鈦合金棒材徑向貫穿裂紋超聲波探傷波形特征分析

黨永豐，劉 佳

（寧夏工業學校，寧夏 銀川 750000）

裂紋缺陷是鈦合金棒材中最危險的缺陷之一，結構件中如果存在宏觀微裂紋會大大降低構件的機械承載能力。即使尺寸不太大的微觀裂紋，由于使用過程中會造成應力集中，也會成為各種脆性斷裂、塑性斷裂、疲勞斷裂和腐蝕斷裂的斷裂源，從而造成構件的低應力破壞。因此裂紋類缺陷是鈦合金超聲波探傷要控制的核心缺陷。鈦合金棒材徑向貫穿裂紋缺陷由于裂紋貫穿棒材整個截面，所以屬于高危缺陷，研究其波形特征和缺陷形態關系，對鈦合金棒材探傷缺陷定性具有重要意義。

1 徑向貫穿裂紋超聲波探傷波形特征分析

1.1 徑向貫穿裂紋的宏觀特征

鈦合金棒材徑向貫穿裂紋通常出現在小規格鍛造棒材的端頭位置，此類裂紋會從棒材端頭相對兩個圓周面貫穿通裂，在軸線方向延伸深度長短不一，但在斷面上會貫穿延伸至兩側表面。多數貫穿裂紋在斷面上呈“S”形分布，靠近棒材中心部位時裂紋裂口較大，擴展至邊緣時裂口逐漸減小。為研究其波形特征，選取的實驗對象為實際生產中Φ38mm的TC4棒材端頭300mm范圍內發現的徑向貫穿裂紋。樣品編號為 YP06#，圖 1（a）、（b）為樣品 YP06#裂紋宏觀形貌。

1.2 徑向貫穿裂紋波形特征分析

徑向貫穿裂紋探傷分析的參數如表1所示。

表1 徑向貫穿裂紋試驗參數

圖2（a）為校準靈敏度所用的Φ30-1.2平底孔的反射波形，由于平底孔的底部反射面積遠小于聲束掃查截面積，所以平底孔反射回波對一次底波的影響可以忽略不計，底波高度和位置都保持不變。

圖2（b）、（c）為樣品端頭底波損失波形圖樣，裂紋埋藏深度變化為Sa=25.1～26.2 mm，位置變化時底波損失由80%變成40%，缺陷波峰回波高度Ha均＞100%。底波出現損失是由于聲束前行方向遇到貫穿裂紋側壁造成的能量反射，底波損失越嚴重，表面聲束和裂紋的延伸方向近乎垂直。

圖1 樣品YP06#裂紋表面和分析斷面形貌圖

圖 2（d）、（c）分別為距離分析端頭 65 mm 和 125 mm處的探傷靜態波形，觀察波形可以看出，此時缺陷波高Ha均＞100%，但是埋藏深度Sa變化范圍為Sa=22.1～23.1 mm。由此可見缺陷的徑向貫穿范圍在逐漸減小，底波恢復體現其貫穿范圍已經縮小到聲束截面積的1/2以內。圖2（f）、（g）為探頭從距離分析端頭195 mm移動到245 mm處的靜態波形，觀察圖中缺陷回波的高度Ha和缺陷埋深Sa可以看出，回波高度Ha已經降低到40%以下，缺陷埋深Sa逐漸接近一次底波B1。說明此刻裂紋已經逐漸變為單向擴展裂紋，且逐漸在向表面擴展。圖2（h）中樣品端頭300 mm處的波形已經是正常組織回波，說明裂紋軸向延伸距離已經結束。

由探頭從分析端頭向另一端探頭60 mm等距螺旋前進的系列靜態波形組圖可看出：裂紋最高回波幅度Ha由＞100%降低到26%，缺陷埋藏深度由25.1 mm變化至0mm，說明分析樣品棒材中裂紋的開裂部位在斷面上部逐漸收縮并向棒材表面移動。

圖2 樣品YP06#不同部位靜態波形組圖

3 結語

通過超聲波探傷和金相分析試驗研究發現鈦合金棒材徑向貫穿裂紋缺陷的波形特征和缺陷形貌之間的對應關系為：

（1）探頭在沿著圓周面旋轉檢測時在一定角度范圍內會出現底波大量損失同時近中場范圍內會出現強反射回波信號，底波損失最低方向對應貫穿裂紋的垂直擴展方向。

（2）當貫穿裂紋逐漸收縮為內部裂紋并向表面擴展時，裂紋的缺陷回波高度會逐漸降低，裂紋埋藏深度逐漸向表面靠近時，裂紋反射缺陷回波也逐漸向一次底波B1靠近。

（3）如果探頭在軸向移動中發現缺陷反射回波降低且底波損失情況逐漸恢復，且缺陷波峰逐漸向一次底波靠近并最終消失，則說明該貫穿裂紋在逐漸收縮并向棒材表面擴展，缺陷回波消失位置即為裂紋擴展終止位置。