李建文，王增勇，孟玉堂

（中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽(yáng) 621900）

鉭鎢合金具有密度大、熔點(diǎn)高、耐高溫和抗燒蝕等特點(diǎn)，擁有良好的可成型性、熱導(dǎo)性以及優(yōu)良的斷裂韌性和耐腐蝕能力。由于其優(yōu)異的性能，鉭鎢合金正逐步取代其它材料［1－3］，在許多重要領(lǐng)域作為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料和功能材料。

近期，筆者對(duì)一批1.6～3mm厚度的TaW板材采用蘭姆波進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，合格后進(jìn)行線切割加工成型處理，發(fā)現(xiàn)線切割后的板材產(chǎn)生了分層起皮等缺陷，如圖1所示。而蘭姆波檢測(cè)方法無(wú)法對(duì)已經(jīng)加工成臺(tái)階狀的薄板進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)。經(jīng)過(guò)研究，筆者利用10MHz的高頻水浸聚焦探頭，采用水浸超聲成像檢測(cè)的方法完成了TaW薄板內(nèi)部分層缺陷的檢測(cè)。

圖1 TaW板材線切割后的表面缺陷

1 蘭姆波檢測(cè)方法

蘭姆波廣泛應(yīng)用于金屬薄板內(nèi)部質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)中。對(duì)厚度＜6mm的光滑金屬板材，由縱波與垂直偏振的橫波合成的蘭姆波具有很高的探傷靈敏度。前期對(duì)TaW薄板內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)采用蘭姆波檢測(cè)方法［4］，利用不同頻率的可變角探頭，發(fā)現(xiàn)在頻率為1.25MHz，入射角為38°檢測(cè)TaW板時(shí)，板端面和人工缺陷的反射回波前沿陡峭、無(wú)雜波，且板邊盲區(qū)和探頭前沿盲區(qū)較小。據(jù)此用研制的1.25P15×20 38°蘭姆波超聲換能器對(duì)1.6mm厚的TaW板材進(jìn)行檢測(cè)，不但可以穩(wěn)定檢出φ0.4mm左右的缺陷，而且孔徑與蘭姆波反射幅值呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系（圖2）。

圖2 不同TaW板孔徑與蘭姆波反射幅值的線性關(guān)系

盡管蘭姆波檢測(cè)方法的靈敏度較高，且檢測(cè)速度快、效率高，但由于是采用固定角度和單一模式的蘭姆波進(jìn)行檢測(cè)，因此對(duì)不同深度和類型的缺陷檢測(cè)能力相差很大。文獻(xiàn)［5］認(rèn)為對(duì)不同深度的缺陷，一種模式的蘭姆波不能發(fā)現(xiàn)，而用另一種模式的蘭姆波卻能清楚地檢測(cè)出來(lái)。文獻(xiàn)［6］認(rèn)為蘭姆波探傷方法不太適用于檢測(cè)薄板內(nèi)的分層和折疊缺陷，對(duì)于貼合緊密而面積很大的分層缺陷，蘭姆波可能在通過(guò)時(shí)變換成在分層上下方同時(shí)存在的其它模式的波繼續(xù)前進(jìn)，最終被探頭檢測(cè)到信號(hào)。盡管可能根據(jù)蘭姆波模式轉(zhuǎn)換及群速度變化所導(dǎo)致的板材端頭的反射回波位置變化來(lái)進(jìn)行判斷，但是漏檢的可能性很大。而且加工成較小尺寸的臺(tái)階狀的結(jié)構(gòu)也無(wú)法采用蘭姆波繼續(xù)檢測(cè)，因此研究采用高頻水浸聚焦成像檢測(cè)方法檢測(cè)TaW薄板分層缺陷。

2 水浸超聲檢測(cè)方法

水浸縱波檢測(cè)主要針對(duì)分層缺陷，采用超聲縱波垂直穿過(guò)TaW薄板，在分層界面處引起反射，其類似于超聲波在均勻介質(zhì)中異質(zhì)薄層界面引起的反射，聲壓反射率r可由以下公式計(jì)算得到：r＝（z2－z1）／（z2＋z1），其中z1為 TaW 板中超聲波傳播的聲阻抗；z2為分層缺陷中空氣層異質(zhì)中超聲波傳播的聲阻抗。TaW板聲阻抗為66.3×106kg／m2·s，空氣的聲阻抗約為0.000 4×106kg／m2·s，因此超聲波通過(guò)大面積厚度小的異質(zhì)薄層時(shí)，只要其間隙大于10－4～10－5mm，都會(huì)在分層處產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，在超聲A掃描顯示上表現(xiàn)為分層處缺陷波尖銳陡峭，波形幅值高，非常容易識(shí)別。同時(shí)底面波快速下降，甚至完全消失。因此水浸超聲縱波檢測(cè)方法是一種非常靈敏的分層缺陷檢測(cè)方法。檢測(cè)采用10MHz的高頻水浸聚焦探頭，能夠清晰區(qū)分薄至1.6mm的TaW板上下界面，聚焦聲束直徑小至約1mm，能夠靈敏地檢測(cè)小面積的分層缺陷。

