钛合金超声波检测Word格式.docx
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所以我校无损检测专业的毕业生大部分都在航空系统的单位工作，多年来，我校一届又一届的无损检测毕业生不断壮大航空工业的无损检测力量，为航空飞行器的安全运行提供保证，为国家航空工业的发展保驾护航。
也正因为如此，努力提高我校无损检测专业毕业生的专业素质和业务水平尤为重要。
钛及钛合金是航空航天工业中应用广泛的结构材料，也是无损检测工作者检测测和评估最多的材料。
所以加大无损检测技能训练中钛合金工件检测的研究对我校无损检测学生了解钛合金工件特点、熟练钛合金工件检测方法有重要意义，同时也可以为学生毕业后的实际工作打下坚实的基础。
1.2国内外研究现状
无损检测技术已发展了近百年，无损检测技术水平的优劣却是国家的工业技术水平高低的具体表现。
无损检测技术所能带来的经济效益十分明显。
德国科学家认为，无损检测验技术是机械工业的四大支柱之一。
美国前总统里根曾说:
“没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有在众多领域的领先地位”。
可见现代工业确实是是建立在无损检测基础上。
世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。
随着无损检测技术的发展，对钛合金的无损检测方法逐渐增多。
例如TOFD（TimeOfFlightDiffraction）超声波衍射时差法、相控阵超声成像检测法等，都可以准确对钛合金工件中的缺陷进行检测，甚至还具备自动化检测和成像检测的功能。
然而，在我国当前的无损检测水平下，考虑到无损检测的成本、时效、验收水平等方面，目前对钛合金工件的无损检测应用最多的还是传统的脉冲反射式超声波检测。
因此，对钛合金常规超声检测的研究仍然具有重要意义。
1.3钛合金超声检测相关标准简介
随着钛工业的迅速发展和国家对现代工业安全性重视程度的提高，钛及其合金工件的无损检测技术方法也得到了快速的发展。
其中超声检测作为一种高效、快捷、稳定、可靠、无污染的无损检测技术手段，越来越受到各个工业检测部门的重视。
与此同时，各个行业也建立起多项有关钛合金超声检测的标准和规范。
下面就国内的钛合金超声检测标准作简要介绍。
GB/T5193-2007《钛及钛合金加工产品超声波探伤方法》是由中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和国家标准化改革委员会联合发布的针对一般钛及钛合金加工产品的超声检测方法的国家标准。
GB/T12969.1-2007《钛及钛合金管材超声波探伤方法》是由国家质量监督检验检疫总局和国家标准化改革委员会联合发布的针对外径为6-80mm、壁厚为0.5-4.5mm的钛及钛合金管材的超声检测方法的国家标准。
HB/Z36-1982《变形钛合金棒材超声波检验说明书》是由北京航空材料研究院（621所）起草、航空工业部发布、于1983年5月1日实施，并且沿用至今的变形钛合金棒材超声波检测的航空工业标准。
适用于指导制造航空发动机压气机叶片用的直径16-60mm钛合金棒材的超声波检测。
HB/Z37-1982《变形钛合金园并及盘件超声波检验说明书》中华人民共和国航空工业部指导性技术文件，适用于指导制造航空发动机压气机盘用的钛合金圆饼及盘件的超声波检测。
HB5265-1983《航空发动机TC11钛合金压气机盘用并（环）坯及锻件超声波检验说明书》是由北京航空材料研究院（621所）提出、TC11钛合金盘及饼（环）坯探伤标准编写组起草、国家航空工业部发布的航空标准。
