高温合金锻件的无损检测优化方案

高温合金是指在600～1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。按基体元素，高温合金主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温件，还可用于航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。在一般情况下，高温合金是首先在真空感应熔炼炉中熔炼，以获得准确的化学成分和低的碳、氧含量，然后进行电渣重熔和真空自耗重熔，以通过减少活性元素产物（夹杂物）、消除孔洞（缩孔）以及控制外来物而改善合金的完整性，在大重量锭的凝固过程中使合金化组分的偏析减少。几种常用高温合金的化学成分如表11.2-10所示。

本节将以INCO-718为重点进行叙述。该合金除具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性外，在低温和700℃以下使用具有高的抗拉强度、良好的塑性和长期的组织稳定性，同时，也是一种焊接性能良好的合金。在高温合金中，INCO-718的使用范围是最为广泛的。此外，为了便于了解高温合金制件无损检测的特点，本节将先简述INCO-718合金的微观组织及易出现的不连续性，然后叙述某些高温合金锻件的无损检测方法。

表11.2-10 几种常用高温合金的化学成分（质量分数） （单位：%）

1.INCO-718（GH169）合金的微观组织

见本手册第10篇第2.4节。

2.INCO-718合金制件中的不连续性

见本手册第10篇第2.4节。

3.INCO-718（GH169）高温合金锻件的无损检测

在2.中所述各种不连续性（缺陷）中，枝晶间偏析尚难用常规超声波法来表征；外来夹杂物在重熔过程中，常会迁移到熔池边缘，通过集聚成白色的激冷铸壳而被排除；此外，这种外来夹杂物用常规超声波法检出。本节将仅叙述黑斑（条带）偏析与白斑的超声波检测及在役盘的检测。

（1）关于黑斑（条带）的超声波检测图11.2-18所示为在一INCO-718合金盘上所发现的黑斑（条带）偏析，其高倍组织如图11.2-19所示。

对于图11.2-18所示的黑斑（条带）偏析，利用5MHz的宽带纵波直探头，在试块上将直径为1.2mm、孔底埋深为80mm的平底孔孔底反射波高度调至超声波仪荧光屏满刻度的80%，然后将增益再提高18dB才可将之检出，其反射波形如图11.2-20所示。

图11.2-18 在一INCO-718合金盘上所发现的黑斑（条带）偏析（1×）

（2）关于白斑的超声波检测研究表明，能用超声波检出的白斑多是带周边脱粘，或是带有裂纹，或者是带有孔洞及不洁物的离散白斑。图11.2-21所示为在INCO-718合金中所发现的带不纯物的白斑，其特点是：在白斑处的晶粒较基体粗，周边并未与基体脱粘和伴有孔洞的不洁物。凝固白斑和树枝状白斑通常在锻件中用超声法是不可检的，除非晶粒较基体粗，不过干净的凝固白斑和树枝状白斑对低周疲劳性能并没有明显的影响。

图11.2-19 在图11.2-18中所示黑斑（条带）偏析的高倍组织照片（250×）

图11.2-20 图11.2-19所示黑斑（条带）偏析的超声反射波形（频率5MHz）

图11.2-21 在INCO-718合金中所发现的带不纯物的白斑（250×）

（3）在役INCO-718合金涡轮盘质量下降的无损检测在前面章节中已经提到，γ″相在温度超过650℃时是较不稳定的，裂纹延伸阻力会有惊人的变坏。但是，在航空涡轮发动机涡轮盘的槽和凸缘部位高于650℃的温度是可频繁出现的，为了评估涡轮盘的剩余寿命，建立质量下降的无损检测方法是必要的。

