Ультразвукова дефектоскопія поковок з титанових сплавів

Титановий сплав має невелику питому вагу (близько 4,5), високу температуру плавлення (близько 1600 ℃), хорошу пластичність, має високу питому міцність, корозійну стійкість, може тривалий час працювати при високих температурах (нинішній титановий сплав гарячої міцності використовується протягом 500 ℃) та інші переваги, і тому все частіше використовується як важлива несуча частина літаків та авіаційних двигунів, на додаток до поковки з титанових сплавівЄ виливки, пластини (наприклад, авіаційна шкіра), кріпленнятощо. Вагове співвідношення титанового сплаву, що використовується в сучасних іноземних літаках, досягло близько 30%, що свідчить про те, що застосування титанового сплаву в авіаційній промисловості має широке майбутнє. Звичайно, титанові сплави мають і такі недоліки: наприклад, високий опір деформації, погана теплопровідність, велика чутливість до надрізу (близько 1,5), зміна мікроструктури механічних властивостей при більш значному впливі, що призводить до складності виплавки, ковальської обробки та термічної обробки. Тому використання неруйнівний контроль технологію для забезпечення металургійного та металообробного виробництва. якість обробки поковки з титанових сплавів дуже важлива тема.

Дефекти, які легко виникають у поковках з титанових сплавів

1). Дефекти типу зміщення
Окрім β-девіації, β-плями, титанозбагаченої девіації та смугової α-девіації, найбільш небезпечною є інтерстиціальна α-стабільна девіація (тип Ⅰ α-девіації), яка часто оточена крихітними отворами, тріщинами, містить кисень, азот та інші гази, є крихкою. Існує також багата на алюміній альфа-стабільна сегрегація (тип II альфа-сегрегації), яка також супроводжується тріщинами і крихкістю і є небезпечним дефектом.
2). Включення
Переважно висока температура плавлення, висока щільність металевих включень. За складом титанового сплаву з високою температурою плавлення елементи високої щільності не повністю розплавляються при формуванні матриці (наприклад, включення молібдену), але також змішуються при виплавці сировини (особливо переробленої) при відколі твердосплавного інструменту або неправильному процесі зварювання електродом (при виплавці титанових сплавів, як правило, використовується вакуумний метод переплавлення електродів, що самопоглинається), наприклад, дугове зварювання вольфрамовим електродом, залишаючи високу щільність включень, таких як вольфрамові включення, на додаток до включень титану і т.д. .
Наявність включень може легко призвести до виникнення і розширення тріщин, тому не допускається існування дефектів (наприклад, за інформацією Радянського Союзу 1977 року, в титанових сплавах при рентгенографічному контролі виявлені включення високої щільності діаметром 0,3 - 0,5 мм повинні бути обов'язково зафіксовані).
3). Залишкова усадка
Дивіться приклади.
4). Дірка
Отвори можуть не обов'язково існувати поодиноко, але також можуть мати більше однієї щільної присутності, що прискорить розширення втомних тріщин з низькою окружністю і спричинить раннє втомне пошкодження.
5). Розтріскування
В основному відноситься до кування тріщин. В'язкість титанового сплаву велика, погана рухливість у поєднанні з поганою теплопровідністю, тому в процесі деформації кування через поверхневе тертя внутрішня деформація нерівномірна, а різниця температур всередині та зовні тощо легко утворюється зона зсуву (лінія деформації) всередині кування, що в серйозних випадках призводить до розтріскування, а її орієнтація, як правило, уздовж напрямку максимального деформаційного напруження.
6). Перегрів
Теплопровідність титанового сплаву погана, на додаток до неправильного нагрівання в процесі термічної обробки, викликаного перегрівом поковок або сировини, в процес кування також легко викликати перегрів через тепловий ефект деформації, що спричиняє мікроструктурні зміни, в результаті чого відбувається перегрів вейсівської організації.

