林立志,楊平華,韓 波,梁 菁
(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院,北京 100095;2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室,北京 100095;3.中國航空發(fā)動機集團 材料檢測與評價重點實驗室,北京 100095;4.材料檢測與評價航空科技重點實驗室,北京 100095)
鈦合金是20世紀50年代興起并開始應用于航空航天領域的重要金屬材料,具有質(zhì)量小、抗腐蝕性能好等優(yōu)點。Ti-6Al-4V是一種α+β雙相鈦合金,具有良好的綜合性能,是使用較廣泛的一種鈦合金[1]。
激光選區(qū)熔化(SLM)技術利用高能束激光直接熔化金屬粉末,逐層疊加形成高性能的金屬零部件。該技術不受構件復雜程度的影響,可直接制備出具有形狀復雜、尺寸精度高、組織結構致密、性能穩(wěn)定等特點的構件,且后續(xù)加工量少,在航空航天等領域具有廣闊的應用前景[2-3]。近年來,該項技術發(fā)展迅速,已應用于某些飛機用鈦合金結構件,受到了國內(nèi)外的高度關注[4-5]。然而,由于SLM技術的特殊性,基于SLM技術制作的Ti-6Al-4V鈦合金構件在組織和缺陷特征上與傳統(tǒng)鍛件的不同,因此必須針對SLM制件的特殊性開展無損檢測研究[6]。
近年來,很多學者針對SLM制件開展了無損檢測研究。張祥春等[7]開展了SLM成形對比試件、缺陷模擬試件和實際樣件的工業(yè)CT(計算機斷層成像)檢測研究,結果表明,工業(yè)CT技術能有效檢測出激光選區(qū)熔化增材制造材料中的孔洞及裂紋等典型缺陷。王敬釗等[4]針對厚度為10 mm的Ti-6Al-4V鈦合金構件的內(nèi)部缺陷,分別進行了常規(guī)射線照相檢測和微焦點CT試驗,結果表明,微焦點CT技術具有更高的檢測靈敏度,可用于不同尺寸缺陷的識別與表征。上述研究只針對較薄SLM材料宏觀缺陷的檢測,并未對SLM材料的自身性能以及相對較厚試件進行細致而深入的研究。
筆者針對SLM成形鈦合金,開展了不同成形方向聲特性差異分析,通過進行不同參數(shù)下的水浸超聲檢測試驗,確定了超聲檢測對選區(qū)熔化鈦合金的檢測能力以及最佳檢測參數(shù),選取典型異常部位進行了CT檢測,驗證了超聲檢測的有效性。
采用一塊尺寸為50 mm×50 mm×50 mm(長×高×寬)的含有自然缺陷的SLM成形Ti-6Al-4V鈦合金試件進行試驗。對試件上表面進行磨光加工,消除表面狀態(tài)對檢測結果的影響,試件外觀如圖1(a)所示。試件的沉積方向(方向z)及步進方向和掃描方向如圖1(b)所示。
采用USIP40型超聲波探傷儀和SM-J6B-300型掃描器進行超聲波聲速、衰減以及超聲檢測能力的水浸法檢測試驗。試驗所采用的探頭參數(shù)如表1所示。
表1 探頭參數(shù)
采用phoenix vltomelx m型300 kV/180 kV微納米CT系統(tǒng)的三代錐束CT掃描模式對超聲檢測顯示的異常信號進行微納米工業(yè)CT驗證。
試驗時,先分別對比SLM鈦合金試件不同成形方向的聲速和衰減,以分析其不同方向聲特性的差異,進而了解SLM材料的方向性特征;其次,在不同水距下對SLM鈦合金試件進行超聲檢測試驗,通過檢測靈敏度、信噪比和近表面分辨力的對比,確定超聲檢測的能力,以及最佳檢測參數(shù);最后,選擇超聲檢測典型異常部位進行工業(yè)CT檢測,驗證超聲檢測方法的有效性,并確定缺陷的類型及尺寸。
采用表1中2#探頭分別對試件不同成形方向的聲速進行水浸試驗,結果如表2所示。
表2 不同成形方向的聲速對比
由表2可見,SLM鈦合金沉積方向的聲速高于其他兩個方向的,沉積方向聲速為6 226 m·s-1,步進方向聲速為6 175 m·s-1,掃描方向聲速為6 180 m·s-1,表現(xiàn)出一定的方向性差異;SLM鈦合金與相同材料的鍛件相比,聲速差異在100 m·s-1以內(nèi)。
使用表2所列不同參數(shù)的3個水浸探頭進行不同成形方向的底波幅度掃查,比較不同方向的聲束衰減情況,間接評價不同方向組織及其內(nèi)部質(zhì)量的差異。圖2~4分別為采用不同探頭掃查得到的鈦合金試件不同方向的C掃描圖像,每個探頭不同成形方向均采用同一掃查靈敏度??梢姡瑹o論是采用平探頭還是聚焦探頭,抑或是不同頻率的聚焦探頭,得到的底波幅度結果都較為均勻;無論是相同成形方向不同位置,還是不同成形方向之間,均未發(fā)現(xiàn)明顯的底波衰減不均勻現(xiàn)象。由此可見,SLM成形鈦合金在不同方向的底波衰減沒有明顯差異,未發(fā)現(xiàn)明顯方向性。
圖2 1#探頭底波損失C掃描圖像
圖3 2#探頭底波損失C掃描圖像
圖4 3#探頭底波損失C掃描圖像
