鑄態(tài)鈦合金制品的超聲波檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種利用超聲波對(duì)鑄態(tài)鈦合金制品（articles)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法以探測(cè)該制品內(nèi)部缺陷，該方法包括通過(guò)向各種鈦合金添加痕量硼來(lái)獲得其凝固態(tài)錠結(jié)構(gòu)中晶粒結(jié)構(gòu)的改變。與由痕量硼增強(qiáng)所提供的改進(jìn)的熱加工性結(jié)合的超聲檢測(cè)鑄態(tài)坯料的能力，可提供一種用于高性能應(yīng)用的鈦合金制品的經(jīng)濟(jì)的制造方法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】鑄態(tài)鈦合金制品的超聲波檢測(cè)方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)是2013年5月31日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)61/829, 707的非臨時(shí)申請(qǐng)， 其全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用合并于此。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本發(fā)明涉及一種鑄態(tài)鈦合金制品的超聲波檢測(cè)方法，更具體地，涉及在不需要大 量加工來(lái)提高超聲波檢測(cè)性能的情況下可探測(cè)次表面缺陷的能力。

【背景技術(shù)】
[0004] 把鈦合金用于許多關(guān)鍵結(jié)構(gòu)應(yīng)用導(dǎo)致了各種檢測(cè)方法的發(fā)展和使用。這些方法可 以分為能夠查探材料內(nèi)部（次表面）的容積法和能夠探測(cè)表面異常的表面法。這些方法在 本質(zhì)上是互補(bǔ)的，并且被同時(shí)使用以便在探測(cè)可能損害材料或部件性能的不期望狀況時(shí)可 獲得高可信度。表面缺陷不僅越來(lái)越普遍，而且越來(lái)越容易被探測(cè)，由此，由于表面缺陷而 產(chǎn)生的突變失效也越來(lái)越少。另一方面，內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的失效相比表面缺陷引起的失效明 顯更令人關(guān)注。不斷發(fā)現(xiàn)內(nèi)部微小缺陷的能力提高了高性能結(jié)構(gòu)的可靠性，并且使意外的 服務(wù)故障減少。得益于能夠設(shè)計(jì)更高的操作應(yīng)力而不會(huì)增加意外故障風(fēng)險(xiǎn)的能力，這些部 件的結(jié)構(gòu)效率也會(huì)增加。
[0005] 當(dāng)材料要用于例如航空宇宙以及能源產(chǎn)業(yè)等高性能應(yīng)用時(shí)，鈦及鈦合金的超聲波 檢測(cè)是所使用的最常見(jiàn)的檢測(cè)方法。在這種檢測(cè)方法中，利用壓電轉(zhuǎn)換器在材料中產(chǎn)生超 聲波。這種轉(zhuǎn)換器通過(guò)水或其它耦合介質(zhì)連接于正在進(jìn)行檢測(cè)的工件。內(nèi)部缺陷的探測(cè)是 以一些入射超聲波在沿它們的通道分布的區(qū)域發(fā)生的反射為基礎(chǔ)的。只要存在具有不同的 聲阻或?qū)Τ暡ㄍ干渚哂凶枇Φ膮^(qū)域，這種反射就會(huì)發(fā)生。操作中，該轉(zhuǎn)換器發(fā)送超聲波， 然后停止發(fā)送并且等待著探測(cè)反射波。在正在進(jìn)行檢測(cè)的工件的前面和背面上常存在反 射，其是有用的長(zhǎng)度標(biāo)記從而可有助于沿超聲波通道物理定位其它反射源。
[0006] 通常，超聲波測(cè)試要求要被探測(cè)的物品在超聲波檢測(cè)條件下具有在塊狀物質(zhì)上產(chǎn) 生高的聲反射的性質(zhì)。這種不同的性質(zhì)能夠使超聲波檢測(cè)技術(shù)自信地探測(cè)缺陷和不足。諸 如（但不局限于）鋼的鑄錠、鈦合金和鎳合金等具有大的、彈性各向異性晶粒的材料通常很 難利用超聲波測(cè)試進(jìn)行鑒定。由于用于超聲波檢測(cè)的聲波能夠在晶粒上發(fā)生部分反射并且 表現(xiàn)為背景"噪音"，這種困難至少會(huì)部分地發(fā)生。產(chǎn)生的這種背景噪音可掩蓋材料中的缺 陷，因此該背景噪音是不期望產(chǎn)生的。聲音在多晶金屬材料體中的散射（也稱(chēng)為聲波傳播 的衰減）可被描述為以下參數(shù)中的至少一個(gè)的函數(shù)：晶粒尺寸、本征材料特性和超聲頻率。 使用聚焦超聲波束來(lái)強(qiáng)化材料的瞬間聲穿透的任意部分中的缺陷分量是很常見(jiàn)的。這些成 熟的超聲波檢測(cè)技術(shù)可以以最大信號(hào)和信噪比為基礎(chǔ)來(lái)識(shí)別缺陷狀態(tài)。然而，若噪聲級(jí)別 高，粗晶粒材料即是如此，則利用超聲波不可能對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行可靠的探測(cè)，也不例外。
