鈦合金比重小(約4.5)、熔點(diǎn)高(1600℃左右)、塑性好，具有比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)，能在高溫下長期工作(目前熱強(qiáng)鈦合金已用于500℃)等優(yōu)點(diǎn)，因而已經(jīng)越來越多地用作飛機(jī)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要承載部件，除了鈦合金材料的鍛件外，還有鑄件、板材(如飛機(jī)蒙皮)、緊固件等等。現(xiàn)代國外飛機(jī)上采用鈦合金的重量比已經(jīng)達(dá)到30%左右，可見鈦合金在航空工業(yè)上的應(yīng)用有著廣闊的前途。當(dāng)然，鈦合金也存在如下缺點(diǎn)：例如變形抗力大、導(dǎo)熱性差、缺口敏感性較大 (1.5左右)、顯微組織的變化對機(jī)械性能影響較顯著等，從而導(dǎo)致在冶煉、鍛造加工和熱處理時(shí)的復(fù)雜性。因此，采用無損檢測技術(shù)以保證鈦合金制品的冶金和加工質(zhì)量，就是一個(gè)很重要的課題。
鈦合金鍛件中容易出現(xiàn)的缺陷
一、偏析型缺陷
除了β偏析、β斑、富鈦偏析及條狀α偏析外，最危險(xiǎn)的是間隙型α穩(wěn)定偏析(I型α偏析)，其周圍常伴有細(xì)小的孔洞、裂紋，含有氧、氮等氣體，脆性較大。還有富鋁型α穩(wěn)定偏析(II型α偏析)，也因伴有裂紋并有脆性而構(gòu)成危險(xiǎn)性缺陷。
二.夾雜物
多是高熔點(diǎn)、高密度的金屬夾雜物。由鈦合金成分中高熔點(diǎn)、高密度元素未充分熔化留在基體中形成(例如鉬夾雜)，也有混在冶煉原材料(特別是回收材料)中的硬質(zhì)合金刀具崩屑或不適當(dāng)?shù)碾姌O焊接工藝(鈦合金的冶煉一般采用真空自耗電極重熔法)，例如鎢極電弧焊，留下的高密度夾雜物，如鎢夾雜，此外還有鈦化物夾雜等。
夾雜物的存在容易導(dǎo)致裂紋的發(fā)生與擴(kuò)展，因此是不允許存在的缺陷(例如蘇聯(lián)1977年的資料中規(guī)定，鈦合金X射線照相檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)直徑0.3~0.5mm的高密度夾雜物就必須予以記錄)。
三.殘余縮孔
見實(shí)例。
四.孔洞
孔洞不一定單個(gè)存在，也可能呈多個(gè)密集存在，會(huì)使低周疲勞裂紋擴(kuò)展速度加快，造成提前疲勞破壞。
五.裂紋
主要指鍛造裂紋。鈦合金的粘性大，流動(dòng)性差，加上導(dǎo)熱性不好，因而在鍛造變形過程中，由于表面摩擦力大，內(nèi)部變形不均勻性明顯以及內(nèi)外溫差大等，容易在鍛件內(nèi)部產(chǎn)生剪切帶(應(yīng)變線)，嚴(yán)重時(shí)即導(dǎo)致開裂，其取向一般沿最大變形應(yīng)力方向。
六.過熱
鈦合金的導(dǎo)熱性較差，在熱加工過程中除了加熱不當(dāng)造成鍛件或原材料過熱外，在鍛造過程中還容易因?yàn)樽冃螘r(shí)的熱效應(yīng)造成過熱，引起顯微組織變化，產(chǎn)生過熱魏氏組織。
鈦合金鍛件超聲探傷的幾個(gè)問題
除了一般鍛件超聲探傷方法中應(yīng)當(dāng)注意的問題外，鈦合金鍛件的超聲探傷還有以下幾個(gè)需要注意的問題。
一. 原材料的冶金質(zhì)量
前面第二部分所述的缺陷大部分是在原材料上就存在的，結(jié)合考慮我國鈦工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況(原材料、工藝等)，加上鈦合金價(jià)格昂貴，加工困難，并且鍛件的形狀一般都比較復(fù)雜，使得鍛件的超聲探傷存在一定的困難(例如死角、盲區(qū)、探測方向不利等)，為了將質(zhì)量隱患盡早阻絕在初始階段，應(yīng)該嚴(yán)格把好原材料的冶金質(zhì)量關(guān)，其超聲驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該從嚴(yán)要求，其方法也應(yīng)該更為詳細(xì)。
