TI-6AI-4V 裂紋缺陷熒光滲透檢測(cè)研究*

陳振亞 沈興全 楊承昌 陳 薇

(①中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051;②上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039;③上海寶鋼化工有限公司梅山分公司，江蘇 南京 210039)

TI-6AI-4V 具有耐蝕性好、適中的塑性、比強(qiáng)度高及優(yōu)異的抗疲勞能力等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航海、航天行業(yè)，但TI-6AI -4V 導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性大、彈性模量小，使得其加工性能較差，主要表現(xiàn)為變形系數(shù)小、切削溫度高、單位面積切削力大，易造成裂紋缺陷［1］。因此檢測(cè)TI -6AI -4V 的裂紋缺陷，分析缺陷產(chǎn)生原因，提出預(yù)防缺陷方法，對(duì)改善TI -6AI -4V 已加工表面質(zhì)量、使用性能及壽命有重要意義［2］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TI-6AI-4V 裂紋缺陷及其檢測(cè)方法進(jìn)行了有益的探索。Che -Haron 等以車削的加工方式對(duì)TI-6AI-4V 表面質(zhì)量與切削用量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，但對(duì)表面的殘余應(yīng)力沒(méi)有涉及［3］。楊振朝和杜隨更等對(duì)TI-6AI-4V 的端銑加工表面質(zhì)量進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，但沒(méi)有研究顯微硬度的變化［4］。常規(guī)檢測(cè)裂紋缺陷的方法有磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)等，對(duì)于TI -6AI -4V 缺陷的檢測(cè)，熒光滲透檢測(cè)因高靈敏度、現(xiàn)象直觀等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用［5］。TI-6AI-4V 在實(shí)際加工過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋缺陷，熒光滲透檢測(cè)后的圖像見圖1。本文對(duì)熒光浸透檢測(cè)做了理論分析和試驗(yàn)研究;探討了TI -6AI -4V裂紋缺陷的產(chǎn)生原因，模擬了切削力對(duì)應(yīng)力的作用，同時(shí)試驗(yàn)切削用量對(duì)裂紋缺陷的影響，對(duì)TI -6AI -4V裂紋缺陷的檢測(cè)和預(yù)防有指導(dǎo)意義。

1 滲透檢測(cè)TI-6AI-4V 裂紋缺陷

如圖2 所示，熒光劑在TI -6AI -4V 表面滲透過(guò)程中，氣-液-固3 種界面張力相平衡［6］:

式中:γL為液-氣界面間使液滴整體收縮的界面張力;γSG為固-氣界面間使液滴表面鋪開的界面張力;γSL為固-液界面間使液滴表面收縮的界面張力。

鋪展系數(shù)SSL為:

三重界面上液體的最后位置y 可通過(guò)能量對(duì)表面元素ds 求變分得到，即:

式中:S 為缺陷內(nèi)液-氣-固界面的周界面積;p 為氣體被擠入缺陷的最后壓力;x 為X 方向上尖端界面的寬度;y 為三重界面沿裂縫長(zhǎng)度運(yùn)動(dòng)的位置。

氣體壓力的變化等于在三重界面的最后位置處的毛細(xì)管作用的壓強(qiáng)pc，即:

把式(1)、(4)代入式(3)，得:

臨界缺陷寬度:

令ds/dy=k，k 為常數(shù)，依賴于缺陷輪廓。極限缺陷尺寸范圍:

式中:dc為臨界缺陷尺度。

若cosθ=1，則

缺陷內(nèi)滲透液面高度［7］:

式中:h 為滲透液的滲入深度;b 為缺陷深度;α 為液體表面張力系數(shù)。代入式(8)得最小深入深度:

2 熒光滲透檢測(cè)技術(shù)

2.1 熒光滲透檢測(cè)工藝

熒光滲透是檢測(cè)非疏孔性金屬和非金屬試件裂紋缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法［9］，TI -6AI -4V 熒光滲透檢測(cè)工藝見圖3。首先，清洗、干燥表面，后將其浸泡在滲透劑中，由于毛細(xì)作用，滲透劑會(huì)滲入裂紋缺陷;隨后，清洗表面滲透劑，經(jīng)乳化、漂洗及干燥，缺陷中的滲透劑會(huì)回滲到表面;最后，在紫外燈下，可對(duì)TI -6AI-4V 裂紋缺陷作出判斷［10］。

2.2 熒光滲透檢測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備:YGST -800 型熒光滲透檢測(cè)裝置1臺(tái)、后乳化型滲透劑1 瓶、Z-125W 黑光燈1 臺(tái)，10 個(gè)有裂紋缺陷的TI-6AI-4V 試件，見圖4。

試驗(yàn)條件:選用后乳化型滲透劑，因其檢測(cè)靈敏度高;滲透劑和環(huán)境的溫度控制在10～40 ℃，滲透時(shí)間不少于10 min，浸沒(méi)時(shí)間不大于總滲透時(shí)間的一半;乳化時(shí)間不大于2 min;顯像檢驗(yàn)在暗室進(jìn)行，熒光燈在試件表面的輻照度應(yīng)不低于1000 μW/cm2，環(huán)境白光照度應(yīng)不大于20 lx，顯像時(shí)間為10～30 min［11］。

經(jīng)檢驗(yàn)10 個(gè)試件的裂紋缺陷均位于下端面結(jié)構(gòu)表面曲率劇烈變化處，均為局部圓形紋路狀的細(xì)小紋理，直徑約為10 mm，見圖5?？芍嚰Y(jié)構(gòu)表面曲率變化較大處易于萌生裂紋缺陷。