Кілька проблем у Ультразвукова дефектоскопія поковок з титанових сплавів

На додаток до загального методу ультразвукової дефектоскопії кування, крім проблем, слід зазначити ультразвукову дефектоскопію поковок з титанових сплавів та наступні проблеми.
1). Металургійна якість сировини
Більшість дефектів, описаних у другій частині, пов'язані з сировиною, в поєднанні з розглядом фактичної ситуації у виробництві титанової промисловості Китаю (сировина, процеси тощо), в поєднанні з дорогим титановим сплавом, труднощами обробки та формою поковки як правило, складні, що робить кування ультразвукової дефектоскопії певними труднощами (наприклад, тупики, сліпі зони, напрямок виявлення несприятливий тощо), щоб якомога раніше заблокувати якість прихованих проблем на початковому Для того, щоб зупинити приховані проблеми з якістю на початковому етапі, слід суворо контролювати металургійну якість сировини, а також суворо вимагати ультразвукових стандартів приймання, а методи повинні бути більш детальними.
Наприклад, для круглий пруток з титанового сплавуНа додаток до загального кругового 360 ° радіального падіння поздовжньої хвилі виявлення поздовжньої хвилі, слід також зробити круговий 360 ° хордового поперечного виявлення хвилі (кут заломлення, як правило, становить 45 °), щоб гарантувати, що виявлення прямого зонда не може бути знайдено на поверхні та приповерхневих дефектах (наприклад, радіальних тріщинах). Для заготовки з титанового сплаву, заготовки для пирога, заготовки для кільця тощо, крім вертикального падіння поздовжнього хвильового огляду, враховуючи можливу наявність тріщин уздовж лінії деформації деформації кування (в хрест-перетин приблизно 45 ° орієнтації) і деяка орієнтація нахилу дефекту, також повинен бути 45 ° кут заломлення радіальної поперечної хвилі (деякі іноземні стандарти також вимагають 5 ° падіння поздовжньої хвилі і кут заломлення 60 ° радіальної, хордової поперечної хвилі, такі як британський RPS705 і американський RPS705). (наприклад, британський RPS705 і американський DPS4.713).
Через високі вимоги до чутливості при дефектоскопії титанових сплавів доцільно використовувати поздовжню дефектоскопію з частотою 5 МГц, поперечну дефектоскопію з частотою 2,5 МГц (обидві в одному матеріальному еквіваленті довжини хвилі). При оцінці, ідентифікації дефектів іноді використовують і більш високі частоти (наприклад, за даними Радянського Союзу рекомендувалося використовувати частоту 20 МГц).
2). Виберіть відповідний метод виявлення
З метою забезпечення якості поковок з титанових сплавів, крім суворого контролю якості сировини, але також повинні запобігати дефектам при подальшій термічній обробці, слід звертати увагу на поковки грубої та напівфабрикатної ультразвукової дефектоскопії, а також на завершену стадію рентгенівської дефектоскопії, флуоресцентної дефектоскопії та анодованої корозії та інших засобів контролю, вибір методів в принципі та загальних поковок в основному однакові.
Зміни мікроструктури поковок з титанових сплавів на його механічні властивості мають більш значний вплив на ультразвукову дефектоскопію рівня захаращеності та оцінку втрат донної хвилі, що відіграють певну роль у перевірці однорідності тканини титанового сплаву, слід приділяти повну увагу.
Розсіювання ультразвуку на границях зерен і внутрішньокристалічна фазова організація можуть бути показані на флуоресцентному екрані як паразитні хвилі, можуть також проявлятися як ослаблення акустичної енергії, викликане зменшенням висоти донної хвилі (втрата донної хвилі), обидва ці параметри мають певну відповідність з мікроструктурою. На основі оцінки цих двох параметрів були виявлені грубі кристали, юкстапозитна α-тканина (тканина Вейсса, яка може спричинити зниження низьких показників циклічної втоми за малої окружності) тощо.
З точки зору виконаної роботи, мікроструктура титанових сплавів з високим рівнем паразитних хвиль, в основному проявляється як повна і очевидна оригінальна межа β-зерен і плоска і витягнута альфа-організація Вайса (недеформована типова організація Вайса), або, як видається, має все більше і більше грудкуватої альфа-фази, такого роду організація в механічних властивостях індексу міцності знижується. Крім того, деякі залишки ливарної тканини також можуть спричинити високий рівень блукаючих хвиль. Але щодо загальної перегрітої організації Вейса, якщо вихідні межі β-зерен та внутрішньокристалічна фазова організація є більш невпорядкованими та нерегулярними, хоча така організація погана, навіть за оцінкою мікроструктури не є кваліфікованою, рівень безладу не обов'язково високий, що вказує на те, що оцінка рівня безладу все ще є великим обмеженням.
При оцінці втрат донної хвилі деякі організації Вейса мають більш очевидне ослаблення високочастотної складової ультразвукового імпульсу (наприклад, паралельна альфа-організація), що легше спостерігати на спектрометрі (Пекінський інститут авіаційних матеріалів Цянь Сіньюань та ін.), Але існують певні практичні труднощі при промисловому виробництві великомасштабної перевірки того, як використовувати звичайний ультразвуковий дефектоскоп, вибір * частоти відгуку зонда для виявлення.
Слід зазначити, що також не існує надійного та ефективного ультразвукового методу виявлення внутрішніх відхилень титанових сплавів.
Коротше кажучи, як використовувати ультразвукову реакцію на різноманітну мікроструктуру для контролю якості властивостей титанових сплавів, в даний час є предметом поглиблених досліджень (таких як використання більш високих, навіть сотень мегагерцових частот, а також використання електронних комп'ютерів для обробки інформації тощо). Тим не менш, в сучасній ультразвуковій дефектоскопії поковок і матеріалів з титанових сплавів оцінка рівня паразитних хвиль і втрат на нижній хвилі все ще є двома дуже цінними показниками.
В ультразвуковій дефектоскопії матеріали з титанових сплавівІноді відбиття від тканини, викликане одним великим зерном або локальною неоднорідністю тканини, з'являється у вигляді одного сигналу відбиття, який легко сплутати з сигналом відбиття реальних металургійних дефектів (таких як включення високої щільності, тріщини, отвори і т.д.), що може бути пов'язано з фазовою суперпозицією ультразвукових хвиль відбиття за допомогою експериментального аналізу. У цьому випадку, при використанні зонда малого діаметру або фокусування зонда (зменшення діаметра променя), збільшення частоти ультразвуку до тієї ж чутливості виявлення (плоский діаметр забою того ж тестового блоку) при повторній оцінці буде виявлено, що амплітуда відбитого сигналу значно зменшилася, а іноді навіть зникла, в той час як істинні металургійні дефекти відбитого сигналу в цьому випадку не матимуть значних змін. Цей метод дозволяє ідентифікувати справжні металургійні дефекти в титанових сплавах за допомогою тканинних відбиттів.
Звичайно, при ультразвуковій дефектоскопії титанового сплаву та інших матеріалів, таких як ультразвукова дефектоскопія, спроби показати лише імпульсний сигнал відбиття типу А для визначення характеру дефекту, очевидно, неможливі, повинні поєднуватися з конкретними характеристиками складу матеріалу об'єкта дефектоскопії, процесом виплавки та кування, а також доповнюватися іншими засобами неруйнівного контролю (такими як рентгенівська рентгенографія, інфільтрація, ультразвукове С-сканування тощо.), в поєднанні з власним досвідом персоналу з виявлення дефектів Рівень та інший всебічний аналіз та судження, при необхідності, анатомічна перевірка (включаючи макро, велике збільшення, і навіть електронну мікроскопію, електронний зонд та інші засоби). Тому в даний час при ультразвуковій дефектоскопії поковок з титанових сплавів та сировини критерії приймання якості все ще в основному базуються на параметрах ехо-сигналу.

