Nb-Hf 合金棒材表面裂紋質量問題的分析及預防

1 前言

鈮鉿合金是一種低強度高塑性并且有良好焊接性能的合金，1965年，美國研制成功Nb-10Hf-1Ti合金，并于1969年用于阿波羅載人登月艙液體火箭發動機輻射冷卻噴管延伸段，1975年，中國也研制成功Nb-10HfTi1Zr0.7鈮合金。試驗證明，我國研制的鈮鉿合金的主要性能指標已經達到國外同類合金的水平。目前能生產直徑220mm，高900mm的鑄錠；同時也能生產直徑110mm，長1200mm～1500mm的擠壓棒以及各種規格的板材。

由于鈮鉿合金材料具有特有的高熔點，低強度、高塑性并且有良好焊接性能的特點，其廣泛應用于電子、冶金、鋼鐵、石油、化工、汽車、通訊、建筑、交通、核能、航空應用及航天航空等領域

。

另外，鈮鉿合金是航天工程和技術中應用量最多的一種鈮合金，對金屬鈮來說，它在難熔金屬中具有的出色綜合性能，如熔點高達2448℃，比重為8.57克/立方厘米，在1093℃～1427℃范圍比強度最高，溫度低至-200℃仍有良好的塑性和良好的加工性能，而鈮鉿合金是以鈮為基加入一定量鉿和其他元素形成的鈮合金,在二元相圖上，鈮和β-Hf形成置換固溶體，鉿是一種活性元素，與鈮中的氧和碳化合生成HfO

和HfC化合物，起彌散強化作用，同時降低間隙元素的有害影響，改善鈮合金焊接性能和涂層性能,從而使它成為在宇航方面優先選用的熱防護材料和結構材料。但是，它的高溫抗氧化性能不好，在450℃以上必須氧化保護涂層。具體應用場所：

對照組：在授課過程中觀看傳統中心靜脈穿刺錄像，并進行頸部解剖知識講解識別，然后帶教老師進行一次操作演示。采用傳統體表解剖標志定位，在胸鎖乳突肌的鎖骨頭、胸骨頭和鎖骨形成的三角區域內的上部，先觸及頸總動脈搏動，在動脈搏動的外側0.5～1.0 cm為穿刺進針點，穿刺針體與皮膚約呈30°，針干與中線平行直接指向尾端，先用小針試探性穿刺，穿入頸內靜脈后，再用頸內靜脈穿刺針沿相同的方向進針，注射器負壓邊回抽邊進針，回抽有暗紅色血液時停止進針，其余操作同實驗組。

（1）液體火箭發動機輻射冷卻噴管延伸段，此種結構簡單、可靠、適用于承受長時間工作和多次起動，所以多用于頂級發動機和宇宙飛行器發動機。如；大力神ⅢC的過渡級發動機噴管延伸段采用輻射冷卻；阿波羅載人登月飛船服務艙發動機輻射冷卻噴管延伸段；阿波羅登月艙下降發動機輻射冷卻噴管延伸段等等；

（1）選取具有代表性的三種樣品進行X射線檢測，具體方法是每個樣品從相互垂直的兩個方向進行X射線檢測。如圖18-20。

那么，這種激光脈沖和普通的激光器有什么不同呢？斯特里克蘭解釋說：如果你從商店買來一款激光器，開啟開關1秒鐘，如果脈沖不間斷，那么在你關閉它之前，就已經穿越從這里到月球距離的3/4。通過啁啾脈沖放大的激光器，可以將同樣數量的光子擠壓成只有一張紙那么厚的脈沖。斯特里克蘭說：“當你把所有光子擠壓在一起的時候，光子的數量是特別巨大的。”的確，如果你的手擋住了這樣的光束，就會受到嚴重的燒傷，甚至，特別強大的聚焦激光脈沖可以粉碎藍寶石。

2.2.1 超聲波探傷儀

但是，確保產品正常順利工作和使用的首要條件是產品必須無任何質量問題，特別是上面所說的應用于航天方面的火箭發動機更是不能有一絲一毫的問題，如果當產品存在潛在的各種缺陷如裂紋等，不僅無法保證產品的正常使用，對航天類產品而言，還將由于此問題將造成設備或裝備的致命的損傷，從而導致無法正常工作，其后果是非常嚴重的。因此非常有必要明確缺陷的產生原因并提出相應的檢測方法。