已经证实，在经热暴露试样中的0.2%屈服强度σ_e、热电势E_e，与未经热暴露试样中的0.2%屈服强度σ_v、热电势E_v之间有以下的关系

σ_e/σ_v=a（E_e/E_v）2+b（E_e/E_v）+c

式中，a、b、c为常数值。对于晶粒度为ASTM-6级和ASTM-10级的试样，可表示为ASTM-6级：

σ_e/σ_v=（E_e/E_v）2-3.5（E_e/E_v）+3.5ASTM-10级：

σ_e/σ_v=0.3（E_e/E_v）2-1.5（E_e/E_v）+2.2

因此，在高温下服役的INCO-718合金的质量下降是可用热电势比（E_e/E_v）来评估的。

在INCO-718合金中，经热暴露和未经热暴露试样的热电势（TEF）变化和硬度变化与Larson-Miller参数的关系如图11.2-22所示。

对于相同的热暴露情况，TEF比的变化要大于硬度比的变化。因为硬度值在现场测量会有某些误差而TEF值的测量也有些偏差，但由于灵敏度高，长期服役盘的质量下降是可用之作确切检查的。此外，进行TEF测量对盘是完全无损伤的，这一点与硬度测量有所不同。热暴露试样TEF值的上升是因不稳定的γ″相按（γ″+Nb）➝（δ+γ′）转变，使基体中Nb含量减少所致。

4.INCO-706合金大功率重型工业燃气涡轮的超声波检测

这种大型地面涡轮厚度大于400mm，直径大于2000mm，锻件重约10000kg。为了打碎大尺寸的原始铸造晶粒，在72000t锻压设备上对锭进行了多次的镦粗和拔长；而为了保证锻件所有部位均有足够的变形，采用了特殊的操作。

由于变形复杂，用超声波从每一可利用的表面进行了检测。

1）盘的上、下表面是用2.25MHz纵波垂直入射检测的，2.4mm直径平底孔的缺陷是可检的。

2）中心孔表面是用准水浸检测装置检测的，用直射声束检查“轴-圆周”取向的缺陷，用斜射声束检查沿“轴-半径”取向的缺陷。首先沿顺时针方向移动探头，然后再沿逆时针方向移动探头。

3）转接区是用60°斜射声束沿顺时针和反时针方向进行检查的。

4）用串列检查技术检测垂直于最高作用应力的平面内的缺陷（沿“轴-半径”取向的缺陷），这是在靠近主应力孔区附近进行的，两探头以一发一收的方式工作。盘件串列检测装置示意图如图11.2-23所示。声束指向锻件的“轴-半径”平面，随着盘的转动，“轴-半径”平面可通过声束交叉区，转动一圈可检查一环圈材料，然后将探头作径向移动、传声束交叉区做轴向移动，再检查另一环圈内的缺陷。图11.2-24所示为INCO-706合金中发现的黑斑区中的裂纹。(www.xing528.com)

图11.2-22 在INCO-718合金中，经热暴露和未经热暴露试样的热电势（TEF）变化和硬度变化与Larson-Miller参数的关系

Larson-Miller参量：（lgt+20）T/1000T为温度（K），t为暴露时间（h）

图11.2-23 盘件串列检测装置示意图

图11.2-24 INCO-706合金中发现的黑斑区中的裂纹

5.GH33A高温合金锻件的超声波检测

GH33A是以Ni-Cr固溶体为基，γ′[Ni₃（Al、Ti、Nb）]为主要强化相的时效硬化型高温合金，适合于制造在750℃以下工作的发动机涡轮盘。

GH33A合金锻造盘件的超声波检测中，出现有（晶粒尺寸大致相同）杂草状回波幅度并不比正常组织高，但底波幅度却有严重损失的情况。作为一例，在用5MHz纵波作垂直入射检测时，B盘杂草状回波的幅度至少不比同炉号的A盘高，如图11.2-25所示，但B盘的底波幅度较之A盘却要小得多，如图11.2-26所示。高倍组织的检查表明两盘的晶界情况是不同的，A盘的晶界比较细而B盘则宽得多。在这种宽晶界上，碳化物（M₂₃C₆）作为一种大尺寸的第二相（如图11.2-27所示），其声特性阻抗与基体不同，这可使进入晶粒内的超声波由于往复在晶界处反射而使透射减少，导致底反射损失严重而又不出现过多的杂草状回波。引起这种情况的原因则是模锻的温度过高。

