组织和检测方法对锆合金型材翼板超声波检测结果的影响

刘 琼,王 健,马天洋,杨 锋,李宇力,李科元

(西安西部新锆科技股份有限公司,陕西 西安 710299)

锆合金因其优异的核性能,适中的力学性能和良好的加工性能,主要被作为核动力和民用发电的结构材料,是重要的战略金属。锆合金型材作为核结构材料中的关键部件,其质量可靠才能保证核能应用的安全性。而翼板部分在型材中占比比较大,是型材的主要部分,其质量将严重影响锆合金型材的整体质量。为了保证核能应用的可靠性和安全性,超声探伤在锆合金型材加工过程中,已经成为一种过程控制和产品检验的重要手段,以严格控制产品质量[1-3]。

锆合金型材生产过程中,去应力退火态型材翼板的双晶探头超声检测出现50%FSH ～60%FSH伤信号,但使用X射线检测时未发现裂纹、夹杂等缺陷,型材翼板的力学性能和腐蚀性能也未出现异常,为了准确判定锆合金型材质量,针对该型材翼板超声伤信号问题进行分析,并提出了准确判定锆合金型材翼板质量的无损检测方法。

1 试验过程

本试验分三部分,(1)使用双晶探头检测方法和水浸聚焦式检测方法,在伤信号异常的去应力退火状态锆合金型材翼板上四个位置进行超声检测,对同一位置的检测结果进行对比;(2)对挤压态、去应力退火态和再结晶退火态的锆合金型材翼板组织进行对比,并对不同组织使用双晶探头的超声检测结果进行对比;(3)使用层析法对双晶探头检测有超标伤信号的位置进行组织检测。试验一和试验三用样品如图1所示。

(a) 型材横截面示意图 (b) 存在异常伤信号(1#～4#)的翼板图1 试验用型材Fig.1 Test section

超声波检测设备为便携式脉冲反射式超声波探伤仪,人工伤为孔径0.8 mm的平底孔,埋深分别为T-3、1/2T、3(T为翼板厚度)。双晶探头超声检测方法为双晶直探头,频率5MHz;水浸聚焦超声检测方法为水浸聚焦探头,频率10MHz。根据GB/T 5193《钛及钛合金加工产品超声波探伤方法》的规定,6～20 mm厚的板材采用直径8～20 mm、工作频率2.5～5MHz的双晶探头,或6～16 mm、工作频率5～10MHz的水浸聚焦探头,选取以上频率的探头,探头频率越高检测精度越高。

层析法进行组织分析时,在图1(a)中去应力退火态型材翼板双晶探头探伤超标伤信号80%FSH 的位置取样,从翼板的纵截面进行逐层金相组织分析(由翼板边部向型材中心)。因标准伤为孔径0.8 mm的平底孔,根据伤信号判断缺陷应超过0.8 mm当量大小,在接近缺陷位置时,磨样时单次去除量按照0.4～0.6 mm制样,在磨削量分别是0.3 mm、4.3 mm、4.8 mm、5.4 mm、6.0 mm、6.6 mm、7.1 mm和8.1 mm的位置进行金相检测。

2 试验结果与讨论

2.1 双晶探头和水浸聚焦探头检测对比

使用双晶探头和水浸聚焦探头对图1(b)型材翼板中1#、2#、3#、4#四个异常伤信号位置检测的结果见表1,使用不同超声波检测方法在同一缺陷位置检测,表现出不同的伤信号。在水浸聚焦A扫图中四个位置未发现明显的缺陷信号显示,信号幅值高度小于30%FSH,而使用双晶探头对图中四个位置进行检测,其信号幅值均大于65%FSH。

表1 双晶探头和水浸聚焦探头的检测结果

图2为水浸聚焦C扫描检测结果,在翼板主要区域未发现有明显的底波损失,波动在4 dB以内。GB/T 5193《钛及钛合金加工产品超声波探伤方法》规定,探伤中正常底波损失不能超过50%(相当于6 dB),本试验满足标准要求。在超声探伤过程中,声波会因为传播过程中被介质吸收和散射发生一定衰减,当超声波遇到近表面大缺陷、吸收性缺陷或倾斜大缺陷时,底波会消失[2]。底波损失波动在4 dB以内也说明翼板中无明显缺陷。

