锻造参数对TC4锻件的组织和超声声速的影响

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(1.南昌航空大学 无损检测教育部重点实验室，南昌 330063 ；2.中航工业贵州安大航空锻造有限责任公司，安顺 561005；3.沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳 110043)

锻造参数对TC4锻件的组织和超声声速的影响

时靖1，刘柯1,邬冠华1,黄映霞1,罗顺民2,邰青安3

(1.南昌航空大学无损检测教育部重点实验室，南昌330063 ；2.中航工业贵州安大航空锻造有限责任公司，安顺561005；3.沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳110043)

TC4中的α和β相的显微组织直接影响到材料的可靠性和寿命，采用有效的超声无损评价方法可以对TC4的组织进行评价。对不同锻造参数条件下TC4试块的超声波声速进行分析，并对照其金相组织数据，得出结论：声速与初生α相的组织分布有一定的相关性关系，α相的组织直接影响到超声波的声速。

TC4；显微组织；超声波；声速

钛合金具有比强度高和耐蚀性好等特点，被广泛应用于航空航天工业、化学工业、医药工程等领域[1]。TC4钛合金是一种具有高热强性和热稳定性等综合性能优良的α+β型的钛合金。截至目前锻造是应用最广泛的成型办法，不同的锻造条件能够生成不同的相组成成分和不同相的比例。显微组织对钛合金的性能有着显著的影响，传统钛合金的显微组织主要由α和β两相的尺寸及其排列方式来描述。钛合金锻件的组合和力学性能主要取决于锻件的热机械加工工艺(TMP)，即变形温度、变形程度、变形速度、锻后冷却速度和热处理等工艺参数会影响α和β两相的组织分布[2-3]。因此，TC4的显微组织评价具有重要的生产指导意义。

无损评价是无损检测的一个重要的发展方向。超声检测中，常用超声的一些特性参数对材料组织的均匀性、材料内部的残余应力、材料不同部位的烧伤程度等进行评价[4]。合金中α相的含量和百分比对材料的弹性模量、泊松比、材料的密度、平均晶粒尺寸等参数具有一定的影响，从而可应用超声声速的变化情况来对材料组织进行评价[5]。

1 超声检测原理

固体介质中声速与介质的密度和弹性模量等有关，因此超声的众多特性参数中，材料的组织变化对超声的声速影响较为明显。超声波在固体介质中的纵波声速公式如下式所示。

式中：E为介质的弹性模量；σ为泊松比；ρ为材料密度。

由式(1)可看出，材料的弹性模量越大，密度越小，声速就越大[6]。相同材料密度相同，柱状初生α相的组织状况影响到材料的弹性模量、泊松比，从而对应到超声声速的变化。

2 试样与检测仪器设备

根据标准HB 7238-1995《钛合金环形锻件》[7]，采用锤锻工艺，制作了16个圆柱体TC4钛合金锻件试块，直径40 mm,高度35 mm。锻造变形量分别为25%左右和40%左右两种，锻造温度为低于相变点温度的920 ℃到990 ℃。其中变形量为25%左右的试块，温度由920 ℃起，以10 ℃的步进增至990 ℃，共有8块。变形量为40%左右的试块，温度由920 ℃起，以10 ℃的步进增至990 ℃，共有8块。

试验采用的便携式超声扫查系统，利用Olympus公司生产的信号发生/接收器5077来控制发出和接收信号[8]。信号的采集部分使用的是picoscope3027采集卡。超声探头采用Olympus公司生产的A112S 10/0.25″的单晶直探头,试验时选取的探头频率为10 MHz。

3 数据采集分析

3.1超声声速采集

首先对每个试样的尺寸进行测量。由于锻造工件不同区域的均匀性相差较大，为了更好地评价试块组织，需要在试样上划分局部区域，进行超声试验。采集点的划分方法如下：在TC4钛合金端面过圆心划分8等分线，避开探头直径距离5 mm，选取圆心为第一圈，选择1个信号采集点。依次由内向外命名，1/3半径处为第二圈，选取4个点；2/3半径处为第二圈，选取8个点。超声波采样率为125 M·s-1,保留表面波、一次底波至三次底波，应用代码对所有保存信号声速全部批量处理，对采集的13个点的数据求取平均值来评价试块组织。

