稀有金属 2013,37(06),870-875

TaW12薄壁板材超声检测技术研究

王增勇 李建文 孙朝明 汤光平

中国工程物理研究院机械制造工艺研究所

摘 要：

通过分析厚度约为1.5和3.0 mm的TaW12板材的成型工艺、易产生的缺陷类型, 提出采用兰姆波实现金属平板内部质量检测。采用数值模拟计算和实验测试的方法得出了最佳兰姆波激励参数, 根据测试的两种厚度TaW12板材的孔径-兰姆波幅值响应曲线, 建立了板材内部缺陷的定量评价基准, 检测结果表明可实现稳定检出TaW12平板内部Ф0.4 mm当量孔的缺陷。对于弯曲后的1.5 mm厚度TaW12板材内部质量检测, 实验发现兰姆波对缺陷的检出能力受曲面影响较大。研究发现采用频率为4¹0 MHz以上带延迟块的纵波直探头可有效检测出弯曲板材中的分层缺陷, 且频率越高检测效果越好。根据研究结果编制了专用工艺, 生产应用结果表明研究的检测方法效果理想, 可有效检出内部开口宽度在10μm左右的裂纹类缺陷, 满足了产品质量控制要求。

关键词：

TaW12合金;板材;超声检测;兰姆波;检测参数;

中图分类号： TG115.285

作者简介：王增勇 (1971-) , 男, 重庆璧山人, 学士, 高级工程师;研究方向:材料及结构件的质量评价, (E-mail:my_wzy@163.com) ;

收稿日期：2013-06-05

基金：国防科工局技术基础项目 (Z112011C001) 资助;

Ultrasonic Testing Technique on TaW12 Alloy Plates

Wang Zengyong Li Jianwen Sun Chaoming Tang Guangping

Institute of Machinery Manufacturing Technology, China Academy of Engineering Physics

Abstract：

The Lamb wave was used to test inner quality of TaW12 alloy plate with the thickness of 1. 5 and 3. 0 mm after analyzing its forming process and defect type. The optimum parameter of Lamb wave was gained by numerical simulation and testing examination.According to hole diameter-echo amplitude curve of two kinds of thickness TaW12 plate, the quantitative evaluation criterion of defects in plate was built. The result showed that the defect of about Φ0. 4 mm in TaW12 alloy plate could be tested steadily. As to testing curved plate with the thickness of 1. 5 mm, the examination result showed that curved face influenced the defect testing ability of Lamb wave badly. So the longitudinal wave probe with delay block at 4 ~ 10 MHz frequency were used and could effectively detect delamination defect in curved plate, and the higher the probe frequency was, the better the detecting effect was. The special testing technique was summarized according to study results. The results of production application showed that the testing effect was satisfied, the fine cracks in the internal with opening width around 10 μm could be detected effectively, which satisfied the quality requirements of products.

Keyword：

TaW12 alloy; plate; ultrasonic testing; Lamb wave; test parameter;

Received： 2013-06-05

钽合金尤其是钽钨合金具有优异的物理和化学性能, 如高熔点和高密度、良好的抗腐蚀性能和优良的可成型性等, 使之成为化工、电子、航空等众多高科技领域广泛研究和使用的工程和功能材料^[1,2,3,4]。厚度约为1.5和3.0 mm的Ta W12合金板材是某产品关键零部件用材料, 其生产过程为超高真空电子束炉二次熔炼成锭, 经过热轧成板料, 最终冷轧成一定规格的板材^[5]。由于板材的成型过程是以轧制为主, 在合金基体中会形成形变带组织, 当冷轧到一定的应变量下, 材料在晶粒尺度上会发生微观分裂, 会形成形变带结构^[6,7], 进而有可能形成平行于锻轧面的分层或层间撕裂等宏观缺陷^[8]。

为保证产品质量, 要求对入厂和加工中的板材进行100%无损检测, 内部不得有大于一定孔径的缺陷。一般来说, 对于大规格尺寸的金属平板检测, 兰姆波是非常不错的选择, GB/T 8651^[9]等均提出采用兰姆波对薄板进行检验, 目前在变厚度薄板、铝基复合板材等薄壁件的检测中进行了应用^[10,11]。而对于弯曲后的板材检测, 由于兰姆波传播机制的复杂性, 很难实现可靠检测。根据近几年Ta W12合金板材的超声检测试验研究^[12,13], 本文优选了超声检测工艺, 并在生产中进行了可靠应用。

