钛合金锻件的超声波检测技术

（1）微观组织的超声波表征

1）等轴组织与魏氏组织。在两相区锻造变形的Ti-6Al-4V合金件，典型的组织是等轴组织，如图11.2-8a所示；当锻造变形的加热温度超过β转变温度[（995±15）℃]，变形后对β相区保温并缓慢冷却，则可形成魏氏组织，如图11.2-8b所示。在锻件中，当超声波入射到这种粗大组织上时，由于声的散射，使超声噪声水平比等轴组织有明显提高，如图11.2-9所示。

对于诸如Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6246）合金的长形锻坯，其微观组织强烈取决于热处理，从而影响超声波噪声行为。一方面，当退火温度高于β转温度（如980℃）时，冷却后晶粒是等轴形的，这使晶粒噪声各向同性；另一方面，当退火温度低于β转温度时，冷却后晶粒具有长球形，这可导致噪声的各向异性。当超声波束沿伸长方向（与坯轴平行）传播时，可观察到最低的晶粒噪声。从表11.2-8可见，在β转变温度下改变退火条件，是不能很好改变声传播的各向异性程度的。

图11.2-8 Ti-6Al-4V合金锻件的微观组织

图11.2-9 Ti-6Al-4V合金锻件中的超声波噪声

表11.2-8 Ti-6246锻坯热处理和各向异性关系

2）网篮组织与魏氏组织。在Ti-6Al-4V合金锻造圆饼上用5MHz超声纵波检测时，两圆饼所得散射信号相似，如图11.2-10a、b所示，而相应的微观组织则如图11.2-11a、b所示。其中，图11.2-11a为并列式魏氏组织，是不希望存在的；而11.2-11b为网篮组织，并不影响对圆饼的进一步变形。两饼的一次超声波底反射信号的频谱分析结果如图11.2-12所示。由于圆饼A的高频分量衰减较圆饼B要高得多，不用5MHz而用10MHz的纵波通过底反射幅度的比较，将这两种组织的圆饼分选是完全可以的。可见，对于微观组织的表征超声波频谱分析技术的运用是重要的。

3）初生及反常α相形态。在两相区锻造的Ti-6Al-4V合金锻件中，初生α相的形状和分布对超声波检测有重要影响。一般来说，α晶粒拉得越长并且分布越不均匀时，噪声水平越高。对于反常α相，如果超声波束垂直入射到此带状α组织上，则较之平行入射，噪声水平会有明显的提高。

图11.2-10 用5MHz超声纵波检测时的散射噪声

图11.2-11 圆饼A与B的微观组织

图11.2-12 圆饼A与B一次超声波底反射信号的频谱分析结果

水平轴：2MHz/格，垂直轴：2dB/格(www.xing528.com)

4）富氧α壳层。将Ti-6Al-4V合金试件在空气中于950℃下加热24h，可形成厚度大约为100μm的脆性α壳层，用声显微镜以50MHz聚焦声束测量α壳层的瑞利波速度（v_R），此时，瑞利波的透入深度约为50μm，小于α壳层深度。结果表明，试件内部v_R为2.93mm/μs，而α壳层v_R为3.15mm/μs，相差为7.5%。用俄歇谱仪测得超声波采样区表面氧含量为17%（质量分数），而Ti-6Al-4V合金的氧含量一般为0.15%～0.20%（质量分数）。

（2）缺陷的超声波检测

1）高密度夹杂物。这种缺陷的超声波可检性取决于入射超声波束与夹杂物反射面的相对取向，取向有利就可以检出。图11.2-13所示为用超声波法在Ti-6.5Al-3.5Mo-2.3Sn-0.3Si钛合金锻件中检测出的Mo夹杂。对于高质量要求的制件，则有必要用射线法作检测。

图11.2-13 用超声波法在Ti-6.5Al-3.5Mo-2.3Sn-0.3Si钛合金锻件中检测出的Mo夹杂

2）干净的孔洞。这种孔洞可沿金属急剧变形方向断续分布，外形甚似裂纹。图11.2-14所示为钛合金锻件中用超声法检出的干净孔洞的一段放大图像，这是在超声波垂直金属变形方向入射时被检出的。

3）裂纹。对于开口于表面的裂纹，在Ti-6Al-4V合金锻件上所做的试验表明，超声瑞利波法不是非常有效的，液体渗透法更为可靠。但瑞利波有一定的透入深度，可检出近表面的皮下裂纹。对于某些重要件，两种方法均需经常采用，以提高检出概率。

4）硬α夹杂物（Ⅰ型偏析）：来自晶粒边界和其他微观组织非均匀性的超声波散射，影响了危害严重的、小的硬α夹杂物的探测。研究已经表明，随着超声波探测脉冲直径和其在传播方向上空间长度（波长和在脉冲中波长数的相乘积）相乘积（脉冲体积）的减小，来自小缺陷的信号的信噪比会有很快的提高。在有噪声的微观组织中，来自一点缺陷的信噪比是与缺陷附近超声波探测脉冲体积（UPV）的平方根成反比的。因此，硬α夹杂物的探测常采用较高频率（一般为25MHz）的聚焦换能器，在基体和夹杂物之间可得到4～5dB的平均信噪比增益。此外，在进行聚焦检测时，为提高检测的效率，常采用超声波相控阵技术，例如相当于采用六个聚焦探头，如图11.2-15所示，每个聚焦在不同深度处覆盖不同厚度区。

图11.2-14 钛合金锻件中用超声波法检出的干净孔洞的一段放大图像

图11.2-15 超声相控阵技术

一种可改善工业检测灵敏度的方法是首先用最佳的聚焦、频率和间距来获得C扫描图，然后再用两维的Wiener滤波器后处理作进一步改善。这技术可得到换能器-1dB声束直径的图像分辨力，经处理图像的信噪比可改善1～3dB，这对发现原本只是勉强可检的小缺陷来说是有用的。另一种信号处理技术是小波变换，在检测硬α夹杂物信号时，可得到4～5dB的平均信噪比增益。不同Ti-N-O合金的物理性能如表11.2-9所示。

表11.2-9 不同Ti-N-O合金的物理性能

1）纵波速度C_l按式C_l=6002.2+61.86x（N）+54.31x（O）计算。

2）反射率按基体Ti-6Al-4V合金C_l=6175m/s、ρ=4461kg/m³计算。