试样厚度为35 mm，调节增益使其出现多次底面回波，通过底波的声程差进行试样的声速测量[9]，声速c可用下式计算。

式中：h为试块高度；t为传播时间。

3.2微观组织分析

对制作试块时切下的端面进行金相制样腐蚀，分别对每个试块圆心对应部分、1/3半径对应部分，2/3半径对应部分共3个区域进行金相拍照，图1为不同锻造条件下每个试块1/3半径对应部分的金相组织图。

每个试块的对应三个区域的金相图采用IMAGJ软件进行图像处理，通过图像滤波、降噪和二值化处理，应用阈值分割图像处理方法对初生α相进行自动数据提取[10]。通过对每个试块3个采集区域金相照片中初生α相面积比、晶粒尺寸的数据进行平均处理,得到不同变形量下初生α相组织随锻造温度的变化情况，如表1所示。

表1 不同锻造温度、变形量对应的初生α相面积比

通过观察分析，锻造温度、变形程度会影响到α相的组织分布。随着锻造温度的升高，β相再结晶越来越充分，初生α相面积比下降[11]。

4 锻造参数对组织和声速的影响

图2为两种变形量的试块在不同锻造温度时，声速和初生α相面积比的关系。分析图2可看出：整体上相同锻造温度下，变形量40%的声速大于变形量25%的声速；在变形量25%的条件下，声速下降到980 ℃对应声速6 122 m·s-1时开始上升；在变形量40%的条件下，声速下降到970 ℃对应声速6 144 m·s-1时开始上升。

图1 不同锻造条件下不同试块1/3半径对应部分的金相组织图

图2 两种变形量的试块在不同锻造温度时，声速和初生α相面积比的关系

图2(a)中试块在25%左右变形量下，不同锻造温度时的声速和初生α相面积比正相关(相关性78.8%)，在0.05 水平(双侧)上显著相关。两种变形量下，随着锻造温度的升高，β相逐渐充分再结晶，初生α相面积降低，声速都在降低。25%左右变形量下，980 ℃以后，α+β片层的组织情况对声速的影响开始大于等轴状初生α相的影响，声速开始随锻造温度的升高而增加，温度变化点的声速为6 122 m·s-1。由于40%左右变形量比25%的变形量大，β相逐渐充分再结晶的能量更充分，α片层的组织情况对声速的影响温度点提前到970 ℃，声速开始随锻造温度的升高而增加，温度变化点声速为6 143 m·s-1。

初生α相晶体为密排六方结构，比β相的面心立方结构更难塑性变形，力学性能上具有显著各向异性，所以弹性模量高于β相。初生α相面积比降低，直到25%左右变形量的试块在980 ℃以后的初生α相面积比低于20%时，以及40%左右变形量的试块在970 ℃以后的初生α相面积比低于20%时，α+β片层发育良好，其开始成为影响声速的主要因素。

5 结论

TC4试块在变形量25%左右时，同温度的声速和初生α相面积比0.05显著区间正相关(相关性78.8%)，关系式为y=1.59x-9693.89(x为声速，y为对应的初生α相面积比)。两种变形量下初生α相面积比低于20%时，α+β片层对声速的影响开始高于α相。

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InfluenceofForgingParametersonMicrostructureandUltrasonicVelocityofTC4Forging

SHIJing1,LIUKe1,WUGuanhua1,HUANGYingxia1,LUOShunmin2,TAIQingan3

(1.KeyLaboratoryofNondestructiveTestingofMinistryofEducation,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China; 2.AVICGuizhouAndaAviationForgingCo.,Ltd.,Anshun561005,China;3.ShenyangLimingAeroEngineCo.,Ltd.,Shenyang110043,China)

The microstructure of α and β phases in TC4 has a direct impact on the reliability and life of the material. An effective ultrasonic nondestructive evaluation method can be used to evaluate the forging microstructure of TC4. The ultrasonic velocities under various forging parameter conditions of TC4 were analyzed in reference to its metallographic microstructures. The fact is that the velocity and the primary α phase have certain correlation relations, and the organization of α phase is directly affected by the ultrasonic velocity.

TC4; microstructure; ultrasonic; velocity

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0024-04

2017-06-25

时 靖(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向为无损检测，mengkesijiu@163.com

邬冠华(1963-)，男，教授，主要研究方向为无损检测仪器、射线检测、计算机控制技术等，wuguanhua@nchu.edu.cn

10.11973/wsjc201710006