鍛造TC4組織超聲波調制特性研究

邰文彬，吳 偉，張全紅，鄔冠華

(南昌航空大學，南昌 330063)

為滿足提高航空效率和降低成本的要求,減輕航空材料的密度和提高性能變得越來越重要。材料密度的降低可提高飛機的推重比,增加飛行距離和減少燃料費用。飛機結構件的一種主要減重方法是采用比強度高、綜合性能好的鈦合金替換原材料,可減輕質量10%或更多[1]。其中TC4合金的總產量占全部鈦合金產品的50%，占全部鈦合金加工件的95%[2]。自從該合金出現以后,對它的研究一直持續不斷。由于對其長時間的深人研究,所以其加工技術現在已經較為成熟。但這些年由于設計概念的變化,由過去單純的靜強度設計思想轉變為破損-安全設計概念和損傷容限設計準則[3],以及對新的應用領域的開發,從而對它的研究又掀起了高潮。目前已對該合金的顯微組織、織構、熱處理、截面大小、加載方向、應力比、表面狀態及腐蝕環境對合金疲勞性能的影響規律及影響機理開展了大量研究工作,使TC4再度成為新的應用材料。

鈦合金的常規鍛造溫度是在相變點以下40～50 ℃,加熱變形得到等軸晶組織，但高溫性能、斷裂韌性和抗裂紋擴展的能力較差[4]。在相變點以上鍛造得到網籃組織,它的高溫性能(蠕變和持久性能)、斷裂韌性和抗裂紋擴展的能力較好,但塑性和熱穩定性嚴重下降[5]。在相變點45～75 ℃以近β鍛造,可獲得三態組織—等軸α+條狀α+β+β轉變基體。這種組織在不降低塑性,熱穩定性的條件下,提高了材料的屈服強度、高溫蠕變性能、低周疲勞壽命、斷裂韌性和抗裂紋擴展能力,并能提高使用溫度[6]。因此鍛造鈦合金組織決定其性能，如果能夠通過無損檢測方法判斷鍛造鈦合金組織，預測其性能，將更有利于鍛造產品的質量控制。

1 超聲組織評價原理及研究基礎

超聲波與材料相互作用，若遇到非均質介質，如聲阻抗不同兩種介質分界面、缺陷等，超聲波的傳播方向或特征會發生改變；檢測設備接收到改變后的超聲波信號，根據波形等特征便可分析工件內部“非均質介質”的特性[7]。

超聲縱波聲速：

(1)

超聲橫波速度：

(2)

式(1)和式(2)為超聲波聲速物理公式，式中:E為楊氏彈性模量(N/m2)，G為剪切彈性模量，σ為泊松比，ρ為介質密度(kg/m3)，λ、μ為介質彈性常數。彈性模量是描述材料在彈性階段力學性能的參數，它決定了材料的一系列的機械性能。材料的組織結構對彈性模量的影響表現在原子間距和原子間作用力與彈性模量有關，而原子間距與材料的組織結構關系密切，材料的組織結構改變對彈性模量也會造成一定的影響。材料手冊中[8]鈦合金的彈性模量105～120 GPa，取TC4泊松比σ=0.32，密度ρ=4.51 g/cm2，取E=120 GPa，聲速為6 170 m/s。

依照非線性聲學理論，有應力的超聲縱波聲速表達式如式(3)所示：

(3)

式中：C為有應力作用超聲波縱波聲速；CL為無應力作用無限大介質超聲波縱波聲速；σ為應力(拉應力為正號，壓應力為負號)；ρ0為介質密度；λ′、μ′為材料的拉曼常數；J、m為材料的三階彈性常數。

超聲檢測在材料中的衰減通常是指散射衰減和吸收衰減。超聲波的衰減是指超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加能量逐漸減小的現象。材料晶粒度對超聲檢測的影響表現在散射和衰減兩個方面[9-10]。根據多晶體材料的超聲散射理論，超聲散射可分為3種類型，即瑞利散射，隨機散射和漫散射。散射類型與晶粒平均直徑之間的對應關系如圖1所示。一般來說，當晶粒平均直徑d與波長λ的比值小于0.1時，散射現象微弱，對超聲檢測不會造成大的影響；而當比值大于0.1時，散射現象將顯著增強，超聲檢測的信噪比降低，靈敏度下降。