（2）X射線檢測設備型號及參數。檢測時選用德國進口的飛利浦450X射線探傷機，該機具有靈敏度高，穿透力強的特點；根據工件材質和厚度，通常電壓選用100KV～360KV，電流選用10mA，透照時間選用2min;膠片選用愛克發工業膠片。

2 實驗

2.1 實驗用材料來源及缺陷分類

2.1.1 材料生產過程及來源

將鈮、鉿、鈦三種合金按一定比例配料，用氬弧焊方法制成電極，在真空自耗電弧爐上經兩次熔煉制取鑄錠，然后將鑄錠包鋼套在擠壓機上開坯，再鍛成棒材，經機加至規定尺寸。

此次收集的棒材為在機加工生產工序中發現存在裂紋缺陷的廢品。

2.1.2 缺陷分類

依據發現裂紋缺陷的部位，分為棒材外表面及側面存在長度及深度不等的裂紋、內部裂紋及表面較淺的小缺陷三類缺陷作為分析對象。具體為：圖1-5為外表面及側面存在長度及深度不等的裂紋、圖6-7內部裂紋及圖8為表面較淺的裂紋小缺陷。

2.2 實驗用檢測設備原理及型號

（3）可伸出噴管民兵Ⅲ第三級可伸出噴管延伸段方案采用鈮鉿合金制成，長度約406毫米，用4個氣動作動器在點火幾秒后展開，噴管面積從24加大到43，提高了推力效率，為提高導彈射程或有效載荷提供了可能。

縱向人工刻槽缺陷參數為3mm×0.1mm×0.05mm（長×寬×深）；

平底孔試塊人工缺陷埋深一般用壁厚的3/4作為基礎。

（2）超聲波檢測設備型號。檢測時選用武漢中科創新技術股份有限公司生產的漢威HS610e型A掃描超聲波探傷儀器，該儀器具有檢測靈敏度高、可對缺陷精確定位、操作方便和選用范圍廣的特點。

當代藝術強調的是強烈的視覺性，當代公共藝術更是將這種視覺形式強化成與地域、人文、場域、環境等因素相適應的具有在地性的公共文化消費。它主張的是面向公眾的藝術展示和具有前沿藝術觀念的呈現方式，是一種與當代社會普遍價值相聯系的藝術存在。所以，對于這次具有特殊意義的藝術行動，我們打破常規，在文化上強調以沙漠人文為依托；在方式上主張以景觀性、互動性為主導；在藝術上選擇以抽象與具象性相結合。為了與沙漠的人文地理相呼應，我們在作品的體量、高度、材質以及空間布局上面制定出一個選擇標準。為此，為了體現公正、公平的競爭原則，選拔出適合于本次活動的優秀作品，藝委會向全球征稿。

（3）超聲波檢測設備選配探頭。檢測時選用廣東汕頭超聲電子股份有限公司生產的5Z10SJ50XJT水浸線聚焦探頭(圖9)以及2.5Z20N直探頭(圖10)。為保證檢測過程中，水浸聚焦探頭始終以固定角度入射到工件上，對探頭采用馬鞍架固定，并且馬鞍架與工件接觸部位，馬鞍架采用線切割的方法，加工成與工件曲率相同的外形，保證了檢測的穩定性與準確性，再輔以直探頭，對直徑方向上的內部缺陷進行檢測。

（4）超聲波檢測對比試塊選擇。采用與工件相同材質的，相同規格的縱向人工刻槽缺陷以及帶曲率的平底孔試塊。

豫東地區，早春育苗在6月下旬至7月上旬定植，秋季育苗翌年3月中下旬定植。一般在苗齡60～80天、苗高 0.3～0.4米、有 3～5根地上莖時定植。

（1）超聲波檢測原理。超聲波檢測是應用最廣泛的無損檢測方法之一，超聲波檢測方法利用進入被檢測材料的超聲波對材料表面與內部缺陷進行檢測。利用超聲波對材料的宏觀缺陷進行探測，依據的是超聲波在材料中傳播時的一些特性，如：聲波在通過材料時能量會有損失，在遇到兩種介質的分界面時，會發生反射等等，常用頻率為0.5—25MHz。通常以來自材料內部各種不連續的反射信號的存在及其幅度、入射信號與接收信號之間的聲傳播時間、聲波通過材料以后能量的衰減的進行發現缺陷并對缺陷進行評估的基本信息。超聲波檢測的適用范圍非常廣，可用于各種金屬材料和非金屬材料，從檢測形狀上來說，可以是板材、棒材、管材、鍛件等；從缺陷的特點來說，既可以是表面缺陷，也可以是內部缺陷