對(duì)8件TaW板材進(jìn)行了水浸聚焦超聲成像檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有三件存在超標(biāo)缺陷，對(duì)其中一件最嚴(yán)重的部位進(jìn)行了水浸成像檢測(cè)，其檢測(cè)波形和C掃描圖像結(jié)果如圖3，中間為分層缺陷區(qū)域，長(zhǎng)度約20mm。從水浸檢測(cè)A掃描波形及C掃描結(jié)果可以看出：

圖3 1.6mm TaW板水浸檢測(cè)A掃描波形及C掃描結(jié)果

（1）10MHz水浸聚焦探頭能夠清晰地區(qū)分1.6mm厚度的TaW板上下層界面波。

（2）薄板中間產(chǎn)生的分層缺陷信號(hào)可以清晰地區(qū)分，說(shuō)明檢測(cè)方法有效。

為分析缺陷成因，對(duì)圖1試樣的分層起皮缺陷部位取樣進(jìn)行了金相分析，磨制的金相試樣表面宏觀形貌如圖4和5所示。

圖4為圖1所示的較嚴(yán)重的分層起皮部位的縱向切割斷面宏觀圖像及其左側(cè)分層較嚴(yán)重部位放大50倍的金相照片。從金相照片上可以看到，分層起皮缺陷靠近加工面一側(cè)，且沿著平行于線切割加工面的方向擴(kuò)展，沒(méi)有明顯的向深度方向延伸趨勢(shì)，而中心部位的金相照片中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷。圖5斷面右側(cè)為輕微分層缺陷處及中心基體位置的金相照片，從金相圖像上來(lái)看，輕微分層缺陷存在的部位距離線切割加工面的距離45μm，長(zhǎng)度410μm，大致沿表面方向擴(kuò)展，而基體中心部位無(wú)缺陷，說(shuō)明缺陷的產(chǎn)生與材料材質(zhì)及加工有關(guān)。前幾批同樣材質(zhì)的TaW板在線切割加工時(shí)，采用的設(shè)備、工藝及人員完全相同，加工成型的時(shí)候卻沒(méi)有出現(xiàn)這些情況，因此這次TaW板產(chǎn)生缺陷的原因很可能在于該批TaW材料的材質(zhì)不均勻、材料層間結(jié)構(gòu)組織結(jié)合不緊密或熱處理不當(dāng)導(dǎo)致存在內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域等，進(jìn)而在線切割加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生薄的近表層分層缺陷。

為驗(yàn)證此判斷，對(duì)產(chǎn)生分層缺陷的TaW板材余下部位采用線切割方式加工成系列厚度相差0.5mm的臺(tái)階，然后觀察線切割加工面狀況，其宏觀形貌如圖6所示?？梢钥闯?，每一層的表面均存在嚴(yán)重程度不同的淺凹坑缺陷（白色部位），而前面的金相解剖試驗(yàn)證明缺陷主要位于線切割加工面，不大可能每層均存在缺陷。由此可推斷材質(zhì)不佳以及線切割加工時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力是導(dǎo)致分層缺陷產(chǎn)生的主要原因。

圖6 TaW板臺(tái)階切割斷面宏觀圖像

3 結(jié)論

（1）超聲蘭姆波是一種檢測(cè)薄壁板材內(nèi)部缺陷較靈敏的方法，檢測(cè)能力可達(dá)到0.4mm當(dāng)量缺陷，但采用單一模式的蘭姆波檢測(cè)緊密貼合的不同深度的缺陷存在漏檢的可能性，應(yīng)采用多種模式的蘭姆波綜合檢測(cè)，或補(bǔ)充水浸超聲縱波檢測(cè)方法。

（2）高頻水浸聚焦超聲縱波成像檢測(cè)方法是檢測(cè)薄壁板材分層缺陷十分靈敏有效的方法，能夠檢測(cè)出貼合非常緊密的分層缺陷。

（3）破壞試驗(yàn)和金相分析表明，該TaW板加工后出現(xiàn)的缺陷均位于線切割加工表面或近表面的位置，初步判斷為材質(zhì)不均勻、材料層間結(jié)構(gòu)組織結(jié)合不緊密以及熱加工等原因?qū)е麓嬖趦?nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域，進(jìn)而在線切割加工時(shí)產(chǎn)生薄的表層分層缺陷。

［1］胡忠武，李中奎，張廷杰.鉭及鉭合金的新發(fā)展和應(yīng)用［J］.稀有金屬與硬質(zhì)合金，2003，31（3）：34－36.

［2］彭海健，閆曉東，李德富.鉭在破甲彈藥型罩中的應(yīng)用［J］.稀有金屬，2006，30（5）：678－681.

［3］黃金昌.鉭及其合金的性能和在化工中的應(yīng)用［J］.稀有金屬快報(bào)，1995（3）：1－3.

［4］王增勇，李建文，孫朝明.鉭鎢合金薄板的蘭姆波檢測(cè)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2009，31（9）：689－690.

［5］范同俐，廖玉齡.金屬薄板中蘭姆波的激勵(lì)及分層的檢查方法［J］.無(wú)損檢測(cè)，1982，4（6）：6－10.

［6］鄭開(kāi)勝，劉景忠，白寶陽(yáng).薄板蘭姆波探傷方法的評(píng)價(jià)［J］.無(wú)損檢測(cè)，1994，16（9）：247－248.