该标准与HB/Z59-81《航空金属材料及零件超声纵波探伤说明书》同时使用，并且与HB5265-1983《航空发动机TC11钛合金压气机盘用并（环）坯及锻件超声波检验验收标准》配套使用。
该标准主要用于指导制造航空发动机涡喷13压气机TC11钛合金盘及饼（环）坯的超声波检测，也适用于其他机种的类似规格。
YB950-80《专用TC4钛合金锻制并材超声波探伤方法》是由原冶金部颁发的冶金行业标准，具体内容涉及保密法律法规，所以未得到具体的标准内容。
GJB1580-2004《变形金属超声检验方法》是由中国航空工业第一集团公司提出，中国航空综合技术研究所、北京航空材料研究院归口，中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院、航天703所、航空430厂联合起草的国家军用标准。
适用于指导锻坯、锻件、轧制件、板材、挤压或轧制棒材、型材，以及由其经机加工制成零件的超声检验。
JB/T4730-2005《承压设备无损检测》是由国家发展和改革委员会发布的行业推荐标准。
用于指导承压设备无损检测及验收方法。
该标准分为6部分，其中第三部分超声检测规定了承压设备采用A型脉冲反射式超声波探伤仪器检测工件缺陷的超声检测方法和质量分级要求。
该部分适用于金属材料制承压设备用原材料、零部件、和焊接接头的超声检测，也适用于金属材料制在用承压设备的超声检测。
其中在4.3节介绍了钛及钛合金板材的超声检测和质量分级，用于指导钛及钛合金承压部件的超声检测。
本课题主要针对GB/T5193-2007《钛及钛合金加工产品超声波探伤方法》、GJB1580-2004《变形金属超声检验方法》和JB/T4730-2005《承压设备无损检测》三个标准进行对比研究探讨，其中JB/T4730-2005并非钛合金工件的检测标准，但由于该标准较完善，故应用了锻件检测部分对钛合金进行检测，以便对比找出不同的标准对无损检测技能训练的不同作用，从而得到最佳的训练计划。
1.4课题主要研究内容
本课题是基于无损检测技能训练，对不同标准中关于超声检测的要求和规定进行研究，并重点对关超声检测方法的标准与规范中关于钛合金检测的内容与规定进行分析。
通过分析比较，了解各标准在钛合金超声检测验收标准与钛合金检测方法上的异同，总结各个标准在钛合金超声检测中的优缺点，为本专业学生的无损检测技能训练提供更加完善和有效的训练方法，同时也希望能为今后钛合金超声检测标准的制订、修订提供参考。
主要有如下研究内容：
1）摸索不同标准中钛合金工件的检测工艺，确定最佳检测工艺参数;
2）通过对各钛合金工件的超声检测，比较不同标准下，钛合金超声检测的异同;
3）对比较结果进行分析，为今后钛合金超声检验标准的制、修订提供参考。
1.5研究策略及论文的结构安排
本论文主要包括以下几个部分：
第一章：
为绪论，首先概述了本学位论文课题的来源和意义。
综合介绍了国内外超声检测的发展情况，介绍了钛合金超声检测的相关标准，并对本文作者所做的工作进行了简述。
第二章：
介绍超声检测的原理以及钛合金超声检测的特点。
通过分析超声检测的原理和了解钛合金工件超声检测的特点，为钛合金工件超声检测的探讨提供了相应的理论基础。
第三章：
通过参照钛合金超声检测不同的标准，编制钛合金超声检测工艺卡。
对多个工件应用不同标准进行检测，得出实验结果，编制检测报告，为钛合金超声检测探讨提供实验依据。
第四章：
对钛合金超声检测进行探讨，内容涉及各个标准的应用范围、一般要求、检测人员、环境、方法、验收等各个方面，通过不同标准之间对比，结合对实验结果的分析，得出相关结论。
第五章：
对全文进行了总结。
2超声检测原理及钛合金的超声检测
2.1超声检测原理
超声检测根据超声波在材料中的传播特性检测材料内部缺陷的一种无损检测方法。
