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ULTRASONIC INSPECTION OF TITANIUM ALLOY FORGINGS
by Xia Jizhen
The article introduces the ultrasonic inspection methods for titanium alloy forgings and materials,and shows some practical examples.
钛合金比重小（约4.5）、熔点高（1600℃左右）、塑性好，具有比强度高、耐蚀性强，能在高温下长期工作（目前热强钛合金已用于500℃）等优点，因而已经越来越多地用作飞机和飞机发动机的重要承载部件，除了钛合金材料的锻件外，还有铸件、板材（如飞机蒙皮）、紧固件等等。沧州欧谱现代国外飞机上采用钛合金的重量比已经达到30%左右，可见钛合金在航空工业上的应用有着广阔的前途。当然，钛合金也存在如下缺点：例如变形抗力大、导热性差、缺口敏感性较大（1.5左右）、显微组织的变化对机械性能影响较显著等，从而导致在冶炼、锻造加工和热处理时的复杂性。因此，采用无损检测技术以保证钛合金制品的冶金和加工质量，就是一个很重要的课题。
钛合金锻件中容易出现的缺陷
一.偏析型缺陷
除了β偏析、β斑、富钛偏析及条状α偏析外，最危险的是间隙型α稳定偏析（I型α偏析），其周围常伴有细小的孔洞、裂纹，含有氧、氮等气体，脆性较大。还有富铝型α稳定偏析（II型α偏析），也因伴有裂纹并有脆性而构成危险性缺陷。
二.夹杂物
多是高熔点、高密度的金属夹杂物。由钛合金成分中高熔点、高密度元素未充分熔化留在基体中形成（例如钼夹杂），也有混在冶炼原材料（特别是回收材料）中的硬质合金刀具崩屑或不适当的电极焊接工艺（钛合金的冶炼一般采用真空自耗电极重熔法），例如钨极电弧焊，留下的高密度夹杂物，如钨夹杂，此外还有钛化物夹杂等。
夹杂物的存在容易导致裂纹的发生与扩展，因此是不允许存在的缺陷（例如苏联1977年的资料中规定，钛合金X射线照相检查时发现直径锌层测厚仪http://www.xincengcehouyi.com 0.3~0.5mm的高密度夹杂物就必须予以记录）。
三.残余缩孔
见实例。
四.孔洞
孔洞不一定单个存在，也可能呈多个密集存在，会使低周疲劳裂纹扩展速度加快，造成提前疲劳破坏。
五.裂纹
主要指锻造裂纹。钛合金的粘性大，流动性差，加上导热性不好，因而在锻造变形过程中，由于表面摩擦力大，内部变形不均匀性明显以及内外温差大等，容易在锻件内部产生剪切带（应变线），严重时即导致开裂，其取向一般沿最大变形应力方向。
六.过热
钛合金的导热性较差，在热加工过程中除了加热不当造成锻件或原材料过热外，在锻造过程中还容易因为变形时的热效应造成过热，引起显微组织变化，产生过热魏氏组织。
钛合金锻件超声探伤的几个问题
除了一般锻件超声探伤方法中应当注意的问题外，钛合金锻件的超声探伤还有以下几个需要注意的问题。
一.原材料的冶金质量
前面第二部分所述的缺陷大部分是在原材料上就存在的，结合考虑我国钛工业生产的实际情况（原材料、工艺等），加上钛合金价格昂贵，加工困难，并且锻件的形状一般都比较复杂，使得锻件的超声探伤存在一定的困难（例如死角、盲区、探测方向不利等），为了将质量隐患尽早阻绝在初始阶段，应该严格把好原材料的冶金质量关，其超声验收标准应该从严要求，其方法也应该更为详细。
例如，对钛合金圆棒，除了按一般周面360°的径向入射纵波探伤外，还应作周面360°的弦向横波探伤（折射角一般为45°），以保证发现直探头无法发现的表面和近表面缺陷（例如径向裂纹）。对于钛合金方坯、饼坯、环坯等除了作垂直入射的纵波探伤外，考虑到可能存在沿锻造变形应变线产生的裂纹（在横截面上多为近似45°取向）及某些倾斜取向的缺陷，还应作折射角45°的径向横波探伤（国外有些标准还要求作水中5°入射纵波检查和折射角60°的径向、弦向横波检查，如英国的RPS705和美国的DPS4.713）。
由于钛合金探伤灵敏度要求较高，故纵波探伤宜用5MHz，横波探伤用2.5MHz（两者在同一材料中波长相当）的频率。在评定、鉴别缺陷时，有时还要使用更高的频率（如苏联资料建议使用20MHz的频率）。
二.选择合适的检测方法
为了确保钛合金锻件的质量，除了严格控制原材料质量外，还必须防止在后续热加工过程中出现缺陷，应该重视锻件的毛坯及半成品的超声探伤，以及成品阶段的X射线探伤、荧光渗透探伤和阳极化腐蚀等检查手段，其方法的选用原则上与一般锻件基本相同。
2.钛合金锻件的显微组织变化对其机械性能有较显著的影响，对超声探伤中的杂波水平及底波损失的评定起到检查钛合金组织均匀性的作用，应予以充分的重视。
超声波在晶界及晶内相组织上的散射可能在荧光屏上以杂波显示，也可能表现为声能衰减引起底波高度的降低（底波损失），这两者与显微组织有一定的对应关系。根据这两项参数的评定，已经发现过粗晶、并列α组织（能造成低周循环疲劳性能下降的魏氏组织）等。
就目前所作的工作来看，杂波水平高的钛合金显微组织，多表现为有完整明显的原始β晶界和平直细长的魏氏α组织（未变形的典型魏氏组织），或显现有多且大的条块状α相，这类组织在机械性能上表现为强度指标下降。此外，某些铸造组织残留也可能造成杂波水平较高。但就一般的过热魏氏组织，如果其原始β晶界及晶内相组织取向较紊乱无规则时，尽管这样的组织是不好的，甚至从显微组织评定是不合格的，其杂波水平却不一定偏高，说明杂波水平的评定目前还存在较大的局限性。
在底波损失的评定中，某些魏氏组织对超声脉冲的高频分量有较明显的衰减（如并列α组织），沧州欧谱这在频谱仪上较易观察到（北京航空材料研究所钱鑫源等），但对工业生产上的大批量检查如何使用普通超声探伤仪，选用最佳响应频率的探头进行检测上存在一定的实际困难。
应当说明的是，目前对钛合金内部偏析也尚无可靠有效的超声检测方法。
总之，如何利用超声波对各种不同显微组织的响应达到控制钛合金的性能质量，是目前需要深入研究的课题（例如采用更高的、甚至上百兆赫的频率，以及使用电子计算机进行信息处理等）。尽管如此，在目前钛合金锻件及材料的超声探伤中，杂波水平与底波损失的评定仍然是两项很有价值的指标。
3.钛合金材料的超声探伤中，有时由于单个大晶粒或者局部的组织不均匀造成的组织反射会以单个反射信号的形式出现，容易和真正的冶金缺陷（如高密度夹杂物、裂纹、孔洞等）的反射信号相混淆，通过试验分析认为，这种反射信号可能是由于超声反射波的相位叠加所致。在这种情况下，采用小直径探头或聚焦探头（缩小波束直径），提高超声频率，以相同的探测灵敏度（平底孔直径相同的试块）重新评定时，会发现其反射信号幅度明显下降，有时甚至消失，而真正的冶金缺陷的反射信号在这种情况下不会有明显变化。这种方法可以鉴别钛合金中真正的冶金缺陷与组织反射。
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