。

（5）超聲波檢測靈敏度選擇。通過前期對檢測設備及探頭角度的調試和確定，最終檢測時所用的基礎靈敏度為61.4dB。為了便于發現缺陷，一般在檢測時，在基礎靈敏度的數值上增加6dB作為檢測靈敏度，當發現缺陷時，恢復至基礎靈敏度作為當量的判定，得出該缺陷的當量值大小。

微信群健康教育組患者的疾病認知度評分、治療依從性評分以及護理滿意度評分等情況顯著優于常規健康教育組,具有統計學意義(p<0.05)。具體情況見表一。

2.2.2 X射線探傷機

小熊是我的同學，他在學生中威望很高。他之所以能當“老大”，是因為他總能從家里拿出些好玩的東西來，引逗得一幫“狐朋狗友”跟著他轉。比如，在1980年的時候，他就有了一套鷂式戰斗機星球大戰的電子游戲。

（1）X射線檢測原理。X射線檢測技術是一種重要的無損檢測技術，它依據的是被檢工件由于成分、密度、厚度等的不同，對射線產生不同的吸收或散射的特性和對被檢工件的質量、尺寸、特性等作出判定

。當強度均勻的射線束透照射物體時，如果物體局部區域存在缺陷或結構存在異常，它將改變物體對射線的衰減，使得不同部位透射射線強度不同，這樣，采用一定的檢測器（例如，射線照相中采用膠片）檢測透射射線強度，就可以判斷物體內部的缺陷和物質分布等。

在這里，我們僅針對棒材在機加工后出現的肉眼可見裂紋缺陷產生原因進行分析，并提出相應的預防和解決辦法。

3 實驗結果

3.1 超聲波檢測結果

對上述三種類型的裂紋缺陷進行水浸橫波超聲波檢測，其結果見圖11-17。

從圖中的檢測試驗情況可以看出，上述三類缺陷，通過超聲波檢測是可以發現的。若再進一步確定方法，設計實驗、確定人工參數試樣后，該類產品中的缺陷是具有可檢性和可控性的。

3.2 X射線檢測結果

（2）雙元液體推進劑姿控發動機；R-4D反作用控制發動機是用鈮鉿合金棒材機加工制成燃燒室；阿金納火箭其推力室的燃燒室也是用鈮鉿合金機加工制成；

從圖中的檢測情況可以看出，由于鈮鉿合金比較致密，上述三種樣品中，僅3#樣品可以發現其內部存在的缺陷，其它兩種樣品是無法發現樣品中所存在的缺陷的。

近期，水利部、交通運輸部聯合下發《關于進一步加強長江河道采砂管理工作的通知》，要求沿江各地、各相關部門在當地政府的統一領導下，按照各自職責分工，進一步加強長江河道采砂管理工作，確保河勢穩定、防洪安全和航運安全，以優異成績迎接黨的十八大勝利召開。

（2）檢測結果如下：如圖21-26。

4 缺陷特征及原因分析

4.1 缺陷特征

通過對缺陷部位進行多方位的觀察，我們發現該缺陷具有如下特征：

第一類缺陷裂紋從棒材表面向內部逐漸延伸，裂紋長度及深度不等，與棒材整體存在一定的角度，大部分約為45度，并且在分布上沒有規律可循，具有典型的鍛造折疊裂紋特征。

英國《衛報》The Guardian: to crack down on both “tigers” and “flies”—powerful leaders and lowly bureaucrats.[9]