主要通过超声波进入材料后，在材料中传播同时与材料中的缺陷相互作用，从而其传播方向或声学特性发生改变，通过一定的设备接收改变后的超声波，并对其分析处理，从而评估材料中的缺陷及其特性，达到无损检测的目的。
2.2钛合金的超声检测
钛合金材料具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于航空航天等领域。
但是因为钛合金具有切削加工困难，生产工艺复杂等特点，所以在钛合金材料制备、机械加工和设备服役过程中，往往会产生各种缺陷。
目前，针对钛合金材料的无损检测，主要是应用超声检测的方法。
钛合金工件中常见的缺陷种类有夹杂、裂纹、气孔等。
针对钛合金的这些缺陷，通过选用合适特超声波检测仪，结合相应的探头，使用正确的方法进行扫查就可以得到各种缺陷的回波信号。
从而可以检测出钛合金工件中存在的缺陷，防止有缺陷的工件投入使用。
2.3本章小结
根据超声波的检测原理，结合钛及钛合金工件中缺陷形式及超声波反射信号的特点，可以通过超声波，检测出钛合金工件中的各种缺陷。
在工业应用中，各行业根据自身的特点，制定了不同的钛合金超声检测标准，通过标准的要求和规定来指导钛合金工件超声检测的人员、设备、方法等环节，从而达到对钛合金工件进行良好质量控制的目的。
3不同标准下钛合金的超声检测
3.1检测工艺参数的选择
3.1.1GJB1580-2004标准钛合金工件检测工艺参数的选择
3.1.1.1仪器与探头的选择
GJB1580-2004要求脉冲发生器和接收器的频率特性应与所用探头相匹配。
超声检验仪在经过修理后投入使用前，或每年应至少校验一次使用性能，以确认其仍满足要求。
本实验根据标准要求选择的超声检测仪器型号为CTS-8008plus。
标准规定频率为2.25MHz～10MHz的探头，其回波频率与标称值的偏差应小于等于±
10%。
纵波探头的换能器直径一般应在6mm～25mm之间。
在评定所发现的不连续性尺寸时，应采用换能器直径不大于20mm的平圆探头。
本实验根据标准的要求，结合实验室现有设备，选择的超声检测探头型号为2.5Z14N。
3.1.1.2试块的选用
本实验选用的试块为成套的钛合金平底孔试块，反射体孔径为Φ1.2mm的平底孔，孔深15mm，埋藏深度为5-75mm。
3.1.1.3耦合剂的选用
GJB1580-2004要求所用的耦合剂不应有损于探头和受检件。
常用的耦合剂有水、油类、脂类、水溶性凝胶等。
耦合剂的粘度及表面润湿性应根据受检件的表面粗糙度来选择，应保证声的能量能很好地传入受检件。
本实验所选择的耦合剂为30#机油。
3.1.1.4检测面的选择
标准规定受检件表面不允许存在影响超声检验的松动的氧化皮、折叠、毛刺、油污等。
若个别部位不可能清除，应在受检件上作出标记，供评定时参考。
表面粗糙度的要求见下表：
表3-1：
GJB1580-2004超声检测表面状态要求
验收级别
表面粗糙度要求
AAA
Ra≤1.6μm
AA
Ra≤3.2μm
A
B
Ra≤6.3μm
本实验选用的工件为钛合金锻件，表面状态基本符合标准要求。
3.1.1.5检测灵敏度的调整
标准要求使用平底孔试块调节检测灵敏度，根据GJB1580-2004验收要求，应选择Φ0.8mm平底孔作为起始灵敏度，由于实验室条件限制，故选择Φ1.2mm平底孔调节灵敏度，并在调整好后增加7dB，以达到Φ0.8mm的灵敏度。
在对比试块与受检件之间存在有声传输特性的差异时，应考虑进行声传输修正。
修正值一般可通过比较试块的底面反射幅度值与受检件等厚度部位的底面反射幅度值的分贝差来确定。
本实验经测定传输修正值为+3dB。
3.1.1.6扫查
采用的扫查速度，应保证在所要求检测的金属声程处，规定等级的最小尺寸不连续性能得到可重复的显示，在自动记录时能可靠地启动调定的报警或记录装置。
在一般情况下，目视监测时的扫查速度不宜超过50mm/s。