圖5為SLM鈦合金不同成形方向的金相組織。從不同成形方向的組織特征來看,不同方向的金相組織存在一定差異,沉積方向可見明暗相間的類似等軸晶組織,垂直于沉積方向可見自下而上生長的柱狀晶組織,且具有明顯的晶界。
超聲波聲速與合金的相狀態(tài)(彈性常數(shù)、密度)是相關的,而合金的超聲衰減主要是由各種相界面的散射引起的。由于底波衰減并沒有明顯的差異,可見等軸晶組織與柱狀晶組織引起了材料彈性常數(shù)或密度的不同,但并未引起材料散射強度的變化。
圖5 SLM鈦合金不同成形方向的金相組織
為了探究后續(xù)SLM材料超聲檢測能力試驗中對比試塊的適用性,筆者也比較了SLM鈦合金與鈦合金鍛件的衰減幅度。表3為不同探頭檢測SLM鈦合金和同厚度(50 mm厚)鈦合金鍛件時底波幅度達到熒光屏滿刻度80%所需增益,可見無論是采用平探頭還是聚焦探頭,SLM成形鈦合金與同厚度鍛件底波幅度衰減差異都不大于1 dB。因此,在不具備相同成形工藝對比試塊的情況下,可采用鍛件試塊替代SLM鈦合金試塊進行檢測能力分析。
表3 底波幅度達到熒光屏滿刻度80%所需增益
為了分析超聲檢測方法對SLM成形鈦合金材料的檢測能力,對鈦合金試件進行了檢測試驗。因為聚焦探頭可提高聚焦區(qū)內(nèi)小缺陷檢測的信噪比,所以采用表1中所列的兩種聚焦探頭,選用鍛造成形鈦合金試塊作為參考基準制作DAC曲線(距離-幅度曲線),在不同水距下對選區(qū)熔化鈦合金試件進行超聲檢測試驗。
表4為A,B,C,D四組檢測試驗的檢測參數(shù)。A,B組使用探頭型號為3#(5 MHz聚焦探頭),掃查靈敏度都為在DAC的基礎上提高12 dB(φ0.4 mm平底孔當量),區(qū)別在于水距分別為150 mm以及50 mm;C,D組使用探頭型號為2#(10 MHz聚焦探頭),掃查靈敏度同樣為φ0.4 mm平底孔當量,區(qū)別在于水距分別為36,76 mm;檢測時根據(jù)探頭的近表面分辨力來設置可掃查范圍。
表4 檢測參數(shù)
表5為A,B,C,D四組檢測參數(shù)下的近表面分辨力以及信噪比。由結果可見,無論使用5 MHz還是10 MHz聚焦探頭,均可達到φ0.4 mm平底孔當量的檢測靈敏度,信噪比均高于12 dB。在φ0.4 mm平底孔當量檢測靈敏度下,采用5 MHz聚焦探頭時近表面盲區(qū)在10 mm以上,采用10 MHz聚焦探頭時近表面盲區(qū)不大于5 mm,可以看出,10 MHz聚焦探頭的近表面分辨力明顯優(yōu)于5 MHz聚焦探頭的。因此,推薦選用10 MHz聚焦探頭進行檢測。通過對10 MHz聚焦探頭在不同水距下的分辨力和信噪比進行對比發(fā)現(xiàn),對于厚度為50 mm的SLM成型試件,水距為36 mm(焦點落于10 mm處)和76 mm(焦點落于表面)時的近表面分辨力略有差異,焦點在表面時的近表面分辨力約為3 mm,優(yōu)于焦點落于被檢件內(nèi)部的分辨力(4 mm),因此建議將焦點落于表面進行檢測。
表5 不同探頭不同水距的近表面分辨力和信噪比
綜上所述,采用10 MHz聚焦探頭,使焦點落于被檢件表面,當檢測靈敏度為φ0.4 mm平底孔當量時,近表面分辨力為3 mm,可實現(xiàn)信噪比為16 dB的最佳檢測效果。
針對1#試件沿沉積方向超聲檢測發(fā)現(xiàn)的單個異常顯示F1(埋深為27.99 mm,當量為0.88.5 dB),取φ8 mm圓柱進行工業(yè)CT分析,驗證超聲檢測方法的有效性,并確定缺陷類型及尺寸等。單個異常顯示的C掃圖像及波形如圖6所示。
圖6 單個異常顯示的C掃圖像及波形示意
圖7為1#試樣的CT檢測結果。與無缺陷部位[見圖7(b)]相比,在超聲檢測發(fā)現(xiàn)單顯信號的位置,工業(yè)CT檢測發(fā)現(xiàn)多個密集分布的低密度顯示[見圖7(a)],經(jīng)分析其為密集分布的層狀未熔合缺陷。
圖7 1#試樣的CT檢測結果
可見,超聲檢測有效地檢出了選區(qū)熔化材料中的異常顯示。但由于超聲檢測所使用探頭的焦點直徑為4.8 mm,難以分辨距離特別近的多個小缺陷(總長度為4 mm左右),因此上述密集分布的小缺陷所顯示的超聲信號為單個顯示。
(1) 選區(qū)熔化Ti-6Al-4V鈦合金沉積方向聲速略高于垂直于沉積方向的,沉積方向聲速為
6 226 m·s-1,垂直于沉積方向聲速為6 175 m·s-1(步進方向),6 180 m·s-1(掃描方向),兩者表現(xiàn)出一定的方向性差異;但不同方向組織的差異并未帶來底波衰減的明顯差異。
(2) 針對厚度不大于50 mm的選區(qū)熔化鈦合金,采用10 MHz聚焦探頭對其進行檢測,使焦點落于被檢件表面,φ0.4 mm平底孔當量檢測靈敏度下近表面分辨力為3 mm,信噪比高于16 dB。
(3) 經(jīng)工業(yè)CT檢測驗證,超聲檢測有效地檢出了選區(qū)熔化材料中的異常顯示,但由于超聲檢測所使用探頭的焦點具有一定尺寸,難以分辨距離特別近的小缺陷,可結合其他檢測方法進行綜合評價。