鈦合金因其具有密度低、比強度高、耐高溫、耐腐蝕、耐低溫、無磁、可焊接等優異性能，被應用于航空、航天、兵器、海洋等高端領域，如：飛機及發動機的壓氣機盤、葉片、風扇、發動機罩、排氣裝置等零件制造，以及飛機的起落架大梁、隔框等結構框架件。航天方面，主要用來制造各種壓力容器、燃料貯箱、堅固件儀器綁帶、構架和火箭殼體、

人造衛星、登月艙、載人飛船等。

航空航天用途鈦合金，由于其成型零件服役環境的特殊性，所以對冶煉、鍛造、乳制、檢驗等生產過程提出了更高的要求。鈦合金冶金過程產生的內部缺陷主要有縮孔、鑄錠皮下氣孔、高密度夾雜、偏析等，對于這幾類缺陷的檢測，最經濟、有效的檢測方法就是無損檢測，而超聲波檢測以其經濟、靈活、對人體無害、穿透能力強、定位精準等優勢成為目前航空航天類產品無損檢測的主要方法之一。

棒材內部孔洞缺陷、高低密度金屬或非金屬夾雜、裂紋類的缺陷，利用常規的超聲波檢測方法（如接觸法、水浸法、時差衍射法、C 掃成像法）均可以精確有效地檢出，這里不

再贅述。本文重點研宂、探討鈦合金小規格棒材偏析類缺陷的檢測機理和方法。

1、 超聲波檢測基本原理

超聲波在被檢測傳播時，材料的聲學特性和內部組織的變化對超聲波的傳播產生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測，了解材料性能和結構變化的技術稱為超聲波檢測。超聲波檢測按原理分為脈沖反射法、衍射時差法測，其基本原理如圖1 所示。

2、 實驗

2.1 鈦合金組織偏析

根據鈦合金的熔鑄特性，在金屬學中將偏析分為：晶內偏析、區域性偏析、比重偏析；典型的鈦合金棒材低倍偏析和高倍偏析如圖2?4 所示。

圖3 偏析缺陷部位與基體組織有明顯過渡帶，基體組織為α+β 兩相組織，偏析處組織為網藍高溫組織，圖4 中組織偏析部位α相含量明顯多于基體組織中α相含量，共同之處是偏析缺陷區域與基體組織之間沒有任何間隙、孔洞或裂紋，由于偏析區域聲阻抗Z₁與基體聲阻抗Z₂幾乎相同，即Z_1≈Z₂, 假設二者之間的聲阻抗相差1% 則界面的反射率和透射率分別為：

可知，界面兩側的聲阻抗相接近時，聲壓反射率極小，透射率接近于1 , 聲能幾乎全部透射。也就是說組織偏析這種對后期產品的使用性能有極大影響的冶金缺陷，利用超聲波脈沖反射法是比較難檢出的，所以，對于組織偏析缺陷，行業內公認為用無損檢測方法是無法有效識別的，結合多年的小規格鈦合金棒材超聲波檢測經驗，根據多次檢測實驗和解剖數據分析對比，探討利用水浸法、高頻、聚焦的方法進行小規格鈦棒偏析缺陷檢測的可行性。

2.2 超聲波水浸聚焦檢測原理

小規格棒材曲率半徑小， 利用水耦合方式， 結合帶凹曲的線聚焦探頭， 能夠有效避免超聲波束在異質界面傳遞時的能量損失， 焦柱落在待檢區域， 能量更集中， 起到降噪作用的同時發現缺陷的能力更強。

水浸聚焦檢測原理圖如圖5 所示。

2.3 設備的選擇

( 1) 儀器：聲納Masterscan系列700M 超聲波探傷儀；

( 2 ) 探頭：GEISS/10MHz /0 .375" F 1.5” 線聚焦；

( 3 ) 對比試塊：φ0.4FBH 、1/4D 、1/2D 、3/4D 。對比試塊如圖6 所示。

2.4 實驗對象

（1）TC4鈦合金棒；

（2）規格：φ40X 2000mm 。

2.5 水層距離的選擇

棒材水浸探傷的掃查方式分為兩種：一種是探頭旋轉，棒材沿軸向直線移動；另一種是棒材旋轉，探頭沿軸向直線移動。本實驗選用棒材旋轉，探頭直線移動方式掃查，為了避免尺寸效應造成的聲波能量損失，棒材聲束徑向入射探傷，將焦柱落在棒材中心附近即可。