扫查间距不应大于其中较小有效声束宽度的二分之一。
3.1.2GB/T5193-2007标准钛合金工件检测工艺参数的选择
3.1.2.1仪器与探头的选择
GB/T5193-2007标准要求对于A型脉冲反射式超声波探伤仪，应满足JB/T10061-1999《A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件》的要求，本实验所用的CTS-8008plus超声波探伤仪满足该标准的要求。
标准规定直径为12mm~32mm工作频率为2.55MHz~5MHz的直探头，推荐用于20mm~230mm厚的平面产品的接触法探伤。
本实验所用的探头为2.5Z14N，实验用的工件厚度为55mm~75mm，均符合标准的要求。
3.1.2.2试块的选用
GB/T5193-2007要求对比试块用采用与被检验产品的声学性能和表面状态相同或类似的钛及钛合金材料制备。
本实验选用的上述试块符合该标准的要求。
3.1.2.3耦合剂的选用
GB/T5193-2007要求接触法探伤时，可采用水、机油、甘油、变压器油、水玻璃等作耦合剂。
3.1.2.4检测面的选择
GB/T5193-2007标准要求被检产品的表面，其粗糙度Ra＜3.2μm。
本实验所选用的工件为钛合金锻件，表面状态基本符合标准要求。
3.1.2.5检测灵敏度的调整
标准规定，探伤前，应采用适当的对比试块来校准仪器，使试块中人工缺陷的反射信号幅度在满屏高度的20%~90%范围内。
本实验选用钛合金平底孔试块校准灵敏度，并保证平底孔的反射回波在满屏高度80%的位置，满足了标准的要求。
3.1.2.6扫查
探伤时的扫描速度应不大于分辨出对比试块中的平底孔的扫描速度。
对于无报警系统的手动扫描，推荐扫描速度应不大于127mm/s。
对于有报警系统的手动或自动扫描，推荐扫描速度应不大于500mm/s。
接触法探伤时，探伤间距应不大于探头晶片直径的1/2或有效声束直径的1/2，在二者中选取较小的一个。
3.1.3JB/T4730-2005标准钛合金工件检测工艺参数的选择
3.1.3.1仪器与探头的选择
JB/T4730-2005标准规定采用A型脉冲反射式超声波探伤仪，其工作频率范围为0.5MHz～10MHz，仪器至少在荧光屏满刻度的80%范围内呈线性显示。
探伤仪应具有80dB以上的连续可调衰减器，步进级每档不大于2dB，其精度为任意相邻12dB误差在±
1dB以内，最大累计误差不超过1dB。
水平线性误差不大于1%，垂直线性误差不大于5%。
其余指标应符合JB/T10061的规定。
本实验所用仪器CTS-8008plus均符合上述标准要求。
标准规定晶片面积一般不应大于500mm2，单晶直探头的公称频率应选用2～5MHz，探头晶片一般为Φ14～Φ25mm。
本实验所用的探头为2.5Z14N，符合标准的要求。
3.1.3.2超声探伤仪和探头的系统性能
JB/T4730.3-2005规定：
在达到所探工件的最大检测声程时，其有效灵敏度余量应不小于10dB。
仪器和探头的组合频率与公称频率误差不得大于±
仪器和直探头组合的始脉冲宽度（在基准灵敏度下）：
对于频率为2.5MHz的探头，宽度不大于15mm；
直探头的远场分辨力应不小于30dB；
仪器和探头的系统性能应按JB/T9214和JB/T10062的规定进行测试。
本实验选用的仪器为CTS-8008plus，探头为2.5Z14N，经测定，仪器和探头的综合性能基本符合标准的规定。
3.1.3.3耦合剂的使用
JB/T4730.3-2005要求应采用透声性好，且不损伤检测表面的耦合剂，如机油、浆糊、甘油和水等。
3.1.3.4检测面的选择
JB/T4730.3-2005标准检测原则上应安排在热处理后，孔、台等结构机加工前进行，检测面的表面粗糙度Ra≤6.3μm。