例如，對鈦合金圓棒，除了按一般周面360°的徑向入射縱波探傷外，還應(yīng)作周面360°的弦向橫波探傷(折射角一般為45°)，以保證發(fā)現(xiàn)直探頭無法發(fā)現(xiàn)的表面和近表面缺陷(例如徑向裂紋)。對于鈦合金方坯、餅坯、環(huán)坯等除了作垂直入射的縱波探傷外，考慮到可能存在沿鍛造變形應(yīng)變線產(chǎn)生的裂紋(在橫截面上多為近似45°取向)及某些傾斜取向的缺陷，還應(yīng)作折射角45°的徑向橫波探傷(國外有些標(biāo)準(zhǔn)還要求作水中5°入射縱波檢查和折射角60°的徑向、弦向橫波檢查，如英國的RPS705和美國的DPS4.713)。
由于鈦合金探傷靈敏度要求較高，故縱波探傷宜用5MHz，橫波探傷用2.5MHz(兩者在同一材料中波長相當(dāng))的頻率。在評定、鑒別缺陷時(shí)，有時(shí)還要使用更高的頻率(如蘇聯(lián)資料建議使用20MHz的頻率)。
二. 選擇合適的檢測方法
為了確保鈦合金鍛件的質(zhì)量，除了嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量外，還必須防止在后續(xù)熱加工過程中出現(xiàn)缺陷，應(yīng)該重視鍛件的毛坯及半成品的超聲探傷，以及成品階段的X射線探傷、熒光滲透探傷和陽極化腐蝕等檢查手段，其方法的選用原則上與一般鍛件基本相同。
2. 鈦合金鍛件的顯微組織變化對其機(jī)械性能有較顯著的影響，對超聲探傷中的雜波水平及底波損失的評定起到檢查鈦合金組織均勻性的作用，應(yīng)予以充分的重視。
超聲波在晶界及晶內(nèi)相組織上的散射可能在熒光屏上以雜波顯示，也可能表現(xiàn)為聲能衰減引起底波高度的降低(底波損失)，這兩者與顯微組織有一定的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)這兩項(xiàng)參數(shù)的評定，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過粗晶、并列α組織(能造成低周循環(huán)疲勞性能下降的魏氏組織)等。
就目前所作的工作來看，雜波水平高的鈦合金顯微組織，多表現(xiàn)為有完整明顯的原始β晶界和平直細(xì)長的魏氏α組織(未變形的典型魏氏組織)，或顯現(xiàn)有多且大的條塊狀α相，這類組織在機(jī)械性能上表現(xiàn)為強(qiáng)度指標(biāo)下降。此外，某些鑄造組織殘留也可能造成雜波水平較高。但就一般的過熱魏氏組織，如果其原始β 晶界及晶內(nèi)相組織取向較紊亂無規(guī)則時(shí)，盡管這樣的組織是不好的，甚至從顯微組織評定是不合格的，其雜波水平卻不一定偏高，說明雜波水平的評定目前還存在較大的局限性。
在底波損失的評定中，某些魏氏組織對超聲脈沖的高頻分量有較明顯的衰減(如并列α組織)，這在頻譜儀上較易觀察到(北京航空材料研究所錢鑫源等)，但對工業(yè)生產(chǎn)上的大批量檢查如何使用普通超聲探傷儀，選用最佳響應(yīng)頻率的探頭進(jìn)行檢測上存在一定的實(shí)際困難。
應(yīng)當(dāng)說明的是，目前對鈦合金內(nèi)部偏析也尚無可靠有效的超聲檢測方法。
總之，如何利用超聲波對各種不同顯微組織的響應(yīng)達(dá)到控制鈦合金的性能質(zhì)量，是目前需要深入研究的課題(例如采用更高的、甚至上百兆赫的頻率，以及使用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理等)。盡管如此，在目前鈦合金鍛件及材料的超聲探傷中，雜波水平與底波損失的評定仍然是兩項(xiàng)很有價(jià)值的指標(biāo)。
3.鈦合金材料的超聲探傷中，有時(shí)由于單個(gè)大晶粒或者局部的組織不均勻造成的組織反射會(huì)以單個(gè)反射信號的形式出現(xiàn)，容易和真正的冶金缺陷(如高密度夾雜物、裂紋、孔洞等)的反射信號相混淆，通過試驗(yàn)分析認(rèn)為，這種反射信號可能是由于超聲反射波的相位疊加所致。在這種情況下，采用小直徑探頭或聚焦探頭(縮小波束直徑)，提高超聲頻率，以相同的探測靈敏度(平底孔直徑相同的試塊)重新評定時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其反射信號幅度明顯下降，有時(shí)甚至消失，而真正的冶金缺陷的反射信號在這種情況下不會(huì)有明顯變化。這種方法可以鑒別鈦合金中真正的冶金缺陷與組織反射。