3 TI-6AI-4V 裂紋缺陷產(chǎn)生原因分析

TI-6AI-4V 在生產(chǎn)過(guò)程中，由于塑性加工(包括鍛造、軋制、擠壓、拉拔等)、熱處理和機(jī)械加工等操作不當(dāng)，都會(huì)造成裂紋缺陷［12］。從裂紋缺陷產(chǎn)生原因上可分為毛坯本身缺陷和應(yīng)力集中造成缺陷兩種情況，見圖6。

3.1 毛坯本身存在缺陷

對(duì)于TI -6AI -4V 試件毛坯本身缺陷采用EPOCH4 超聲波探傷儀，配有雙晶F25 探頭，用油浸法探傷，見圖7。探傷結(jié)果顯示，所有毛坯均沒(méi)有缺陷。

3.2 應(yīng)力過(guò)大形成裂紋缺陷

TI-6AI-4V 試件結(jié)構(gòu)表面曲率劇烈變化造成局部應(yīng)力集中，加工時(shí)切削力過(guò)大，材料表層屬性發(fā)生變化，形成裂紋缺陷［13］;機(jī)床振動(dòng)時(shí)，切削力大幅變化，試件受到巨大的沖擊，表層發(fā)生加工硬化，造成裂紋缺陷;使用磨損、破損刀具加工試件時(shí)，增大的刀具作用力會(huì)在試件表面劃出劃痕，產(chǎn)生裂紋缺陷;切削用量選擇不合理，會(huì)造成試件局部受力、受扭狀態(tài)發(fā)生變化，造成應(yīng)力集中，出現(xiàn)裂紋缺陷［14］。

4 TI-6AI-4V 裂紋缺陷模擬與試驗(yàn)分析

4.1 TI-6AI-4V 有限元模擬研究

通過(guò)有限元模擬TI-6AI-4V 試件在切削狀態(tài)下的約束與受力情況，加工過(guò)程中，使用的硬質(zhì)合金刀具及模擬應(yīng)力分布圖，見圖8。過(guò)程中未考慮實(shí)際刀具磨損情況及機(jī)床振動(dòng)造成的影響。對(duì)試件頭部上下端面施加位移約束，在試件尾部施加200 N 的集中載荷，模擬切削深度較大情況下的切削力，方向與位置，見圖8。通過(guò)有限元仿真分析，得到表面應(yīng)力的分布情況，兩端面交接處即曲率顯著變化處應(yīng)力為531.09 MPa，存在明顯的應(yīng)力集中，易于引發(fā)裂紋缺陷。

4.2 TI-6AI-4V 裂紋缺陷試驗(yàn)分析

4.2.1 不同切削用量下TI-6AI-4V 表面形態(tài)

切削用量包括:切削深度、進(jìn)給量及切削速度。利用定量試驗(yàn)法，采用高倍井深式數(shù)碼顯微鏡VHX -600ESO 對(duì)試件表面進(jìn)行觀察，觀察設(shè)備見圖9。首先固定進(jìn)給量不變、切削速度為1500 r/min，在不同切削深度0.1 mm、0.5 mm、1 mm和2 mm下進(jìn)行加工，對(duì)加工后TI-6AI-4V 試件的表面情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)不同切削深度情況下，試件表面有不同的紋理，見圖10。隨著切削深度不斷變大，表面刀痕逐漸加深，相同區(qū)域的表面紋理凸凹數(shù)量變少，凸凹處應(yīng)力集中加大，引發(fā)裂紋缺陷。當(dāng)固定切削深度不變，調(diào)節(jié)進(jìn)給量和切削速度時(shí)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)給量對(duì)缺陷的影響大于切削速度的影響。

4.2.2 不同放大倍數(shù)下TI -6AI -4V 試件的裂紋缺陷形態(tài)

圖5 中Ⅱ處為試件的裂紋缺陷，利用高倍井深式數(shù)碼顯微鏡VHX -600ESO 設(shè)備在20 倍、50 倍、100倍及500 倍的放大情況下拍攝的圖片見圖11?？芍嚰鸭y缺陷呈細(xì)小的長(zhǎng)條狀，與切削刀痕呈約90°垂直排布，這是切削過(guò)程中材料變形，產(chǎn)生應(yīng)力集中造成的裂紋缺陷現(xiàn)象;同時(shí)圖11d 中材料呈撕裂狀，說(shuō)明切削過(guò)程中發(fā)生了粘刀的現(xiàn)象［15］。

5 結(jié)語(yǔ)

的裂紋缺陷，TI -6AI -4V 試件結(jié)構(gòu)表面曲率變化過(guò)大處存在明顯的應(yīng)力集中，易于產(chǎn)生裂紋缺陷。

(2)切削用量不合理造成切削力過(guò)大，尤其切削深度過(guò)大會(huì)影響TI-6AI-4V 試件表面的受力及受扭狀態(tài)，引起裂紋缺陷;TI -6AI -4V 試件結(jié)構(gòu)表面曲率變化較大處，由于應(yīng)力集中也會(huì)造成裂紋缺陷。

(3)機(jī)加過(guò)程中，為避免TI -6AI -4V 試件產(chǎn)生裂紋缺陷應(yīng)該先考慮選擇合理的切削用量;切削深度對(duì)TI-6AI-4V 表面結(jié)構(gòu)的影響最大，其次是進(jìn)給量，最后是切削速度。

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