[0007] 鑄態(tài)鈦錠顯示出粒度為幾毫米到幾厘米的非常粗的晶粒。這些晶粒在凝固模式下 產(chǎn)生并且成為"噪音"，這意味著在超聲波檢測(cè)中會(huì)觀察到頻繁的、低振幅的反射。在極端 情況下，這種噪音導(dǎo)致誤報(bào)或滿(mǎn)足檢測(cè)能力需求所必要的檢測(cè)敏感性不足。這種情況最有 效的解決方法就是對(duì)錠進(jìn)行加工以改善晶粒結(jié)構(gòu)。改善晶粒結(jié)構(gòu)的熱加工（反復(fù)加熱和機(jī) 械加工）的幾個(gè)步驟是獲得改善的晶粒結(jié)構(gòu)的常規(guī)方法。然而，這種加工花費(fèi)很大并且耗 時(shí)。對(duì)例如坯料的中間產(chǎn)品進(jìn)行常規(guī)的超聲波檢測(cè)以評(píng)估其質(zhì)量是否適合最后的加工和最 終的服務(wù)。這些中間產(chǎn)品在執(zhí)行超聲波檢測(cè)之前已經(jīng)經(jīng)過(guò)了以上所提到的熱加工。
[0008] 需要能夠可靠地檢測(cè)鑄態(tài)鈦坯料的改進(jìn)方法。這種改進(jìn)方法應(yīng)該能夠?qū)?nèi)部缺陷 進(jìn)行探測(cè)而具有低的噪聲干擾，并且也應(yīng)該與坯料變成制品的后續(xù)加工相適配。本發(fā)明滿(mǎn) 足這種需求，并且還提供了相關(guān)的優(yōu)勢(shì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] -方面，本發(fā)明可提供一種方法，所述方法包括步驟：提供由鈦基合金和重量百分 比約為0. 05%?0. 20%的硼組成的鑄態(tài)鈦制品；并且超聲檢測(cè)所述鑄態(tài)鈦制品以確定該 制品是否含有內(nèi)部缺陷。
[0010] 另一方面，本發(fā)明可提供一種方法，所述方法包括步驟：鑄造由鈦基合金和重量百 分比約為0. 05%?0. 20%的硼組成的鈦錠；并且在所述鈦錠進(jìn)行任意熱加工前，用超聲檢 測(cè)該鈦錠以確定其是否含有內(nèi)部缺陷。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖la-ld包括顯示了現(xiàn)有技術(shù)的樣品錠與本發(fā)明范圍內(nèi)的樣品錠對(duì)比的照片。具 體地，圖la和lb分別為T(mén)i-6A1-4V形成的現(xiàn)有技術(shù)8-英寸（203. 2-毫米）錠的橫切面和 縱切面的照片，其示出了該現(xiàn)有技術(shù)錠的宏觀晶粒結(jié)構(gòu)。圖lc和Id分別為T(mén)i-6Al-4V-0. 1B 形成的8-英寸（203. 2-毫米）樣品錠的橫切面和縱切面的照片。
[0012] 圖2為一種抽樣方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 本方法能夠用于鑄態(tài)鈦合金制品的超聲波檢測(cè)，而不用依賴(lài)通常方法所要求的大 量的熱加工步驟。各種鈦合金可通過(guò)添加質(zhì)量百分比約為0. 05或0. 10%?0. 10、0. 15或 0. 20%的痕量硼（B)得到加強(qiáng)，從而改善處于鑄態(tài)條件下的晶粒結(jié)構(gòu)以及晶粒取向，從而 使超聲波所受的干擾最小化并且能夠很有把握地探測(cè)固有缺陷。很有把握地檢測(cè)鑄態(tài)鈦制 品的能力與由細(xì)化的（refined)晶粒結(jié)構(gòu)提供的改進(jìn)的熱加工性相結(jié)合，能夠?qū)㈣T態(tài)坯料 加工成高質(zhì)量的鈦合金制品，而不需要大量的中間加工。
[0014] 圖1在主要為T(mén)i-6A1-4V鈦合金，直徑為8英寸（203. 2毫米）的產(chǎn)品錠的縱向和 橫向上比較了宏觀晶粒結(jié)構(gòu)，其中在等離子電弧爐中的惰性氣氛中利用等離子電弧熔煉對(duì) 該產(chǎn)品錠進(jìn)行熔融。如預(yù)期一樣，傳統(tǒng)Ti-6A1-4V錠中的鑄態(tài)錠極其粗并且遵循著由凝固 速率造成的宏觀模式。與此相反，通過(guò)添加痕量硼而得到加強(qiáng)的Ti-6A1-4V的晶粒結(jié)構(gòu)顯 示出大約一個(gè)數(shù)量級(jí)的顯著的晶料細(xì)化和明顯更細(xì)小的晶粒形態(tài)。
[0015] 鑄態(tài)Ti-6A1-4V中極其粗的晶粒在超聲波檢測(cè)（以80 %的幅度衰減57-59分 貝）中導(dǎo)致產(chǎn)生顯著的噪聲級(jí)，從而妨礙了對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行任何有意義的探測(cè)。對(duì)由痕量 硼加強(qiáng)的Ti-6A1-4V的鑄態(tài)錠材料可以使用常規(guī)鍛造坯料參考標(biāo)準(zhǔn)順利地進(jìn)行超聲檢測(cè)。 Ti-6Al-4V-0. 1B鑄態(tài)錠的超聲C掃描在以80%的幅度衰減12-16分貝的情況下進(jìn)行，這是 與鍛造坯料標(biāo)準(zhǔn)相等的或比鍛造坯料標(biāo)準(zhǔn)更好的響應(yīng)。由痕量硼加強(qiáng)的Ti-6A1-4V的鑄態(tài) 錠也可使用X射線技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并且確認(rèn)其沒(méi)有孔隙率，從而驗(yàn)證了超聲波檢測(cè)的結(jié)果。
