TaW薄板分層缺陷檢測及成因分析

李建文，王增勇，孟玉堂

（中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，綿陽 621900）

鉭鎢合金具有密度大、熔點高、耐高溫和抗燒蝕等特點，擁有良好的可成型性、熱導性以及優良的斷裂韌性和耐腐蝕能力。由于其優異的性能，鉭鎢合金正逐步取代其它材料［1－3］，在許多重要領域作為關鍵的結構材料和功能材料。

近期，筆者對一批1.6～3mm厚度的TaW板材采用蘭姆波進行了無損檢測，合格后進行線切割加工成型處理，發現線切割后的板材產生了分層起皮等缺陷，如圖1所示。而蘭姆波檢測方法無法對已經加工成臺階狀的薄板進行進一步的檢測。經過研究，筆者利用10MHz的高頻水浸聚焦探頭，采用水浸超聲成像檢測的方法完成了TaW薄板內部分層缺陷的檢測。

圖1 TaW板材線切割后的表面缺陷

1 蘭姆波檢測方法

蘭姆波廣泛應用于金屬薄板內部質量的無損檢測中。對厚度＜6mm的光滑金屬板材，由縱波與垂直偏振的橫波合成的蘭姆波具有很高的探傷靈敏度。前期對TaW薄板內部質量的檢測采用蘭姆波檢測方法［4］，利用不同頻率的可變角探頭，發現在頻率為1.25MHz，入射角為38°檢測TaW板時，板端面和人工缺陷的反射回波前沿陡峭、無雜波，且板邊盲區和探頭前沿盲區較小。據此用研制的1.25P15×20 38°蘭姆波超聲換能器對1.6mm厚的TaW板材進行檢測，不但可以穩定檢出φ0.4mm左右的缺陷，而且孔徑與蘭姆波反射幅值呈現出良好的線性關系（圖2）。

圖2 不同TaW板孔徑與蘭姆波反射幅值的線性關系

盡管蘭姆波檢測方法的靈敏度較高，且檢測速度快、效率高，但由于是采用固定角度和單一模式的蘭姆波進行檢測，因此對不同深度和類型的缺陷檢測能力相差很大。文獻［5］認為對不同深度的缺陷，一種模式的蘭姆波不能發現，而用另一種模式的蘭姆波卻能清楚地檢測出來。文獻［6］認為蘭姆波探傷方法不太適用于檢測薄板內的分層和折疊缺陷，對于貼合緊密而面積很大的分層缺陷，蘭姆波可能在通過時變換成在分層上下方同時存在的其它模式的波繼續前進，最終被探頭檢測到信號。盡管可能根據蘭姆波模式轉換及群速度變化所導致的板材端頭的反射回波位置變化來進行判斷，但是漏檢的可能性很大。而且加工成較小尺寸的臺階狀的結構也無法采用蘭姆波繼續檢測，因此研究采用高頻水浸聚焦成像檢測方法檢測TaW薄板分層缺陷。

2 水浸超聲檢測方法

水浸縱波檢測主要針對分層缺陷，采用超聲縱波垂直穿過TaW薄板，在分層界面處引起反射，其類似于超聲波在均勻介質中異質薄層界面引起的反射，聲壓反射率r可由以下公式計算得到：r＝（z2－z1）／（z2＋z1），其中z1為 TaW 板中超聲波傳播的聲阻抗；z2為分層缺陷中空氣層異質中超聲波傳播的聲阻抗。TaW板聲阻抗為66.3×106kg／m2·s，空氣的聲阻抗約為0.000 4×106kg／m2·s，因此超聲波通過大面積厚度小的異質薄層時，只要其間隙大于10－4～10－5mm，都會在分層處產生強烈的反射，在超聲A掃描顯示上表現為分層處缺陷波尖銳陡峭，波形幅值高，非常容易識別。同時底面波快速下降，甚至完全消失。因此水浸超聲縱波檢測方法是一種非常靈敏的分層缺陷檢測方法。檢測采用10MHz的高頻水浸聚焦探頭，能夠清晰區分薄至1.6mm的TaW板上下界面，聚焦聲束直徑小至約1mm，能夠靈敏地檢測小面積的分層缺陷。

