劉 飛，劉曉娟，李 健，陳志鵬，肖字斌，黃艷華，李 衛(wèi)，樊 凱

(湖南金天鈦業(yè)科技有限公司 湖南 常德 450018)

0 前言

鈦合金具有密度低(如Ti-6Al-4V鈦合金密度為4.5 g/cm3，是低碳鋼的57%)、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、彈性模量低、導(dǎo)熱系數(shù)小、屈強(qiáng)比高(成形回彈大)、等特性而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域已涉足航空、航天、船舶等多個(gè)行業(yè)，其中尤以航空航天工業(yè)為盛[1-3]。在航空領(lǐng)域中，鈦合金作為當(dāng)代先進(jìn)飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一，主要用于飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架部件等相關(guān)部位，且使用量在不斷增加。先進(jìn)鈦合金材料的大量采用是新一代飛機(jī)和新型發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)性的顯著標(biāo)志之一，可大幅度提高結(jié)構(gòu)減重效果和安全可靠性。美國(guó)等世界發(fā)達(dá)國(guó)家的航空用鈦量占鈦產(chǎn)量的50%以上，獨(dú)聯(lián)體和歐洲等國(guó)家的鈦產(chǎn)品也主要用于飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)[4-5]。

鈦合金棒材是加工鈦合金零部件的重要原材料，保證原材料棒材的質(zhì)量，是保障裝備正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素[6]。超聲波檢測(cè)是利用進(jìn)入被檢材料的超聲波對(duì)材料內(nèi)部缺陷及表面進(jìn)行檢測(cè)，是應(yīng)用最廣泛的無(wú)損檢測(cè)方法之一[7]。超聲檢測(cè)一般是指使超聲波與工件相互作用，就反射、透射和散射的波進(jìn)行研究，對(duì)工件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)，幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。一般常識(shí)中，超聲檢測(cè)通常指宏觀缺陷和材料厚度測(cè)量，超聲檢測(cè)時(shí)五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一，是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，超聲檢測(cè)是產(chǎn)品制造中實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制、節(jié)約原材料、改進(jìn)工藝、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要手段，也是設(shè)備維護(hù)中不可或缺的手段之一。超聲檢測(cè)按原理分為脈沖反射法、衍射時(shí)差法、穿透法、共振法。鈦合金棒材最普遍使用的是脈沖反射法檢測(cè)[8]。應(yīng)用于航空領(lǐng)域的鈦合金棒材在質(zhì)量方面要求很高，對(duì)超聲波檢測(cè)的要求亦是如此，類如JT-FCI-CL-7《X型飛機(jī)用TC4鈦合金大規(guī)格棒材技術(shù)條件》中Φ350的棒材最低探傷要求為Φ2.0-6dB；Q/BS5320—2007《鈦合金大規(guī)格棒材》中Φ200的棒材最低探傷要求為Φ1.2-6 dB；因?yàn)槌暡ǖ乃p與聲程、探傷頻率等成正比，所以，隨著聲程的增大，探傷增益的提高，超聲波的衰減也在增大。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)要求高的大規(guī)格棒材接觸法全聲程檢測(cè)時(shí)，往往會(huì)由于多半聲程中的雜波過(guò)高或滿屏而無(wú)法正常檢測(cè)；若使用常規(guī)半聲程進(jìn)行檢測(cè)，上表面存在較大盲區(qū)的問(wèn)題又無(wú)法有效解決。本文作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，旨在減小大規(guī)格鈦合金超聲接觸法檢測(cè)的檢測(cè)盲區(qū)，提高檢測(cè)靈敏度和信噪比。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用料及對(duì)比試棒用料選用湖南金天鈦業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的牌號(hào)為TC18、直徑為Φ400 mm的棒材。TC18鈦合金名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，是一種具有高強(qiáng)和高沖擊韌性的鈦合金。合金的優(yōu)點(diǎn)是在退火狀態(tài)下具有很高的強(qiáng)度(1 080 MPa),采用強(qiáng)化處理后強(qiáng)度可達(dá)1 300 MPa，且其淬透性好，截面淬透厚度可達(dá)250 mm。由于截面厚度不受淬透性限制，特別適合制造飛機(jī)大型承力構(gòu)件。采用普通低成本模鍛(在模鍛錘上進(jìn)行)、熱模鍛和等溫模鍛等多種工藝生產(chǎn)出接近最終形狀的鍛件。該合金在伊爾76 、殲15艦載機(jī)等飛機(jī)上獲得了大量應(yīng)用。