圖1 晶粒平均直徑與三種散射類型的對應關系曲線

超聲衰減的主要原因：

吸收衰減：介質質點的內摩擦、熱傳導、材料中的位錯運動、磁疇運動等都是導致吸收衰減的原因。吸收衰減與頻率的關系為αa=c1f；

散射衰減：材料中的晶粒或其他微小顆粒對聲波的散射。對于粗晶材料，超聲波的散射尤為嚴重。超聲波的散射與晶粒的尺寸、各向異性的程度和超聲波的頻率關系存在以下三種情況：

當d<<λ時，as=c2Fd3f4，稱為晶粒的瑞利散射；

當d≈λ時，as=c3Fdf2，稱為隨機散射；

當d>>λ時，as=c4F/d為擴散散射；其中d為晶粒平均直徑，λ為波長，as為散射系數，c2、c3、c4為常數，F為各向異性系數，f為超聲波頻率。

聲速6 170 m/s，檢測頻率10 MHz，波長0.6 mm，晶粒尺寸0.01～0.1 mm之間，超聲探傷中常用的頻率為20 MHz以下，散射情況主要由瑞利散射與隨機散射決定。可見散射引起的晶粒噪聲具有強烈的頻率依賴性，隨著超聲頻率的降低，散射系數急劇變小。

散射作用定量表達如式(4)，對于表面粗糙度為2 μm的情況，每次反射損失約為0.5±0.5 dB。

(4)

式中:α為衰減系數(dB/mm)；B1、B2為第一、二次底波高度；d為試樣厚度(mm);δ為底面反射損失。

聲速和衰減關系進一步描述：

(5)

式中:kL為縱波波數(k=2π/λ)；kT為橫波波數；Cl為縱波聲速；CT為橫波聲速；Δρ為組織中不同相的密度差；Δμ為組織中不同相的彈性模量差；ρ0為材料密度；a為平均晶粒半徑。

材料組織結構和性能的超聲評價在國外早已被重視[11]，Kwun H等[12]采用超聲信號的反射衰減來測量粒度，其研究表明：在相同奧氏體晶粒尺度下，超聲波在貝氏體中的衰減大于馬氏體中的衰減。Shyne[13]研究了顯微組織對超聲波在4140鋼(0.4%C)中的傳播速度與衰減的影響，結果表明：聲速在珠光體/鐵素體組織中最高，貝氏體次之，馬氏體聲速最低。Smith[14]研究發現超聲波的衰減與晶粒度和晶粒尺寸密切相關，但是從特定的衰減-頻率曲線上找不到對應的晶粒尺寸分布規律。Ambardar等[15]發現在鋁銅鑄造合金中，縱波聲速隨著晶粒尺寸的增加而增大。Gronau等[16]研究了TiAl粉末擠壓成型合金的顯微組織不均勻性與超聲聲速和聲波衰減的關系。

國內夏紀真等[17]通過超聲衰減法測量了鍛模材料的晶粒度，并建議采用液浸法測量，以減少接觸法測量帶來的誤差。Wang等[18]通過研究發現，影響聲速的主要因素是晶粒的取向，而影響衰減的主要因素是晶粒尺寸。錢鑫源[19]經過大量實驗研究表明，鈦合金冶金過程中產生的組織不均勻性會產生超聲雜波信號。陳建忠[20]研究建立了超聲縱波聲速與低碳鋼Q235平均晶粒直徑的關系，為超聲聲速法無損評價低碳鋼的晶粒尺寸提供了依據。盧超等[21]通過改變熱處理工藝，測量了不同狀態下的船用TA2合金的超聲縱波聲速和晶粒尺寸的關系，結果表明TA2合金隨著晶粒尺寸的增大，縱波聲速增大。毛江虹[22]發現當TM50合金中含有較大成分的鈮(Nb)，即富鈮偏析時，由于鈮元素的彈性模量和密度很大，導致材料的聲阻抗增大，超聲衰減嚴重，會加大超聲檢測的難度，采用高頻、小晶片探頭可降低雜波水平，提高檢測靈敏度。郝靜燕[23]采用超聲聲速法研究了超聲波參量與材料彈性性能間的關系。毛江虹等[24]發現TC4鈦合金棒材成分偏析類缺陷會影響一次底波與等邊三角波之間的波形。

馬小懷[25]用V109探頭(5 MHz)對55 mm厚度板材研究得到：TC11棒材中片狀α組織，雜波φ1.2-(3～6)dB網狀組織φ1.2 -(5～8)dB，等軸α+β轉φ1.2 -12 dB，局部φ1.2 -9 dB。張永紅[26]研究α+β型(如TC4)鈦合金比α型(如 TA1)鈦合金易產生雜波信號，雜波低晶粒組織均勻、細小，α相與β 相均勻分布(等軸近圓形α和α+β均勻片層)。雜波高，晶粒組織粗大，α相組織長條狀割裂了基體組織，且分布極為不均勻。梁菁、史亦韋[27]，等指出TC11小直徑棒材中超聲檢測雜波水平與金相組織之間存在著一定的關系；棒材中α片層集束尺寸較大、β晶粒破碎不足是高雜波水平產生的重要原因。