Приклади дефектів поковок і матеріалів з титанових сплавів

1. Залишкова усадка кованого прутка з титанового сплаву Φ70 мм

Можна виявити поздовжню хвилю (вгорі на фото поздовжньої хвилі) і поперечну хвилю (внизу на фото поперечної хвилі), поздовжня хвиля виявляється як сильне відлуння дефекту і викликає зменшення нижньої хвилі (дефекти площадного типу, можна приблизно оцінити як радіальний напрямок), поперечна хвиля виявляється як чітке і сильне відлуння дефекту (тріщиноподібні дефекти). На правому рисунку показано фотографію поперечної хвилі при малому збільшенні (1x).
2. Включення молібдену в заготовці пирога з титанового сплаву (включення високої щільності)

Це виплавка, оскільки проміжний сплав алюмінію та молібдену в молібдені не повністю розплавляється і залишається в матриці для формування, доступне виявлення поздовжньої хвилі, незалежно від зміни ультразвукової частоти та діаметра ультразвукового променя, може бути добре виявлено, і розташування добре відповідає обом сторонам виявлення. Після препарування він був підтверджений як включення молібдену. У поперечному низькому кратному більше "очей", в торті заготовки орієнтація більш паралельна до торця, але деякі будуть орієнтовані похило, в торті заготовку нелегко знайти, викувати в дископодібні деталі через деформаційні сили, щоб змінити її орієнтацію на паралельну торцевій поверхні, легко знайти. Ліва фотографія - поперечна фотографія з малим збільшенням (2х), а права - рентгенівська фотографія, зроблена в напрямку проекції ультразвукового променя (зовнішнє коло - свинцевий дріт, а біла крапка посередині - включення високої щільності - включення молібдену)

a) Тріщина під кутом 45° на кільцевій заготовці, поперечна, мале збільшення x 1/2