第二類缺陷為機加后發現的內表面裂紋，該缺陷大部分處于棒材的中心部位，并且均在棒材的一端。

第三類缺陷為機加后發現的外表面較淺的小缺陷，由于此時棒材已進行了部分機加工，外徑變小，缺陷已部分切除掉，但通過對殘留部分進行觀察，可以判定同屬于第一類缺陷。其在分布上是隨機的。

通過對上述樣品存在三類缺陷部位進行觀察，缺陷部位沒有存在異類金屬和非金屬所形成的夾雜和偏析，不存在冶金缺陷問題。

4.2 缺陷產生原因分析

該批產品經過熔煉——擠壓—鍛造——機加——檢查——入庫這些工序后交付用戶。產品在后期生產過程中需要不斷進行修磨、加熱、鍛造及切頭等工序，并最終進行表面加工至合同所要求的尺寸公差范圍內。在這里修磨及鍛造是非常重要的，若坯料表面修磨不徹底，或由于局部修磨較深，則鍛造后將產生裂紋將或坯料折疊，最終導致成品外表面存在裂紋和折疊；壓下量增大有利于提高產品的鍛透性，改善金屬的內部組織，但如果過大，繼續鍛造時就會形成折疊；同樣對送進量的控制也是非常重要的，若送進量過小或鍛造過程中送進量控制不理想,也容易產生橫向折疊，即我們所說的鍛造折疊。并且變形量僅集中在表面，使內外組織不均。就會形成前面的說的第一類缺陷。

2.2.1 混合瀝青動穩定度實驗 試驗中，MY改性瀝青的動穩定度和車轍深度采用全自動車轍實驗儀，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTGE20-2011中規定規定的方法進行測試。MY改性瀝青按試驗規程制備車轍板試件，車轍試驗溫度和輪壓均按照試驗規程設定的實驗條件進行。

另外，在鍛造過程中，由于其變形特點，使棒坯的心部和表層金屬流動性有很大的差異，在棒材的頭部均會產生不

同程度的縮尾，通常對該縮尾采用鋸切的方法去除，隨后通過目視檢驗確認，因縮尾僅位于棒材頭部區域，通常的方法是可以完全去除的，但由于該類產品在機加工中較粘，棒材表面和兩端在進行車（磨）光及切頭后機加后金屬屑非常容易將缺陷掩蓋，與機加工后的痕跡混淆在一起，如果個別非常小的裂紋，檢查員目視不易發現很容易引起漏檢，棒材在加工過程中形成的縮尾如果未徹底切除干凈就會形成前面的說的第二類缺陷。

另一種比較則是非常合理的，有利于學生的健康成長，那就是縱向的自我比較。這種比較必須設置一個小小的目標，當達到了小目標之后，自己就會通過新舊自我的比較，發現進步了、成功了，一旦發現自己取得成功就樂此不疲，而且這種方法對每個學生而言都是效果明顯的。正確引導學生進行自我比較，讓學生樹立自信，有利于自身的發展。

5 結論

上述缺陷的產生原因是由于在鍛造過程未將鍛造折疊和上一道鍛造折疊因未修磨干凈所產生的裂紋以及鍛造縮尾未清除干凈而保留了下來形成的。

(1)與廬山文化結合。廬山歷史文化源遠流長，內涵深厚，是一座文化、政治、宗教名山，它最早可以追溯到新石器晚期。廬山上有大量老別墅，它是近代中西建筑文化的完美結合，也是廬山獨特的地理環境造就的，具有極高的歷史價值。廬山民宿在發展過程中，或多或少地與當地文化有著交融結合，整體文化氛圍也高于廬山山下或周邊地區。

通過上面的檢測情況可以看出，超聲波檢測是可以發現的，因此通過進一步的工作，對該類產品的這種缺陷具有可檢性和可控性；而X射線檢測則無法有效發現此類問題。

制定合理的生產工藝，加強對鍛造過程中壓下量及送進量控制，最大程度避免上述缺陷的產生。

加強對機加工后產品檢查力度，不漏檢和誤判，確保產品符合使用要求。

[1]李青云等．稀有金屬材料加工手冊[M]．北京：冶金工業出版社，1984．25-28．

[2]史亦偉等．超聲檢測[M]．北京：機械工業出版社,2012．22-25．

[3]鄭世才等．射線檢測[M]．北京：機械工業出版社,2011．40-42