根據超聲波的波型轉換原理，超聲波在水-鈦棒兩種異質介面傳播時，會發生波型轉換，如圖7 所示。

由此可知，傳播至棒材內部的波束如果是發散的，覆蓋面積會更大，但是能量會被分散，要發現更小缺陷，必須確保經波型轉換后在棒材內部的聲束是進一步聚焦的，那么結合線聚焦水浸探頭的固有焦距F 和待檢棒材半徑r 來確定水層距離H 就至關重要，H + R 應大于F 。

已知：D=φ40mm ; r=20mm ; F =38.1mm :

假設理論焦點落在圓心，則水層與底波重合次數：

理論水距：H=18.1mm

根據實驗所用探頭的距離-振幅校驗曲線，-2dB 范圍內，探頭軸向有效焦柱長度約12mm (見圖8 ) , 所以，可將水層距離H 增加至22mm ，使能量集中的焦柱盡量多的覆蓋圓入射面一側的半徑截面，同時也能確保聲束入射后進一步聚焦。

2.6 靈敏度調節

利用對比試塊法進行靈敏度調節，分別將對比試塊上(φ0.8mmFBH ，埋深1/2D 、1/4D 處反射波幅調節至80%,取增益值最大的作為靈敏度，調節靈敏度時，可以上下微調

水層距離，根據反射波幅確認焦柱的能量集中區域（見圖9 ) 。

2.7 缺陷掃查

進行動態掃查時應在原有靈敏度基礎上噪聲允許的情況下增加2~4dB 作為掃查靈敏度，同時應控制掃查螺距應不大于有效聲束的一半，利用6dB 法測量所使用探頭沿棒材軸向有效聲束寬度為6.4mm , 所以螺距就控制在約小于3mm / 周。

2.8 實驗結果

在掃查過程中，未發現大于80% 的缺陷反射信號，未觸發報警閘門，但是出現了高度為31% 的反射信號，調整重復頻率參數，反射信號無變化，排除幻象波可能；聲束入射角度旋轉180度。反射信號消失（見圖10 ) , 根據鈦合金棒材的鍛造軋制變形方式，金屬流線沿棒材軸向延伸，如果存在內部缺陷，正常情況下，聲束上下表面入射均可發現，而上圖缺陷在聲束入射角度旋轉180 °以后無任何反射，推斷其原因，在于從下表面入射時聚焦探頭焦柱能量集中區域未覆蓋在缺陷附近所致，同時，缺陷波F左右兩側包絡線較寬，附近伴有簇狀反射信號，為內部組織相對粗大引起。在缺陷反射位置重復掃查時，發現動態波幅反射不強烈，但指示長度范圍內持續存在，推斷其為組織偏析類缺陷。

結合超聲波可以精確定位的特性，對缺陷F 部位進行解剖分析，解剖后制備金相試樣，利用鈦合金專用金相腐蝕劑對試樣進行腐蝕后發現，缺陷部位為組織偏析（見圖11 ) 。

3、結語

結合實驗可以得出，針對于高標準、小批量、小規格的鈦合金棒材，利用超聲波水浸耦合、高頻、聚焦的方式可以有效檢出，降低了鈦合金零件在服役后出現的質量風險。其弊端在于缺陷部位未開口，反射信號較弱，波幅較低，在自動在線檢測中有可能無法觸發規定當量級別的報警閘門，容易造成漏檢，手動檢測中，操作人員需要具備一定的判斷經驗。同時，也應注意，在鈦合金產品的超聲波檢測中，除了對超標缺陷進行判定外，噪聲水平也應慎重評估，尤其距離-振幅不成線性的簇狀噪聲反射。

作者簡介：孫寶洋（1984-), 男，陜西延安人，陜西天成航空材料有限公司質量部部長、公司級首席質量官，研究方向：鈦及鈦合金鍛件熱加工工藝、無損檢測評價等。

參考文獻

[1] 范艷霞，何雪康， 呂琴. 大尺寸T B 6 鈦合金超聲波探傷淺析[J].熱處理技術與裝備，2018, 1 (12) : 36-41.

[2] 馬小懷.鈦合金超聲波檢測中雜波產生原因分析[J ].無損檢測，2016，12 (22) : 649-651.

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