б) Тріщина в заготовці кільця зліва при великому збільшенні 100х

в) Тріщина під кутом 45° на поперечній заготовці пирога з низьким часом x 1/2

d) Тріщина під кутом 45° на торцевій заготовці пирога, що подається на ковальську плиту для обробки до напівфабрикату, розкрита 1 раз

e) Поперечні тріщини на ковальській плиті x1/2
3. Тріщини під кутом 45° у заготовках з титанових сплавів та поперечні тріщини на кованих пластинчастих деталях
Ці тріщини виникають внаслідок кування, особливо при куванні пиріг (кільцевих) заготовок з титанових злитків, часто через низьку кінцеву температуру, надмірну силу забивання і т.д. і розтріскування вздовж напряму великого деформаційного напруження зуй. Більшість із цих тріщин у відкритті перекриття щільніше, або вся тріщина на ступінь зазору дуже нерівномірна, місцеве перекриття дуже щільне, після кування механічної обробки до напівфабрикатів, якщо поверхня виявляється на перекритті більш щільних частин, то метод корозії або проникнення іноді може бути не виявлений, але його внутрішнє розтріскування і більше, і навіть поява отворів (наприклад, на фото б)). За допомогою поперечної хвилі з кутом заломлення 45° легко виявити і оцінити.

a) Поперечне мале збільшення x 1/2

b) Відображення поверхневої тріщини, забарвленої в колір x1
4. Радіальні поверхневі тріщини на прокатному прутку з титанового сплаву Φ70мм
Ці тріщини також належать до тріщин, що утворюються в процесі кування або прокатки, які можна виявити методом корозії або інфільтрації. Їх легко виявити, використовуючи поперечну хвилю з кутом заломлення 45° для кругової хордової розгортки, тоді як їх неможливо виявити за допомогою загальної поздовжньої хвилі кругового радіального падіння.

a) Поперечне мале збільшення x 1/3

b) Поздовжнє мале збільшення x1/2

c) Поперечні максимуми x500 на центральному грубозернистому кристалі
5. Центральний грубий кристал кованого прутка з титанового сплаву Φ125 мм: рівень безладу в центральній частині (порівняно з тим же звуковим діапазоном) досягає Φ1,2 мм - 6 дБ з прямим зондом 5P14 з круговим радіальним зондуванням.

a) Поперечні мінімуми x 1

b) Поздовжнє мале збільшення x 1

в) Висока кратність x250 на центральному грубозернистому кристалі (з баром α)
6. Великі кристали в титановому прокаті Φ70мм з титанового сплаву
З прямим радіальним зондом 5P14 рівень перешкод в центрі (в порівнянні з тим же звуковим діапазоном) досягає Φ0,8 мм в еквіваленті отвору з плоским дном, в той час як рівень перешкод на нормальному зразку становить близько Φ0,8 мм - 10 ~ 12 дБ.
Випробування механічних властивостей: розтягнення при кімнатній температурі, зразки d=5 мм, взяті з центру прутка, на одному і тому ж номері печі і на одному і тому ж специфікаційному прутку.
Видно, що значення міцності та пластичності зразків з високим рівнем паразитних хвиль (більш смугаста α-фаза у високочастотній організації) відрізняються від зразків з низьким рівнем паразитних хвиль.

a) Поздовжнє мале збільшення x 1

b) Поперечне велике збільшення при грубому зерні x500

c) Поперечне велике збільшення на нормальній частині x500

d) Високе збільшення при нормальній тканині (рівень паразитних хвиль Φ0,8мм-10дБ)x250
7. Великі кристали в кованому стрижні з титанового сплаву Φ75 мм
При використанні кругового радіального зонда 5P14 з прямим зондом рівень завад в центральній частині (в порівнянні з тим же звуковим діапазоном) досягає Φ0,8мм-6дБ, а рівень завад в нормальній частині нижче Φ0,8мм-12дБ.
Випробування механічних властивостей: розтягнення при кімнатній температурі, зразок d=5 мм, один зразок в центрі зразка грубого кристалу (рівень завад Φ0,8 мм-6 дБ) і один зразок в 1/4D (рівень завад Φ0,8 мм-12 дБ або менше).
8. Середній крупний кристал заготовки з титанового сплаву (паралельна α-організація)
Використовуючи прямий зонд 5P14 з торця бісквітної заготовки для осьового зондування, рівень завад досягає Φ1,2 мм - 6 дБ або близько того. Це перегріта організація Вейса, спричинена тепловим ефектом деформації під час деформації кування.