1 平板检测

1.1 平板检测方法

兰姆波 (Lamb wave) 是超声波入射到自由表面的薄板中形成的一种特殊形式的波, 通常薄板的厚度与波长为同一数量级。兰姆波在传播过程中受到板的上下表面的限制, 发生连续的反射与干涉, 传播模式随着板厚与频率的变化而变化, 相速度随着频率的变化形成不同的频散曲线。兰姆波的多模式及频散特性造成它的激励与接收的特殊性复杂性, 要想充分利用兰姆波, 必须解决频散曲线的绘制问题, 目前基本上是采用计算机软件理论计算^[14,15,16], 这对工程应用是有难度的。在应用研究中通常采用计算和实验结合的方法, 通过测试缺陷已知的试件获得最佳的检测角度。

用兰姆波对板材超声检测前, 首先要在薄板中尽可能地激发较纯的某一模式兰姆波, 且要选择该模式的群速度极大或极小点附近, 这样兰姆波可以以几乎一致的速度向前传播, 提高无损检测的空间分辨力。第二要选择合适的入射角度, 使所需模式兰姆波的能量最大, 而其它模式兰姆波能量相对较小。

1.2 兰姆波参数选择试验

采用不同频率的可变角探头, 在图1所示的参考试块上作出入射角和人工缺陷反射回波振幅的关系曲线, 然后从中选出板端面和人工缺陷的反射回波前沿陡削、无杂波, 且板边盲区和探头前沿盲区较小的入射角和频率。

根据试验结果, 从中选取对人工缺陷的反射回波响应最好, 波形最陡削的兰姆波模式作为检测用兰姆波。

1.3 参数理论计算验证

为完成兰姆波相速度曲线的计算, 需要对其数学描述方程进行变换。以对称型 (s型) 的频率方程求解为例, 可将其转化为函数零点的求解。

C_P为兰姆波相速度, m·s^-1;f为频率, Hz;d为板材厚度, mm;C_L为纵波速度, m·s^-1;C_S为横波速度, m·s^-1。

计算满足f (C_P) =0的若干组合, 即可实现兰姆波相速度曲线的求解。针对Ta W12薄板, 根据其纵波速度C_L与横波速度C_S值, 计算得到的相速度曲线如图2所示。

由图2可知, 频厚积越大, 产生的可选兰姆波波型就越多, 体现在检测工作中的波型就非常复杂, 从工作实用性考虑, 在检测能力足够的情况下, 板材内部激励的波形当然越简单越好。

图1 Ta W板材超声波检测标样简图Fig.1 Block sketch of Ta-W alloy plate

图2 Ta W12板材兰姆波相速度曲线Fig.2Lamb wave phase velocity curve of Ta W12

确定了兰姆波相速度C_P和斜楔纵波声速C_L, 按照公式 (2) 可计算探头入射角度:

以1.5 mm板材为例, 当频厚积为2 MHz×mm时, 由图2可知对应的相速度值。通过公式 (2) 计算得到的最佳入射角与试验结果非常吻合。

根据研究结果, 研制了Ta W12板材检测专用兰姆波探头, 探头材料选用PZT压电晶片、有机玻璃楔块, 普通Q9接头。

1.4 检测能力验证

为验证兰姆波对小缺陷的检测能力, 根据材料的验收要求, 设计了以0.1 mm递进的Ф0.3 mm~Ф0.8 mm直径的通孔试块。

固定检测距离, 对通孔进行兰姆波检测的试验结果见图3。由图3可知, 研制的兰姆波探头不但可以稳定检出Ф0.4 mm左右的缺陷, 而且孔径与兰姆波反射幅值呈现出良好的线性关系。

2 弯曲板材检测

2.1 超声检测方法选择

由板材加工工艺可知, Ta W12板材在平板状态下经超声波复检合格后, 采用卷板机滚压弯曲成规定直径的圆环。因此弯曲后的新增缺陷只可能是板材在弯曲过程中由于剪切应力导致的层间撕裂, 缺陷走向基本平行于板材平面。对于该类缺陷的现场检测, 理论上兰姆波和纵波直射法是最有效的。

图3 Ta W12板材孔径-兰姆波幅值响应曲线Fig.3Diameter-echo amplitude curve of Ta W12

(a) 1.5 mm thickness plate; (b) 3.0 mm thickness plate

采用兰姆波探头, 沿长度弯曲方向进行检测, 结果发现受工件弯曲的影响, 超声回波受板材表面的油滴影响很大, 信号不易解释, 这说明超声兰姆波在弯曲工件上传播时很容易转换成表面波。这说明对弯曲板材的检测, 兰姆波不但失去了检测效率高的优势, 而且很容易漏检, 解决的方法是: (1) 纵波检测法, 为保证检测灵敏度需控制检测频率下限; (2) 兰姆波沿宽度方向检测, 形成局部平面。