[0016] 常規(guī)鈦合金從高溫冷卻的過(guò)程中形成粗的柱狀晶粒和晶團(tuán)結(jié)構(gòu)，例如β Ti轉(zhuǎn)變 為a Ti。a Ti和早先的β Ti晶粒之間存在晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系。若整個(gè)晶粒中存在a Ti的均 勻成核，那么相鄰的aTi粒子具有不同的晶向，并且每個(gè)粒子相當(dāng)于明顯的聲散射實(shí)體。 但是，若βΤ?晶粒中僅存在很少aTi核的位置，那么一定區(qū)域中的aTi粒子都會(huì)以相同 的晶向生長(zhǎng)，并且形成晶團(tuán)結(jié)構(gòu)。這種晶團(tuán)變成聲學(xué)實(shí)體（acoustic entity)。由于晶團(tuán)在 aTi晶粒中形成，所以該晶團(tuán)尺寸不會(huì)大于βΤ?晶粒的尺寸。βΤ?晶粒的尺寸和晶團(tuán)結(jié) 構(gòu)中a Ti粒子的性質(zhì)都是重要的變量，影響單相和兩相鈦合金和材料的超聲波噪音和超 聲波檢測(cè)。因此，β Ti晶粒的尺寸和晶團(tuán)結(jié)構(gòu)中a Ti粒子的性質(zhì)可通過(guò)在超聲波檢測(cè)中產(chǎn) 生不期望得到的噪音來(lái)影響超聲波檢測(cè)結(jié)果。在常規(guī)鈦合金中添加的痕量硼可使a Ti晶 粒得到顯著細(xì)化并且也會(huì)影響a Ti粒子的取向，從而使材料能在低噪聲級(jí)下進(jìn)行超聲波 檢測(cè)。
[0017] 由利用超聲波檢測(cè)成功地進(jìn)行檢測(cè)的鑄態(tài)錠機(jī)械加工得到的坯料可順利地直接 擠出形成結(jié)構(gòu)型材。表1中所示的是擠壓制品所顯示的拉伸性能。由鑄態(tài)錠坯料制成的擠 壓制品的性能滿(mǎn)足由常規(guī)鍛造坯料制成的擠壓制品的最小性能需求。另一方面，沒(méi)有被痕 量硼加強(qiáng)的現(xiàn)有技術(shù)鑄態(tài)鈦錠由于熱加工性差而顯示出明顯的缺陷和尺寸問(wèn)題。痕量硼加 強(qiáng)的鑄態(tài)鈦錠中的細(xì)晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了良好的熱加工性，由此這些鑄態(tài)錠可作為輸入原料來(lái)制 造產(chǎn)品而不需要在用來(lái)細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)的熱加工步驟上耗費(fèi)金錢(qián)和時(shí)間。
[0018] 表 1
[0019] 使用鑄態(tài)輸入原料直接制造的含有痕量硼的Ti-6A1_4V的擠出制品在室溫下的 拉伸性能
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種方法，包括步驟： 提供一種由鈦基合金和重量百分比約為0. 05%?0. 20%的硼組成的鑄態(tài)鈦制品；并 且 超聲檢測(cè)所述鑄態(tài)鈦制品，以確定所述制品是否含有內(nèi)部缺陷。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述硼的重量百分比為0. 05%?0. 15%。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述硼的重量百分比為0. 05%?0. 10%。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述硼的重量百分比為0. 10%?0. 20%。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述硼的重量百分比為0. 10%?0. 15%。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鈦基合金為以下的其中一種：市售純鈦、 Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4M〇-4Cr、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2M 〇、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2M〇-0· ISi、 Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-3Al-2.5V、超低間隙 Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-15M〇-2. 7Nb-3Al-0. 2Si、Ti-3Al-8V-6Cr-4M〇-4Zr 和 Ti-5Al-5V-5M〇-3Cr。