對8件TaW板材進行了水浸聚焦超聲成像檢測，發現有三件存在超標缺陷，對其中一件最嚴重的部位進行了水浸成像檢測，其檢測波形和C掃描圖像結果如圖3，中間為分層缺陷區域，長度約20mm。從水浸檢測A掃描波形及C掃描結果可以看出：

圖3 1.6mm TaW板水浸檢測A掃描波形及C掃描結果

（1）10MHz水浸聚焦探頭能夠清晰地區分1.6mm厚度的TaW板上下層界面波。

（2）薄板中間產生的分層缺陷信號可以清晰地區分，說明檢測方法有效。

為分析缺陷成因，對圖1試樣的分層起皮缺陷部位取樣進行了金相分析，磨制的金相試樣表面宏觀形貌如圖4和5所示。

圖4為圖1所示的較嚴重的分層起皮部位的縱向切割斷面宏觀圖像及其左側分層較嚴重部位放大50倍的金相照片。從金相照片上可以看到，分層起皮缺陷靠近加工面一側，且沿著平行于線切割加工面的方向擴展，沒有明顯的向深度方向延伸趨勢，而中心部位的金相照片中沒有發現缺陷。圖5斷面右側為輕微分層缺陷處及中心基體位置的金相照片，從金相圖像上來看，輕微分層缺陷存在的部位距離線切割加工面的距離45μm，長度410μm，大致沿表面方向擴展，而基體中心部位無缺陷，說明缺陷的產生與材料材質及加工有關。前幾批同樣材質的TaW板在線切割加工時，采用的設備、工藝及人員完全相同，加工成型的時候卻沒有出現這些情況，因此這次TaW板產生缺陷的原因很可能在于該批TaW材料的材質不均勻、材料層間結構組織結合不緊密或熱處理不當導致存在內部應力集中區域等，進而在線切割加工時會產生薄的近表層分層缺陷。

為驗證此判斷，對產生分層缺陷的TaW板材余下部位采用線切割方式加工成系列厚度相差0.5mm的臺階，然后觀察線切割加工面狀況，其宏觀形貌如圖6所示。可以看出，每一層的表面均存在嚴重程度不同的淺凹坑缺陷（白色部位），而前面的金相解剖試驗證明缺陷主要位于線切割加工面，不大可能每層均存在缺陷。由此可推斷材質不佳以及線切割加工時產生的熱應力是導致分層缺陷產生的主要原因。

圖6 TaW板臺階切割斷面宏觀圖像

3 結論

（1）超聲蘭姆波是一種檢測薄壁板材內部缺陷較靈敏的方法，檢測能力可達到0.4mm當量缺陷，但采用單一模式的蘭姆波檢測緊密貼合的不同深度的缺陷存在漏檢的可能性，應采用多種模式的蘭姆波綜合檢測，或補充水浸超聲縱波檢測方法。

（2）高頻水浸聚焦超聲縱波成像檢測方法是檢測薄壁板材分層缺陷十分靈敏有效的方法，能夠檢測出貼合非常緊密的分層缺陷。

（3）破壞試驗和金相分析表明，該TaW板加工后出現的缺陷均位于線切割加工表面或近表面的位置，初步判斷為材質不均勻、材料層間結構組織結合不緊密以及熱加工等原因導致存在內部應力集中區域，進而在線切割加工時產生薄的表層分層缺陷。

［1］胡忠武，李中奎，張廷杰.鉭及鉭合金的新發展和應用［J］.稀有金屬與硬質合金，2003，31（3）：34－36.

［2］彭海健，閆曉東，李德富.鉭在破甲彈藥型罩中的應用［J］.稀有金屬，2006，30（5）：678－681.

［3］黃金昌.鉭及其合金的性能和在化工中的應用［J］.稀有金屬快報，1995（3）：1－3.

［4］王增勇，李建文，孫朝明.鉭鎢合金薄板的蘭姆波檢測［J］.無損檢測，2009，31（9）：689－690.

［5］范同俐，廖玉齡.金屬薄板中蘭姆波的激勵及分層的檢查方法［J］.無損檢測，1982，4（6）：6－10.

［6］鄭開勝，劉景忠，白寶陽.薄板蘭姆波探傷方法的評價［J］.無損檢測，1994，16（9）：247－248.