2.2 检测能力对比试验

纵波检测时, 超声对小缺陷的检出能力一般是波长的一半左右, 对Ta W12材料, 要实现不低于产品质量规定的检测灵敏度, 检测频率就不能低于2.5 MHz。考虑到工件厚度只有1.5 mm, 普通纵波直探头不能很好的区分板材的上下界面, 因此考虑采用加延迟块的方式, 将超声纵波检测的盲区限制在延迟块长度以内。

试验采用了4和10 MHz加延迟块的纵波直探头, 对弯曲后的板材进行检测。研究表明, 4 MHz以上频率可以比较容易地检出弯曲板材中的分层类缺陷, 并且10 MHz的检测效果比4 MHz更理想, 缺陷波幅值更陡峭, 见图4。

图4 弯曲后的Taw12板材纵波检测结果图Fig.4 Ultrasonic testing result of Ta W12 curving plate

(a) 10 MHz, non defect; (b) 10 MHz, find defect; (c) 4 MHz, non defect; (d) 4 MHz, find defect

对照纵波检测结果, 采用兰姆波沿宽度方向检测, 形成局部平面的方法, 对缺陷区域进行扫查, 扫查时入射点靠近宽度的一边, 沿弧线平移扫查, 完成后到另一边, 向对面进行扫查, 结果发现, 试块中的纵波检测能发现的缺陷能部分扫查出来, 且受方向限制, 存在一面能扫查出来, 换另一面就不能扫查出来的情况。

显然, 对弯曲后的板材检测, 加延迟块的纵波直接接触法比兰姆波检测法有效得多。

3 检测工艺及应用

根据研究结果, 制定了适宜现场使用的Ta W12板材超声波检测方法, 即平板检测采用兰姆波检测法, 弯曲板材检测首选带延迟块的、检测频率为4 MHz以上的纵波直接接触法。

采用制定的检测工艺, 对某批次100余件Ta W12板材进行超声检测工艺验证时。结果发现有3件含有超标缺陷, 缺陷位置指示大多在板材的端部靠近边沿位置, 见图5, 其中图5 (a) 为超声波发现缺陷位置, 图5 (b) 为对应的缺陷回波。仔细观察工件, 在其中一件板材侧面接近厚度中部位置, 发现延伸到侧面的典型裂纹开口形貌。

抽取一件表面未见缺陷的工件, 进行金相解剖试验。取样时从迎波面位置开始, 距超声探头由近及远, 在约150 mm长度范围内, 每隔20mm, 按序取5个15 mm (长度方向) ×20 mm (宽度方向) 的试样, 编号为S1-S5, 金相检测结果见图6, 结果表明, 内部缺陷主要为裂纹类缺陷, 对该裂纹缺陷采用扫描电镜测量裂纹的宽度发现, 其最大宽度约为25μm左右, 最小宽度不到6μm。试验结果证明, 制定的超声检测工艺有效, 可以有效检出产品内部的细微裂纹类缺陷, 能够满足生产质量控制要求。

图5 1.5 mm厚板材端部缺陷检测Fig.5Ultrasonic testing of plate end defect of 1.5 mm thickness

(a) Defect orientation by ultrasonic; (b) Flaw echo

图6 典型缺陷的金相检测结果Fig.6 Metallographic images of typical defect

(a) Dissect samples; (b) SEM image of S2 sample; (c) Crack tip SEM image of (b)

4 结论

1.参数选择试验和理论计算结果均表明:优选的兰姆波检测参数可稳定检出1.5和3.0 mm厚度的Ta W12平板内部Ф0.4 mm当量孔的缺陷, 且孔径与兰姆波反射幅值呈现出良好的线性关系。

2.弯曲后的Ta W12板材内部可能产生平行于检测面的层间撕裂, 采用4 MHz以上的带延迟块纵波直探头检测效果更好, 且10 MHz的检测效果比4 MHz更理想。

3.生产应用和金相验证试验表明, 制定的超声检测方法的检测效果理想, 满足了生产中的质量控制要求。

参考文献

[1] Chen H, Song Z K, Luo Y W.Study on precision cutting process of the Ta-12W alloy[J].Machinery Design&Manufacture, 2012, 259 (9) :164. (陈华, 宋志坤, 罗郁文.Ta-12W合金精密切削加工工艺研究[J].机械设计与制造, 2012, 259 (9) :164.)

[2] Su X J, He J G, Tao J Z, Dai X J, Liu Y L.The experiments research of Ta-W alloy chemical mechanical polishing[J].Lubrication Engineering, 2006, 31 (3) :78. (苏行军, 何建国, 陶继忠, 戴晓静, 刘玉玲.Ta-W合金的化学机械抛光实验研究[J].润滑与密封, 2006, 31 (3) :78.)