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述超聲檢測(cè)步驟導(dǎo)致獲得已進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的鑄態(tài) 鈦制品；并且還包括步驟：對(duì)所述已進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的鑄態(tài)鈦制品進(jìn)行熱加工，以獲得成品 欽制品。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述熱加工步驟包括利用鍛造、乳制和擠出中的至 少一種方式處理所述已進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的鑄態(tài)鈦制品，以形成所述成品鈦制品。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述超聲檢測(cè)步驟導(dǎo)致獲得已進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的鑄態(tài) 鈦制品，而未在所述超聲檢測(cè)步驟之前對(duì)所述鈦制品進(jìn)行熱加工來(lái)細(xì)化所述鈦制品的晶粒 結(jié)構(gòu)。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述超聲檢測(cè)步驟導(dǎo)致獲得所述已進(jìn)行無(wú)損檢測(cè) 的鑄態(tài)鈦制品，而未在所述超聲檢測(cè)步驟之前對(duì)所述鈦制品進(jìn)行鍛造、乳制或擠出來(lái)細(xì)化 所述鈦制品的晶粒結(jié)構(gòu)。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟：在企業(yè)場(chǎng)所對(duì)由所述鈦基合金和所述硼制 成的錠進(jìn)行鑄造以形成所述鑄態(tài)鈦制品；其中所述超聲檢測(cè)步驟在所述企業(yè)場(chǎng)所進(jìn)行并且 獲得合格的檢測(cè)；并且在所述超聲檢測(cè)步驟之后還包括步驟：將所述鑄態(tài)鈦制品從所述企 業(yè)場(chǎng)所運(yùn)送至遠(yuǎn)離所述企業(yè)場(chǎng)所的客戶(hù)。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟：將所述鑄態(tài)鈦制品加工成為成品鈦合金制 品。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括步驟：生產(chǎn)包含所述成品鈦合金制品的產(chǎn)品，而 不用在所述超聲檢測(cè)所述鑄態(tài)鈦制品步驟之后以及所述生產(chǎn)所述產(chǎn)品步驟之前，對(duì)所述成 品鈦合金制品進(jìn)行超聲檢測(cè)。
14. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述成品鈦合金制品是航空器部件、石油鉆探部 件和武器部件的其中之一。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述成品鈦合金制品是短艙、機(jī)艙棚、回轉(zhuǎn)式壓縮 機(jī)葉片、定子機(jī)翼或葉片、燃燒室、回轉(zhuǎn)式渦輪葉片、排氣噴管、排氣口堵、航空器掛架部件、 航空器隔熱部件和航空器緊固件之一。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述成品鈦合金制品是鉆桿、管套、油管、離岸 管道系統(tǒng)、海底流線、離岸采油立管部件、離岸輸出原油立管部件、回注立管部件、油井管 (OCTG)油管、OCTG套管、OCTG內(nèi)襯、離岸深水著陸鉆桿、離岸修井鉆桿、離岸緊固件、井口裝 置部件、完井部件（well jewelry component)、測(cè)井部件、井下工具和船舶潛水部件之一。
17. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述成品鈦合金制品是槍管和軍用車(chē)輛的裝甲之 〇
18. -種方法，包括步驟： 鑄造由鈦基合金和重量百分比約為0. 05%?0. 20%的硼組成的鈦錠；并且 超聲檢測(cè)所述鈦錠，以確定在所述錠經(jīng)過(guò)任何熱加工之前所述制品是否含有內(nèi)部缺 陷。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述超聲檢測(cè)步驟包括：超聲檢測(cè)所述鈦錠，以在 所述錠經(jīng)過(guò)任何鍛造、乳制或擠出之前確定所述制品是否含有內(nèi)部缺陷。
【文檔編號(hào)】G01N29/04GK104215691SQ201410234583
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月31日
【發(fā)明者】塞希·塔米日薩堪達(dá)拉 申請(qǐng)人:Rti國(guó)際金屬公司