检件中仅产生折射横波;

b.横波声束能扫查到被检件的内壁。

图2给出了钛合金环材斜探头的检测方向。

根据条件a要求入射角大于第一临界角，由折射定律可知：

sin β≥VS/VL                  （1）

根据条件b要求有：

sin β≤R1/R2                  （2）

式中：β-横波折射角;

VS/VL-被检材中超声横波声速VS与纵波声速VL之比;

R1/R2-被检材内径R1与外径R2之比。

综合式（1）和式（2）可得：

VS/VL≤sinβ≤R1/R2           （3）

钛合金中，VS=3290m/s;VL=6180m/s，由此可得：

0.53≤sinβ≤R1/R2            （4）

根据（4）式，可以按照钛合金环材的内外径比例的不同，选择适当的横波斜探头。推荐采用折射角为45°（K值为1，K=tanβ）的斜探头。

仪器和探头组合性能一般参照JB/T 9214标准的规定，其中水平线性偏差不大于1%，垂直线性偏差不大于5%。

3.3 灵敏度设置和试块

通常采用带有人工平底孔或槽伤的对比试块设置钛合金环材的超声检测基准灵敏度。鉴于对比试块应与被检材料具有相同或相似声学特性，钛合金环材的超声检测对比试块一般利用受检工件壁厚或长度上的加工余量部分制作而成。

3.4 扫查

扫查灵敏度一般比基准灵敏度高3dB～6dB。耦合方式一般采用直接接触法。直探头检测和斜探头检测扫查方式有所不同，图3给出了不同径高比的钛合金环材直探头的检测方向，根据径高比的不同，主要检测方向和辅助检测方向有所不同。另外，需要注意的是，双晶直探头扫查时，探头的移动方向应与探头的隔声层相垂直。

4 试验和讨论

4.1 显微组织对超声检测的影响

材料组织对杂波水平的影响是显而易见的，起因于显微组织的弥散物、晶界以及晶粒大小等對超声波的散色混响作用，并且可能与晶格点阵位向存在的声速各向异性有关。粗大不均匀的组织可引起超声波的散乱反射，这种反射以杂波形式反映在示波屏上。但是，在晶粒尺寸不超过评级要求的情况下，什么样的组织致使探伤杂波水平偏高还有待于进一步探究。

为了探讨TC4钛合金环材中组织与杂波的关系，特对φ360mm/φ270mm×200mm、φ337mm/φ298mm×150mm、φ360mm/φ180mm×150mm、φ322mm/φ282mm×150mm和φ400mm/φ300

mm×100mm共计5种典型规格（各10件）的TC4钛合金环材进行了超声检测杂波和金相组织分析。图4给出了钛合金环材常见的金相组织照片和相应的超声检测波形，表1给出了与其对应的超声检测水平。

由图4和表1可以看出存在局部组织不均匀片状α或大块α以及晶粒度较大的组织的杂波要比均匀细小等轴α+β相组织的杂波明显高一些，存在局部偏析的组织有明显的单显信号。

分析上述相关数据，可以初步认为：粗大的不均匀组织以及片状α集束，均可能引起较高的杂波反射信号，局部的偏析可能会引起明显的单个信号显示。至于杂波与组织其它方面的对应关系，有待于相关材料及探伤界的专家进一步探讨。

4.2 显微组织对冲击韧性的影响

材料的冲击韧性主要取决于材料本身抵抗断裂能力，与合金的内部缺陷与显微组织密切相关。均匀细小的等轴组织，不会形成局部的严重位错塞积现象，从而推迟晶界的断裂和空洞的产生。较少的初生α含量减少裂纹的萌生，裂纹在次生α和初生α界面交互扩展，将不断改变方向，导致裂纹路径曲折、分枝多，因而冲击韧性好。

以上几种组织的钛合金环材的冲击韧性见表2。由表中的数据可以发现，钛合金环材的组织不均匀使其冲击韧性下降。

5 结论

杂波的主要起因于材料显微组织中的相质点、弥散物、晶界以及晶粒大小等对超声波的散射混响作用，并且与晶格点阵位向存在的声速各向异性有关。钛合金环材组织的不均匀性，会导致超声检测时出现较高的杂波水平或单显信号，并使其冲击韧性下降。

参考文献：

[1]赵爱国，史亦伟，张卫方，等.TA11钛合金棒材特性对比研究[C]//2003.

[2]焦鑫，冯辉，文宁，等.浅析钛合金板材中杂波和缺陷反射波的分辨[C]//2012.

[3]龚炼红，张振宇.钛合金半球体超声波探伤[J].航天制造技术，2002（5）.

[4]NB/T 47013.3-2015.承压设备无损检测 超声检测[S].2015.

[5]JB/T 9214-2010.无损检测A型脉冲反射式超声检测系统工作性能测试方法[S].2010.

[6]夏纪真.对钛合金超声检测中杂波水平的剖析[Z].第12届世界无损检测会议.