綜上所述，常規超聲檢測利用超聲波幅度檢測已經很好解決工程材料缺陷檢測檢測問題，利用超聲波噪聲檢測剔除超標組織(評價合格和不合格)，隨航空發動機性能的提高，航空鍛件的材料組織控制要求進一步提高，在鍛件超聲檢測中，如何利用超聲參數評價材料細化要求的金相組織的技術，成了提高航空發動機制造水平的關鍵技術。

2 材料試樣及金相分析

根據Ti-Al-V三元合金平衡相圖6%Al垂直截面(參見圖2)可知，TC4典型組織隨鍛造溫度和鍛造變形量增加，從α-β組織(拉長α初生相和片層α2-β相)，轉變到β組織(α初生相和片層α2-β相，片層α2相可能被β割斷)；雙態組織(初生α相+片層α2相)向網籃組織甚至是魏氏體組織變化。TC4鍛造試塊如圖3所示，TC4合金不同鍛造溫度和變形量的金相組織如圖4所示。

圖2 Ti-Al-V三元合金相圖6%Al垂直截面

圖3 鍛造TC4試塊

從金相組織觀察中，初生α相的大小和面積百分比隨鍛造溫度的提高和變形量的提高而減小，次生α相由短棒狀向片層狀演變，在TC4相變點附近形成網籃組織。用自編的金相分析軟件，獲得的TC4金相組織參數(初生α相面積百分比，初生α相平均直徑、長短軸比)與鍛造溫度和變形量的關系曲線，如圖5，其中“■”為變形量在23%～26%，“□”為變形量38%～42%。采用SPPS統計分析軟件作相關性分析的結果見表1～表3。

圖4 TC4合金不同鍛造溫度和變形量的金相組織

圖5 初生α相組織分布與鍛造溫度和變形量的關系曲線

表1 鍛造溫度與初生α相面積比相關性分析

**在0.01 水平(雙側)上顯著相關。

表2 鍛造溫度與初生α相平均直徑相關性分析

*在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

表3 初生α相面積比與初生α相長短軸比相關性分析

**在0.01 水平(雙側)上顯著相關。*在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

結果表明，TC4合金在920～990 ℃溫度范圍內鍛造時，初生α相的面積百分比隨鍛造溫度和鍛造變形量提高而降低，變形量在23%～26%規律性好于變形量38%～42%變形量。38%～42%變形量鍛造中，初生α相平均晶粒直徑、初生α相長短軸比隨鍛造溫度提高而降低，晶粒更圓，排除相變點附近及相變點以上數據，初生α相的面積百分比和初生α相長短軸比密切相關，面積比增減，長短軸比減小。

3 TC4鍛造組織的超聲特征參數測量及分析

利用Olympus生產的信號發生/接收器5077來控制發出和接收信號，超聲探頭采用的是奧林巴斯生產的型號為A112S 10/0.25單晶10 MHz直探頭信號的采集用Picoscope3027采集卡，并使用采集卡自帶的信號采集軟件Picoscope6.0顯示和保存波形數據，自編軟件作參數分析。

3.1 鍛造參數與超聲參數的關系

TC4合金β轉變點溫度在980～1 100 ℃左右，不同鍛造參數條件下獲得的超聲參數測量結果如圖6所示。

TC4超聲聲速和鍛造溫度及鍛造變形量SPPS統計軟件相關性分析結果見表4，說明鍛造參數和超聲聲速密切相關。

圖6 TC4鍛造組織的超聲特征參數測量結果

表4 TC4超聲聲速下鍛造溫度及鍛造變形量的相關性分析

**在 0.01 水平(雙側)上顯著相關。*在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

3.2 鍛造TC4組織金相參數與超聲參數的關系

超聲縱波聲速(V)和超聲縱波衰減系數(A)TC4金相組織參數[初生α相面積百分比(Aero)，初生α相平均直徑(D)、長軸平均長度(L)、長短軸比(Lmax/Lmin)]的相關性分析見表5(排除相變點左右和以上數據)，結果表明，超聲縱波聲速和初生α相面積百分比、初生α相長短軸比以及衰減相關，超聲衰減與初生α相長短軸比和縱波聲速相關，其中聲速和聲衰減相關表明沒有殘余應力或者殘余應力均勻一致。