當(dāng)然，在鈦合金的超聲探傷中，也和其他材料的超聲探傷一樣，企圖僅以A型顯示的反射脈沖信號判斷缺陷的性質(zhì)顯然是不可能的，必須結(jié)合具體探傷對象的材料成分特點(diǎn)、冶煉及鍛造加工工藝，以及輔以其他無損檢測手段(如X射線照相、滲透、超聲C掃描等等)，加上探傷人員自身的經(jīng)驗(yàn)水平等進(jìn)行綜合分析判斷，必要時(shí)還要進(jìn)行解剖驗(yàn)證(包括宏觀、高倍，甚至電子顯微鏡、電子探針等手段)。因此，目前在鈦合金鍛件及原材料超聲探傷中，其質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)基本上仍以回波信號的參數(shù)為依據(jù)。
鈦合金鍛件與材料的缺陷實(shí)例
一. Φ70mm鈦合金鍛棒中的殘余縮孔
縱波(上為縱波波形照片)與橫波(下為橫波波形照片)均能發(fā)現(xiàn)，縱波探測時(shí)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的缺陷回波并造成底波降低(面積型缺陷，可大致判斷為徑向走向)，橫波探測時(shí)表現(xiàn)為清晰強(qiáng)烈的缺陷回波(裂紋狀缺陷)。右圖為橫向低倍照片(1x)。
二. 鈦合金餅坯中的鉬夾雜(高密度夾雜物)
這是冶煉時(shí)作為鋁鉬中間合金中的鉬未完全熔解而留在基體內(nèi)形成，可用縱波探測到，無論改變超聲頻率及超聲波束直徑都能很好地發(fā)現(xiàn)，并且在兩面探測時(shí)位置對應(yīng)良好。解剖后驗(yàn)證為鉬夾雜。在橫向低倍上多呈"眼睛"狀，在餅坯中的取向多與端面平行，但也有的會(huì)取向傾斜，在餅坯上不易發(fā)現(xiàn)，待模鍛成盤形件后因變形力使其取向改變到與端面平行時(shí)才易于發(fā)現(xiàn)。左圖為橫向低倍照片(2x)，右圖為按超聲束投射方向拍攝的X射線照片(外圈為鉛絲，中間的白點(diǎn)即為高密度夾雜物-鉬夾雜)
a) 環(huán)坯上的45°裂紋 橫向低倍 x1/2 b)左邊環(huán)坯裂紋高倍 100x
c)餅坯上的45°裂紋橫向低倍 x1/2 d)餅坯上的端角45°裂紋帶到模鍛盤上加工至半成品時(shí)暴露 1x
e)鍛制板狀件上的十字裂紋 x1/2
三.鈦合金餅(環(huán))坯中的45°裂紋及鍛制板狀件上的十字裂紋
這類裂紋是由鍛造引起的，特別是從鈦錠開坯鍛制餅(環(huán))坯時(shí)，往往因終端溫度過低、錘擊力過大等而沿最大變形應(yīng)力方向開裂。這種裂紋大多在開口處彌合較緊，或者整條裂紋上的開隙度很不均勻，局部彌合很緊，經(jīng)鍛造后機(jī)械加工至半成品時(shí)，如果表面恰好在彌合較緊的部位處，則用腐蝕或滲透法有時(shí)未必能發(fā)現(xiàn)，但其內(nèi)部開裂又較大，甚至出現(xiàn)孔洞(如照片b))。采用45°折射橫波是很容易探測到并可以判斷的。
三. Φ70mm鈦合金軋棒上的徑向表面裂紋
這類裂紋也屬于鍛造或軋制加工中形成的裂紋，可以用腐蝕或滲透法發(fā)現(xiàn)，采用45°折射橫波作周面弦向掃查是很容易探測到的，而用一般的縱波周面徑向入射探測是發(fā)現(xiàn)不了的。
四. a)橫向低倍x1/2 b)表面裂紋著色滲透顯示x1
a)橫向低倍x1/3 b)縱向低倍x1/2
c)中心粗晶處橫向高倍x500
五.Φ125mm鈦合金鍛棒的中心粗晶
用5P14直探頭周面徑向探測，中心部位的雜波水平(同聲程比較)達(dá)到Φ1.2mm-6dB。
a)橫向低倍x1 b)縱向低倍x1 c)中心粗晶處高倍 x250(有條塊狀α)
六.Φ70mm鈦合金軋棒中的粗晶
用5P14直探頭周面徑向探測，中心部位的雜波水平(同聲程比較)達(dá)到Φ0.8mm平底孔當(dāng)量，而正常試件上的雜波水平在Φ0.8mm-10~12dB左右。