航空用钛合金大规格棒材超声接触法探伤优化的研究

发布时间：2023-06-17 17:31:35 浏览次数：

前言

钛合金具有密度低（如Ti-6Al-4V钛合金密度为4. 5g/cm³，是低碳钢的57%）、比强度高、耐腐蚀性好、弹性模量低、导热系数小、屈强比高（成形回弹大）、等特性而被广泛应用于各个工业领域。应用领域已涉足航空、航天、船舶等多个行业，其中尤以航空航天工业为盛。在航空领域中，钛合金作为当代先进飞机和航空发动机的主要结构材料之一，主要用于飞机的发动机、起落架部件等相关部位，且使用量在不断增加。先进钛合金材料的大量采用是新一代飞机和新型发动机先进性的显著标志之一，可大幅度提高结构减重效果和安全可靠性。美国等世界发达国家的航空用钛量占钛产量的50%以上，独联体和欧洲等国家的钛产品也主要用于飞机和航空发动机。

钛合金棒

钛合金棒材是加工钛合金零部件的重要原材料，保证原材料棒材的质量，是保障装备正常运行的关键因素。超声波检测是利用进入被检材料的超声波对材料内部缺陷及表面进行检测，是应用最广泛的无损检测方法之一超声检测一般是指使超声波与工件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测，几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。一般常识中，超声检测通常指宏观缺陷和材料厚度测量，超声检测时五大常规无损检测技术之一，是目前国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术，超声检测是产品制造中实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率的重要手段，也是设备维护中不可或缺的手段之一。超声检测按原理分为脉冲反射法、衍射时差法、穿透法、共振法。钛合金棒材最普遍使用的是脉冲反射法检测⑻。应用于航空领域的钛合金棒材在质量方面要求很高，对超声波检测的要求亦是如此，类如JT-FCI-CL-7《X型飞机用TC4钛合金大规格棒材技术条件》中φ350的棒材最低探伤要求为φ2. 0 -6dB； Q/BS5320—2007《钛合金大规格棒材》中φ200的棒材最低探伤要求为φ1.2-6 dB；因为超声波的衰减与声程、探伤频率等成正比，所以，随着声程的增大，探伤增益的提高，超声波的衰减也在增大。在实际检测时，对于标准要求高的大规格棒材接触法全声程检测时，往往会由于多半声程中的杂波过高或满屏而无法正常检测；若使用常规半声程进行检测，上表面存在较大盲区的问题又无法有效解决。本文作者通过实验研究，旨在减小大规格钛合金超声接触法检测的检测盲区，提高检测灵敏度和信噪比。

1、实验

实验用料及对比试棒用料选用湖南金天钛业科技有限公司生产的牌号为TC18、直径为φ400mm的棒材。 TC18钛合金名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，是一种具有咼强和咼冲击韧性的钛合金。合金的优点是在退火状态下具有很高的强度（1080 MPa），采用强化处理后强度可达1 300 MPa，且其淬透性好，截面淬透厚度可达250mm。由于截面厚度不受淬透性限制，特别适合制造飞机大型承力构件。采用普通低成本模锻（在模锻锤上进行）、热模锻和等温模锻等多种工艺生产出接近最终形状的锻件。该合金在伊尔76、歼15舰载机等飞机上获得了大量应用。

湖南金天钛业科技有限公司是一家集研发、生产、销售航空航天、兵器、海装用高端优质钛合金原材料、零部件的知名企业。公司生产的TC18/φ400 mm棒材主要应用于XX型号飞机上，棒材执行的材料标准为YMS1507；其中对超声波检测验收的要求为，单个缺陷小于φ3.2mm，多个和长条形缺陷小于φ2. 0mm，杂波水平小于φ3.2-9dB，底波损失≤50% 。在实际超声波接触法检测中，为了发现多个或长条形缺陷，仪器选用声呐公司生产的D70超声波便携式探伤仪、探头选用奥林巴斯生产的V109（5 MHz ，0.5〃），用大平底计算法、按多个和长条形缺陷φ2. 0FBH/80%FSH调节灵敏度进行超声波检测,实际检测结果显示，超过声程60%范围的杂波反射信号幅度超过100%，如图1所示；若棒材存在超过标准要求的缺陷，则会被杂波反射信号覆盖,存在缺陷漏检的风险。为了提高检测信噪比、提高检测可靠性，选用底波反射均匀的TC18/φ405 mm棒材，依据标准AMS2628B对其他规格棒料试棒的要求制作对比试棒，用试棒上埋深为5 ~30 ~60 ~90 -120 ~ 150 ~ 180 ~ 215mm，大小为φ2.0 mm平底孔的人工缺陷制作第一段TCG曲线，用 φ2. 0mm/215 mm、φ3. 2 mm/395 mm 制作第二段TCG曲线。在5 ~ 395 mm声程范围内，制作两段灵敏度不同的TCG曲线，相当于用φ2.0FBH/80%FSH灵敏度超半声程检测多个缺陷，为了尽可能的扩大检测范围，第二段用不小于φ3.2FBH/80%FSH的灵敏度进行辅助检测。测量实际产品与试棒上的衰减差异进行衰减补偿，然后对湖南金天钛业科技有限公司生产的TC18/φ400mm棒材进行检测试验，以验证新方法的合理性。

2、实验与讨论

2. 1 TC18/φ405 mm试棒用料的选取

截取长度为1200mm,表面粗糙度≤1.6μm,底波变化幅度小于4dB且无影响使用的缺陷存在的TC18/φ405 mm棒料，作为试棒制作用料。棒料底波变化如图2所示。

2. 2 TC 18/φ405 mm 试棒制作

依据标准AMS2628B对其他规格棒料试棒的要求(至少最浅表面5mm,最深(T/2 + 12.5mm)；再考虑验证大平底计算法与试块法灵敏度的差异以及后半声程辅助扫查的要求，试棒制作人工反射体信息见表1。

2.3 制作TCG曲线

2.3.1 仪器和探头的选择

为了让试验数据具有可比性，要让两种方法中的探伤工艺参数尽量一致。在本实验中，我们选择与常规接触法(大平底计算法)检测相同的仪器探头和耦合剂、且仪器参数设置相同。仪器、探头、耦合剂如图3、表2所示。

2.3.2 TCG曲线绘制

用实验中选取确定的仪器、探头、耦合剂在TC18/φ405 mm试棒上制作TCG曲线，各埋深平底孔测试灵敏度信息如表3所示，埋深5. 1〜215 mm、φ2. 0 mm平底孔TCG曲线实际AScan效果图如图4所示，埋深5.1〜215mm、φ2. 0mm平底孔+埋深395mm、 φ3.2 mm平底孔TCG曲线实际AScan效果图如图5所示。