航空用鈦合金大規(guī)格棒材超聲接觸法探傷優(yōu)化的研究

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)用于各個工業(yè)領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域已涉足航空、航天、船舶等多個行業(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)動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一，主要用于飛機(jī)的發(fā)動機(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。美國等世界發(fā)達(dá)國家的航空用鈦量占鈦產(chǎn)量的50%以上，獨(dú)聯(lián)體和歐洲等國家的鈦產(chǎn)品也主要用于飛機(jī)和航空發(fā)動機(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]。超聲波檢測是利用進(jìn)入被檢材料的超聲波對材料內(nèi)部缺陷及表面進(jìn)行檢測，是應(yīng)用最廣泛的無損檢測方法之一[7]。超聲檢測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，對工件進(jìn)行宏觀缺陷檢測，幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測和表征，并進(jìn)而對其特定應(yīng)用性進(jìn)行評價的技術(shù)。一般常識中，超聲檢測通常指宏觀缺陷和材料厚度測量，超聲檢測時五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一，是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無損檢測技術(shù)，超聲檢測是產(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。超聲檢測按原理分為脈沖反射法、衍射時差法、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[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，對超聲波檢測的要求亦是如此，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)際檢測時，對于標(biāo)準(zhǔn)要求高的大規(guī)格棒材接觸法全聲程檢測時，往往會由于多半聲程中的雜波過高或滿屏而無法正常檢測；若使用常規(guī)半聲程進(jìn)行檢測，上表面存在較大盲區(qū)的問題又無法有效解決。本文作者通過實(shí)驗(yàn)研究，旨在減小大規(guī)格鈦合金超聲接觸法檢測的檢測盲區(qū)，提高檢測靈敏度和信噪比。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用料及對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型號飛機(jī)上，棒材執(zhí)行的材料標(biāo)準(zhǔn)為YMS1507；其中對超聲波檢測驗(yàn)收的要求為，單個缺陷小于Φ3.2 mm，多個和長條形缺陷小于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中，為了發(fā)現(xiàn)多個或長條形缺陷，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″)，用大平底計算法、按多個和長條形缺陷Φ2.0FBH/80%FSH調(diào)節(jié)靈敏度進(jìn)行超聲波檢測，實(shí)際檢測結(jié)果顯示，超過聲程60%范圍的雜波反射信號幅度超過100%，如圖1所示；若棒材存在超過標(biāo)準(zhǔn)要求的缺陷，則會被雜波反射信號覆蓋，存在缺陷漏檢的風(fēng)險。為了提高檢測信噪比、提高檢測可靠性，選用底波反射均勻的TC18/Φ405 mm棒材，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AMS2628B對其他規(guī)格棒料試棒的要求制作對比試棒，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多個缺陷，為了盡可能的擴(kuò)大檢測范圍，第二段用不小于Φ3.2FBH/80%FSH的靈敏度進(jìn)行輔助檢測。測量實(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(大平底計算法)檢測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TC18/Φ400 mm棒料

2.4.1 衰減補(bǔ)償

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

2.4.2 檢測

用衰減補(bǔ)償后的TCG曲線，按工藝要求的檢測速度檢測TC18/Φ400 mm棒料，檢測結(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)大平底計算法接觸探傷，優(yōu)化后的超聲接觸法探傷時，整個直徑范圍可探性高，檢測信噪比、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)際檢測時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，在對航空用鈦合金大規(guī)格棒材進(jìn)行超聲接觸法探傷時，使用相同棒料制作合理的對比試棒，然后利用對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。