表5 超聲縱波聲速(V)和衰減(A)TC4金相組織參數相關性分析

*在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。**在 0.01 水平(雙側)上顯著相關。

3.3 超聲縱波聲速與鍛造TC4組織金相參數的關系

超聲縱波參數和TC4金相參數相關性分析見表6，表明縱波聲速決定于初生α相面積百分數。

表6 不同鍛造變形量TC4初生α相面積百分數與超聲聲速及衰減的相關性分析

**在0.01 水平(雙側)上顯著相關。*在 0.05 水平(雙側)上顯著相關

進一步分析，≥980 ℃的TC4鍛造接近或超過β相變點溫度，將920～970 ℃溫度鍛造和980～990 ℃的初生α相面積百分數和超聲聲速的關系進行分析，結果見圖7，說明相變點以下，聲速隨初生α相面積百分數增加而增加，相變點以上，聲速隨初生α相面積百分數增加而減小。

在920～970 ℃鍛造組織為初生α相和(α次生相+β)組成，初生α相晶體為密排六方結構，比β相的面心立方結構更難塑性變形，力學性能上具有顯著各向異性，彈性模量高于β相。初生α相面積比降低，已知α相的彈性模量和β相的彈性模量，簡單使用機械混合物的彈性模量計算公式(6)，沒有考慮次生α相片層結構對彈性模量的提高，得到α相總含量80%時，聲速6 100 m/s，α相總含量100%，聲速6 170 m/s，與實際聲速非常接近。

圖7 TC4不同鍛造溫度下的初生α相面積百分數和超聲聲速的關系曲線

(6)

其中Eα，Eβ為α和β彈性模量，Sα，Sβ為α和β所占面積百分比。

李萍等[28]研究表明，規則片層組織彈性模量大，聲速高，因此TC4金相組織中α次生相+β相組成的片層組織，聲速高相對α初生相高，解釋了圖6b結果，相變點附近及以上鍛造，縱波聲速決定于α次生相+β相片層組織。

3.4 超聲縱波衰減與鍛造TC4組織金相參數的關系

超聲縱波衰減系數和鍛造溫度和鍛造變形量關系密切，如圖8所示，縱波衰減與金相參數相關分析結果見表7，衰減系數主要決定于初生α相的平均晶粒大小。聲速6 100 m/s，檢測頻率10 MHz，波長610 μm，晶粒尺寸在15±6 μm左右，d<<λ，as=c2Fd3f4，衰減主要是晶粒的瑞利散射，衰減隨初生α相的平均晶粒大小增減而增大。

圖8 縱波衰減與金相參數相關曲線

表7 超聲縱波衰減系數和TC4金相參數相關性分析

**在0.01 水平(雙側)上顯著相關。

進一步分析，鍛造變形量大的TC4金相組織，在相同溫度下，初生α相的面積百分數變化不大(圖4(a))，變化大的在(α2+β)片層組織，隨鍛造溫度的提高(≥960 ℃)，小變形量的(α2+β)片層組織發育完善，隨片層厚度增加，衰減系數增大。大變形量(α2+β)片層組織發育完善，隨片層厚度增加衰減系數減小。

3.5 超聲縱波二次底波頻偏與鍛造TC4組織金相參數的關系

用超聲縱波二次底波頻率偏移表達與鍛造TC4組織金相參數關系，如圖9所示，相關性分析結果見表8。

圖9 二次底波頻率偏移與金相參數相關曲線

表8 超聲縱波二次底波頻率偏移表達與鍛造TC4組織金相參數

*在 0.05水平(雙側)上顯著相關。

分析得出鍛造溫度大于等于960 ℃，超聲縱波二次底波頻率偏移決定(α2+β)片層組織發育程度，發育程度高，底波頻率偏移大。

4 結論

1)超聲縱波聲速在920～970 ℃溫度鍛造時決定于TC4合金中初生α相面積百分比，隨面積比提高而提高，在980～990 ℃鍛造時，決定于(α2+β)片層發育程度，發育程度好，聲速高；

2)超聲波縱波衰減在920～970 ℃溫度鍛造時決定于TC4合金中初生α相晶粒平均直徑，隨平均直徑增加而增加，在980～990 ℃鍛造時，決定于(α2+β)片層發育程度，發育程度好，衰減小；

3)超聲縱波二次底波頻偏在920～970 ℃溫度鍛造時決定于TC4合金中初生α相面積百分比，隨面積比提高而降低，在980～990 ℃鍛造時，決定于(α2+β)片層發育程度，發育程度好，頻偏高。