[3] Cai X M, Zhang X M, Zhang Y S, Wang F, Wang H, Bai R.Hidden cell structure in Ta alloys prepared by HIP[J].Chinese Journal of Rare Metals, 2012, 36 (5) :841. (蔡小梅, 张小明, 张于胜, 王峰, 王辉, 白润.热等静压Ta合金中的隐形胞状硬质强化结构[J].稀有金属, 2012, 36 (5) :841.)

[4] Cai H Z, Wei Q L, Chen L, Wang Y, Hu C Y.Effect of chemical vapor deposition temperature on composition, microstructure and surface morphology of tantalum coatings[J].Chinese Journal of Rare Metals, 2012, 36 (4) :563. (蔡宏中, 魏巧灵, 陈力, 王云, 胡昌义.CVD温度对钽涂层组成、显微组织及形貌的影响[J].稀有金属, 2012, 36 (4) :563.)

[5] Zhang T J, Liu J Z, Ding X, Lan T.Tensile properties of the alloy Ta-12W at elevated temperature[J].Rare Metal Materials and Engineering, 1999, 28 (6) :345. (张廷杰, 刘建章, 丁旭, 兰涛.Ta-12W合金的高温拉伸特性[J].稀有金属材料与工程, 1999, 28 (6) :345.)

[6] Yu H Y.Comparative study on strain hardening models of thin metal sheet[J].Forging&Stamping Technology, 2012, 37 (5) :1. (余海燕.金属薄板应变硬化模型比较分析[J].锻压技术, 2012, 37 (5) :1.)

[7] Wang S, Wang M P, Chen C, Xia F Z, Zuo B, Zhang W.Properties and structure of Ta ang Ta-W alloys during cold-rolling process[J].Transactions of Materials and Heat Treatment, 2012, 33 (6) :58. (王珊, 汪明朴, 陈畅, 夏福中, 左波, 张婉.钽及钽钨合金冷轧变形过程中的组织和性能[J].材料热处理学报, 2012, 33 (6) :58.)

[8] Qi L C, Huang L J, Liu D L, Liu C K, Huang X.Analysis of Ti-1023 titanium alloy joint forging fold[J].Forging&Stamping Technology, 2012, 37 (6) :4. (齐立春, 黄利军, 刘德林, 刘昌奎, 黄旭.Ti-1023钛合金连接件锻件折叠缺陷分析[J].锻压技术, 2012, 37 (6) :4.

[9] GB/T 8651-2002.Metal plates flaw detection method by the ultrasonic plate wave[S].China Standard, 2002. (GB/T 8651-2002.金属板材超声板波探伤方法[S].中国标准, 2002.)

[10] Han J, Kim C G, Kim J Y.The propagation of Lamb waves in a laminated composite plate with a variable stepped thickness[J].Composite Structures, 2006, 76 (4) :388.

[11] Rosalie S C, Vaughan M, Bremner A, Chiu W K.Variation in the group velocity of Lamb waves as a tool for the detection of delamination in GLARE aluminiumplate-like structures[J].Composite Structures, 2004, 66 (1) :77.

[12] Wang Z Y, Sun C M, Li J W, Liu Z W.Lamb wave testing of TaW alloy plates[J].Nondestructive Testing, 2009, 31 (9) :689. (王增勇, 孙朝明, 李建文, 刘尊伟.钽钨合金薄板的兰姆波检测[J].无损检测, 2009, 31 (9) :689.)

[13] Li J W, Wang Z Y, Meng Y T.Test and analysis of delaminated defect in TaW thin-plate[J].Nondestructive Testing, 2012, 34 (3) :32. (李建文, 王增勇, 孟玉堂.TaW薄板分层缺陷检测及成因分析[J].无损检测, 2012, 34 (3) :32.)

[14] Zheng X M, Zhao Y Z, Shi Y W.Calculation for Lamb wave dispersion curves[J].Nondestructive Testing, 2003, 25 (2) :66. (郑祥明, 赵玉珍, 史耀武.兰姆波频散曲线的计算[J].无损检测, 2003, 25 (2) :66.)

[15] Ni Y, Cheng J Z, Zhang D J.A method of calculation for Lamb wave characteristic equation[J].Nondestructive Testing.2008, 30 (8) :498. (倪园, 程建政, 张德俊.一种求解兰姆波特征方程的方法[J].无损检测, 2008, 30 (8) :498.)

[16] Xu H H, Xu C G, Li X P, Wang L J.Study on single mode Lamb wave interaction with defect of plate by finite element model[J].Procedia Engineering, 2011, 52 (15) :5067.