a) Поздовжнє мале збільшення x 1

b) Високе збільшення при грубому зерні x500
9. Середній грубокристалічний шар заготовки пирога з титанового сплаву (організація Weiss)
Цей випадок також є різновидом перегрітої організації Вейса, спричиненої тепловим ефектом деформації під час деформації кування, але він не зустрічається з поздовжніми хвилями 5, 10 або навіть 15 МГц, а рівень його блукаючих хвиль нижчий за Φ0,8 мм-12 дБ, а втрати нижньої хвилі не очевидні, що виявляється після відбору зразків анатомічної корозії. Підраховано, що межі зерен і внутрішньокристалічна фазова організація розташовані в нерегулярній орієнтації, що робить поздовжні ультразвукові хвилі, розсіяні від торця заготовки пирога, осьово скасовують одна одну після розсіювання і не можуть показати більш високий рівень завад на флуоресцентному екрані.

a. Мале збільшення x 1

b. Велике збільшення бета-плями x250
10. β-пляма на переході між спицевою пластиною та маточиною штампованої деталі у формі диска з титанового сплаву
Його не було виявлено при поздовжній хвилі 5, 10 або навіть 15 МГц, втрати нижньої хвилі не були очевидними, рівень паразитних хвиль був нижчим за Φ0,8 мм - 12 дБ, β-пляма була виявлена при препаруванні частини диска.

a. Мале збільшення торцевої поверхні x 1

b. Поперечний переріз при малому збільшенні x 1

c. Торцева поверхня грубого кристалу, високі часи x100

d. Високе збільшення зони деформації перерізу x100

e. Форма сигналу при осьовому зондуванні від торця (еквівалентно Φ1,2 мм-17 дБ)
11. Грубі кристали та смуга деформації на пуансоні кільцевої заготовки з титанового сплаву
Це серцевина, пробита під час кування кільцевої заготовки з титанового сплаву. Завдяки швидкому гравітаційному удару тепловий ефект швидкої деформації призводить до утворення грубих кристалів і очевидних смуг деформації, а рівень завад досягає Φ1,2 мм-18 дБ або більше (насправді це відображення тканини на смузі деформації). Він був виявлений в осьовому напрямку від торця за допомогою західнонімецького ультразвукового дефектоскопа USIP11 з прямим зондом MB5F (частота 5 МГц, діаметр пластини 10 мм).
12. Подовжена α-тканина на спицевій пластині ковальський диск з титанового сплаву
З 5 МГц, 7°, 10ммx10ммx2 комбінований подвійний кристалічний прямий зонд (контактний метод), зонд для фокусування занурення у воду великого діаметру (діаметр пластини 50 мм, діаметр фокусної колонки 3,2 мм) і т.д. можна знайти як Φ0.8 мм діаметром з плоским дном еквівалентний одному відбитому сигналу, але при використанні більш високої частоти і зондування пластинчастим зондом малого діаметру амплітуда відбитого сигналу значно зменшується, після препарування при малому збільшенні Після препарування він виглядає як яскрава лінія довжиною близько 25 мм, а при великому збільшенні - як агрегована витягнута α-тканина.

Подовжена альфа-тканина x100
Оскільки застосування титанового сплаву продовжує сприяти, все більше і більше замінюючи сталеві важливі несучі деталі (наприклад, Сполучені Штати використовувались у цивільних літаках вагою більше однієї тонни великих авіаційних конструкційних поковок з титанових сплавів), його металургійні вимоги до якості будуть дедалі вищими, особливо використання технології ультразвукового контролю для контролю металургійної якості поковок з титанових сплавів, а також ультразвукової реакції та мікроструктури титанового сплаву, механічних властивостей взаємозв'язку між цими трьома аспектами досліджень все ще є. Попереду ще багато поглибленої роботи.
Автор: Автор: Цзіжен Ся