3.1.3.5检测灵敏度的调整
标准规定，当被检部位的厚度大于或等于探头的3倍近场区长度，且探测面与底面平行时，原则上可采用底波计算法确定基准灵敏度。
本实验中利用工件的底波调整灵敏度。
利用理论计算公式计算大平地与Φ2.0平底孔的回波分贝差：
（3-1）
调整仪器时，将探头置于待检工件完好部位，调节第一次底波高度为荧光屏满刻度的80%，在此基础上增加相应的分贝差，以此作为基准灵敏度。
3.1.3.6扫查
标准要求探头的扫查速度不应超过150mm/s。
并且为确保检测时超声声束能扫查到工件的整个被检区域，探头的每次扫查覆盖率应大于探头直径的15%。
3.2钛合金超声检测工艺卡
3.2.1GJB1580-2004标准钛饼坯检测工艺卡
表3-2：
GJB1580-2004标准钛饼坯检测工艺卡
试件名称
钛饼坯
材料牌号
TC11
试件规格
Φ283厚55~70mm
加工余量10mm
检测标准
GJB1580-2004
检测技术
纵波垂直入射法
检测灵敏度
Φ0.8mm平底孔
传输修正
+3dB
时基线调节
1:
1
仪器型号
CTS-8008plus
探头型号
2.5Z14N
耦合剂
30#机油
扫查方式
圆周面沿轴向扫查,端面沿径向扫查
最大扫
查间距
5mm
查速度
不大于50mm/s
对比试块
成套钛合金距离幅度试块,孔径为Φ1.2mm，埋深5～75
验收标准
GJB1580-2004AA级：
1.单个不连续性指示的幅度超过Φ1.2mm平底孔当量，为不符合要求。
2.多个不连续性指示，其中任何两个指示的中间距离小于25mm而指示幅度超过Φ0.8平底孔幅度，为不符合要求。
3.任何长条形不连续性指示的幅度超过Φ0.8平底孔幅度，长度超过13mm，为不符合要求
备注：
间距指任何两个指示的中心间距
检测面和检测方向:
↓入射方向
检测区域:
直径283mm,深度：
10~60mm
记录与标记：
1.任何幅度大于Φ0.8mm平底孔当量的不连续指示均应记录其幅度、埋深、指示长度和平面位置。
2.合格件和不合格件均应作出明显标记并分开存放。
编制
审核
批准
年月日
3.2.2GB/T5193-2007标准钛饼坯检测工艺卡
表3-3：
GB/T5193-2007标准钛饼坯检测工艺卡
GB/T5193-2007
沿径向扫查
不大于127mm/s
GB/T5193-2007A1级：
单个不连续性孔的当量直径超过Φ1.2mm平底孔当量，为不符合要求。
10~60mm
缺陷位置与缺陷指示长度及回波高度
合格件和不合格件均应作出明显标记并分开存放。
3.2.3JB/T4730.3-2005标准钛饼坯检测工艺卡
表3-4：
JB/T4730.3-2005标准钛饼坯检测工艺卡
产品名称
钛合金工件
产品编号
D22
工件
部件名称
厚度
64mm
部件编号
——
规格
Φ283mm
检测时机
热处理后
检测项目
锻件
坡口形式
表面状态
锻后退火
焊接方法
仪器
探头
参数
仪器编号
试块种类
钛合金试块
检测面
锻压面
表面补偿
0dB
扫描线调节
深度1:
Φ2.0平底孔一次波高80%
技术
要求
JB/T4730.3-2005
检测比例
100%
合格级别
II级
检测部位示意图：
↓入射方向
编制（资格）
审核（资格）
日期
3.3钛合金超声检测结果
3.3.1GJB1580-2004标准钛饼坯检测结果
工件1：
灵敏度：
52.5dB工件2：
52.5dB
当量尺寸：
Φ2.0+1dB当量尺寸：
Φ1.2+3dB
评定级别：
B评定级别：
工件3：
52.5dB工件4：
Φ0.8+6dB当量尺寸：
Φ1.2+2dB
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