(a)底波幅值 (b)C扫描底波监控结果图2 C扫描检测结果Fig.2 C-scan testing results

图3是双晶探头和水浸聚焦探头结构对比。根据两种探头的结构特点,水浸聚焦探头声束基本垂直入射,而双晶探头声束入射时存在一定角度。双晶探头的晶片采用一发一收的形式,两个晶片位置对称,倾斜角度为θ,θ角介于4°～10°之间,使入射声束向探头中心线方向倾斜,在被检板材中形成菱形聚焦区。当纵波倾斜入射至翼板内部时,会发生反射和折射,反射波被探头隔声层吸收,不会对检测造成影响。当翼板内存在缺陷(组织不均匀)时,折射纵波在产生反射纵波L 的同时,也会产生变型横波S,FL 为缺陷的反射纵波,在FL 之后会出现变型横波FS。在翼板双晶探头检测中,由于变型横波FS出现在反射纵波FL 之后,因此可能会与翼板内部某一缺陷(组织不均匀)反射波的位置重合,存在组织不均匀反射回波与变型横波叠加引起信号幅值较高的情况。变型横波FS不仅会对翼板的缺陷识别和评定造成影响,还会引起噪声,降低信噪比。所以双晶探头对不均匀组织(取向更多)更加敏感,容易造成异常信号。为了避免双晶探头变型横波的影响,可采用水浸聚焦检测方法,采用高频窄脉冲水浸聚焦探头,可有效减小超声检测时作用于翼板内部组织的脉冲量,使信噪比明显提高[4-6]。

(a)双晶探头结构 (b)水浸聚焦探头结构图3 双晶探头和水浸聚焦探头结构Fig.3 Structure of double crystal probe and water immersion focusing probe

2.2 金相组织及超声检测结果对比

图4为挤压态、去应力退火态和再结晶退火态锆合金型材翼板金相组织。挤压态翼板总体呈现出加工流线组织,其中存在细小的再结晶晶粒,呈现出不均匀状态,但无明显粗大组织。去应力退火状态下,翼板组织整体仍然保留了挤压态的加工流线组织,因热变形组织发生回复再结晶,部分组织较为粗大,使晶粒取向差异增加,晶界更加清晰,呈现出不均匀状态。再结晶退火状态下,翼板组织发生了再结晶,部分晶粒异常长大,晶粒尺寸差异较大(5～50 μm)。

挤压态纵截面 去应力退火纵截面 再结晶退火纵截面

使用5MHz双晶探头对挤压态、去应力退火态和再结晶退火态的型件翼板进行了超声波检测,检测结果见表2。与挤压态相比,再结晶退火后的信号幅值稍有增加,去应力退火后信号幅值显著增加。对比不同状态挤压型件翼板金相组织和超声波检测结果,对应组织较为粗大且不均匀的去应力状态异型件翼板的信号更高一些。

表2 不同状态型材翼板双晶探头检测结果

而在超声探伤过程中,晶粒细小时,超声波射到各个晶粒,会引起微小的反射和散射,这些反射波在观测时就会呈现出草状回波。此外,反射还会造成被检物中传播的超声波的衰减,并减少多次反射的脉冲次数。晶粒越大时,这种衰减和草状回波越显著,引起信噪比(指有用的信号与无用的噪声杂波之比)的下降,有时甚至完全不能出现缺陷回波[4]。根据以上分析,推测去应力退火异型件翼板局部组织差异导致了使用双晶探头检测方法对翼板检测时出现异常信号。结合图4和表3的检测结果,推断去应力退火态翼板超声伤信号可能是由于双晶探头检测对不均匀组织更加敏感造成的。

2.3 伤信号位置组织检测

图5为去应力退火态型材翼板双晶探头超声检测超标信号位置逐层金相组织。可以看出,对应超声异常位置进行逐层金相组织分析,未发现内部裂纹、夹杂等缺陷。但在探头中心位置(探头检测点的中心位置)附近1.2 mm范围内(距超标伤样品边部4.8 mm、6.0 mm、6.6 mm的位置),均存在较大区域的不规则热变形组织,与其他位置的热加工流线组织有差异。进一部说明组织的不均匀性导致了双晶探头超声检测结果异常。

0.3mm 4.3mm 4.8mm 5.4mm

3 结论

(1)双晶探头超声波检测方法对局部组织不均匀更加灵敏,容易造成信号异常的情况。

(2)去应力退火型件翼板局部组织微小差异,是导致双晶探头超声异常的原因。采用水浸聚焦超声波检测方法对型材翼板进行探伤,可有效避免组织微小差异对检测结果的影响。