图11.2-25 两个GH33A合金盘件、超声波检测和杂草状回波

频率：5MHz，纵波

图11.2-26 在图11.2-25所示的两盘中超声波的底波反射情况

频率：5MHz，纵波

图11.2-27 在图11.2-26中所示的B盘高倍组织（200×，晶介碳化物呈片状）

从上述情况可以认为：对于重要的锻件，要求除在高灵敏度下作有无小缺陷的检测外，不论草状回波是否出现，将底波幅度与正常组件相比，以检测其是否有损失是必要的。

6.GH2036高温合金锻件中夹杂物的超声波检测

该合金锻件在试车时爆裂，断口分析发现有沿流线分布、面积相当大的夹杂物分层。在生产过程中，用规定的规程进行多次超声波检测应完全可发现。经电子探针、扫描电镜分析，夹杂物含大量的Si和Mn，而这种Si-Mn夹杂物与基体所具有的良好粘合性正是造成超声波漏检的原因，这是值得注意的。对此，可采取的应对措施是将锻件（和盘件）超速运转，使粘合面分离而后再进行超声波检测。

7.高温合金微观组织的超声波传播速度和声衰减表征

1）高温合金锻件的最佳性能是通过引入适当的微观组织来获得的。利用超声波参数（如声的传播速度）对合金的微观组织进行表征，有助于在热处理时的质量控制和在服役期间鉴别微观组织的变化。研究表明，对于沉淀硬化镍基高温合金（如Nimonic PE16），这是可能的。不同热处理PE16合金试样上所得微观组织、硬度、密度和声速如表11.2-11所示。

表11.2-11 不同热处理PE16合金试样上所得微观组织、硬度、密度和声速

由表可以得出：

①在微观组织中，所有类型的第二相析出均可导致声速的上升，这与合金弹性模量的增大有关。这说明，合金中的第二相可通过超声波速度的测量来表征。

②γ′的出现与MC的出现，声速的增大是不同的，这就有可能加以鉴别。但是如果这些相同时出现，就难以用声速测量来鉴别。

③在某些情况下，有可能推得所定的热处理条件，因为声速与γ′相的体积分数成正比，乃是热处理温度的函数，如图11.2-28所示。

2）镍基高温合金（如INCO-738）在高温下长期（可高至49000h）经受力和热疲劳的作用，可导致微观组织的变化。对由这种变化所引起的声衰减变化进行研究的结果表明：γ′相的出现、位错密度的变化对声衰减影响不大，而晶界偏析、微孔（每个约15μm）、晶界裂纹和碳化物M₂₃C₆的出现则对衰减具有大的影响。这就有可能对材料中所出现的相作出区别，对组织的脆性作出表征，对制件的剩余工作寿命提供重要的信息。

图11.2-28 对于PE16合金声速、时效温度、γ′相对体积分数的关系

8.高温合金锻件的液体渗透检测

高温合金的主要成分为镍，当其在会出现有硫和硫化物的条件下加热时会有晶界腐蚀。镍的晶界腐蚀开裂在超过643℃（镍/硫化镍共晶的熔点）硫环境中会出现，对渗透检测所用材料总硫含量的限制为1%（质量分数），不过市售的渗透检测材料的总硫含量可为0.25%（质量分数）。

锻造的燃气涡轮发动机涡轮叶片在长期使用后，由于表面存在氧化物，裂纹缝隙中可存在污垢，其渗透检测的裂纹检出率很低。采用在碱液中进行化学和电化学清洗，由于只能除去硬度低的污垢和疏松的表面氧化物，检出率可提高但仍不够。在惰性气体或真空中采用高温退火，由于汽化、高温分解，能够去除叶片上稳定性差的杂质，但坚固附着的氧化物仍去除不掉。在含防腐剂的酸中进行超声波清洗，实践证明，能完全去除表面和裂纹间隙中的氧化物和污垢。由于此法可能产生叶片材料的腐蚀，清洗后要中和处理，然后在高温时在不会引起金属氧化的条件下干燥，严格执行作业规程。另一种有效的方法是将叶片在氢介质中热处理，可先在860℃下热处理2.5h，然后在950℃下热处理2h，这可使表面氧化物脱氧产生金属的析出物和气体。氢可被所有金属吸收，而吸收程度最大的正是叶片制造所用的镍、铬、钛、铁等。金属中氢原子浓度的增大可引起强度降低和脆性增大，但由于上述金属的氢溶解和析出完全是可逆的，故渗氢的不良后果是完全可通过将叶片在气体或真空中进行热处理来消除的。热处理后，叶片冷却至室温再进行液体渗透检测。