湖南金天鈦業(yè)科技有限公司是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售航空航天、兵器、海裝用高端優(yōu)質(zhì)鈦合金原材料、零部件的知名企業(yè)。公司生產(chǎn)的TC18/Φ400 mm棒材主要應(yīng)用于XX型號(hào)飛機(jī)上，棒材執(zhí)行的材料標(biāo)準(zhǔn)為YMS1507；其中對(duì)超聲波檢測(cè)驗(yàn)收的要求為，單個(gè)缺陷小于Φ3.2 mm，多個(gè)和長(zhǎng)條形缺陷小于Φ2.0 mm，雜波水平小于Φ3.2-9 dB，底波損失≤50%。在實(shí)際超聲波接觸法檢測(cè)中，為了發(fā)現(xiàn)多個(gè)或長(zhǎng)條形缺陷，儀器選用聲吶公司生產(chǎn)的D70超聲波便攜式探傷儀、探頭選用奧林巴斯生產(chǎn)的V109(5 MHz，0.5″)，用大平底計(jì)算法、按多個(gè)和長(zhǎng)條形缺陷Φ2.0FBH/80%FSH調(diào)節(jié)靈敏度進(jìn)行超聲波檢測(cè)，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果顯示，超過(guò)聲程60%范圍的雜波反射信號(hào)幅度超過(guò)100%，如圖1所示；若棒材存在超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的缺陷，則會(huì)被雜波反射信號(hào)覆蓋，存在缺陷漏檢的風(fēng)險(xiǎn)。為了提高檢測(cè)信噪比、提高檢測(cè)可靠性，選用底波反射均勻的TC18/Φ405 mm棒材，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AMS2628B對(duì)其他規(guī)格棒料試棒的要求制作對(duì)比試棒，用試棒上埋深為5～30～60～90～120～150～180～215 mm，大小為Φ2.0 mm平底孔的人工缺陷制作第一段TCG曲線，用Φ2.0mm/215 mm、Φ3.2 mm/395 mm制作第二段TCG曲線。在5～395 mm聲程范圍內(nèi)，制作兩段靈敏度不同的TCG曲線，相當(dāng)于用Φ2.0FBH/80%FSH靈敏度超半聲程檢測(cè)多個(gè)缺陷，為了盡可能的擴(kuò)大檢測(cè)范圍，第二段用不小于Φ3.2FBH/80%FSH的靈敏度進(jìn)行輔助檢測(cè)。測(cè)量實(shí)際產(chǎn)品與試棒上的衰減差異進(jìn)行衰減補(bǔ)償，然后對(duì)湖南金天鈦業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的TC18/Φ400 mm棒材進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，以驗(yàn)證新方法的合理性。

圖1 Φ2.0FBH/80%FSH靈敏度接觸法探傷時(shí)AScan圖

2 實(shí)驗(yàn)與討論

2.1 TC18/Φ405 mm試棒用料的選取

截取長(zhǎng)度為1 200 mm，表面粗糙度≤1.6 μm，底波變化幅度小于4 dB且無(wú)影響使用的缺陷存在的TC18/Φ405 mm棒料，作為試棒制作用料。棒料底波變化如圖2所示。

圖2 試棒用料距頭部距離與底波達(dá)80%增益值變化圖

2.2 TC18/Φ405 mm試棒制作

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AMS2628B對(duì)其他規(guī)格棒料試棒的要求(至少最淺表面5 mm，最深T/2+12.5 mm)；再考慮驗(yàn)證大平底計(jì)算法與試塊法靈敏度的差異以及后半聲程輔助掃查的要求，試棒制作人工反射體信息見(jiàn)表1。

表1 TC18/Φ405 mm試棒人工反射體要求

2.3 制作TCG曲線

2.3.1 儀器和探頭的選擇

為了讓試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，要讓兩種方法中的探傷工藝參數(shù)盡量一致。在本實(shí)驗(yàn)中，我們選擇與常規(guī)接觸法(大平底計(jì)算法)檢測(cè)相同的儀器探頭和耦合劑、且儀器參數(shù)設(shè)置相同。儀器、探頭、耦合劑如圖3、表2所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)中所用儀器和探頭的實(shí)物圖

表2 實(shí)驗(yàn)用儀器和探頭型號(hào)明細(xì)表

2.3.2 TCG曲線繪制

用實(shí)驗(yàn)中選取確定的儀器、探頭、耦合劑在TC18/Φ405 mm試棒上制作TCG曲線，各埋深平底孔測(cè)試靈敏度信息如表3所示，埋深5.1～215 mm、Φ2.0 mm平底孔TCG曲線實(shí)際AScan效果圖如圖4所示，埋深5.1～215 mm 、Φ2.0 mm平底孔+埋深395 mm、Φ3.2 mm平底孔TCG曲線實(shí)際AScan效果圖如圖5所示。

表3 各埋深平底孔測(cè)試靈敏度信息

圖4 埋深5.1～215 mm、Φ2.0 mm平底孔TCG曲線實(shí)際AScan效果圖：信噪比Φ2.0-18 dB

圖5 埋深5.1～215 mm、Φ2.0 mm平底孔+埋深395 mm、Φ3.2 mm平底孔TCG曲線實(shí)際效果AScan圖：信噪比Φ2.0-18 dB

2.4 用TCG曲線法檢測(cè)TC18/Φ400 mm棒料

2.4.1 衰減補(bǔ)償

實(shí)測(cè)得被檢測(cè)TC18/Φ400 mm棒料平均底波較對(duì)比試棒底波低2 dB，在TCG曲線上補(bǔ)償+2 dB。

2.4.2 檢測(cè)

用衰減補(bǔ)償后的TCG曲線，按工藝要求的檢測(cè)速度檢測(cè)TC18/Φ400 mm棒料，檢測(cè)結(jié)果顯示，探傷雜波水平為Φ2.0-(14～18)dB，如圖6所示。較常規(guī)大平底計(jì)算法接觸探傷，優(yōu)化后的超聲接觸法探傷時(shí)，整個(gè)直徑范圍可探性高，檢測(cè)信噪比、可靠性高，可以大大提高小缺陷的發(fā)現(xiàn)能力。

圖6 新方法實(shí)際檢測(cè)時(shí)TC18/Φ400 mm棒料上頭、中、尾AScan圖：雜波水平：Φ2.0-(14～18)dB

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究證明，在對(duì)航空用鈦合金大規(guī)格棒材進(jìn)行超聲接觸法探傷時(shí)，使用相同棒料制作合理的對(duì)比試棒，然后利用對(duì)比試棒上的人工傷制作TCG曲線，用制作的TCG曲線進(jìn)行衰減補(bǔ)償后對(duì)鈦合金大規(guī)格棒材進(jìn)行接觸法探傷，能夠得到較好的檢測(cè)信噪比；可以有效降低棒材的噪聲水平，提高小缺陷的發(fā)現(xiàn)能力。