CN104215691B - 铸态钛合金制品的超声波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用超声波对铸态钛合金制品(articles)进行无损检测的方法以探测该制品内部缺陷，该方法包括通过向各种钛合金添加痕量硼来获得其凝固态锭结构中晶粒结构的改变。与由痕量硼增强所提供的改进的热加工性结合的超声检测铸态坯料的能力，可提供一种用于高性能应用的钛合金制品的经济的制造方法。

Description

铸态钛合金制品的超声波检测方法

相关申请的交叉引用

本申请是2013年5月31日提交的美国临时专利申请61/829,707的非临时申请，其全部公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及一种铸态钛合金制品的超声波检测方法，更具体地，涉及在不需要大量加工来提高超声波检测性能的情况下可探测次表面缺陷的能力。

背景技术

把钛合金用于许多关键结构应用导致了各种检测方法的发展和使用。这些方法可以分为能够查探材料内部(次表面)的容积法和能够探测表面异常的表面法。这些方法在本质上是互补的，并且被同时使用以便在探测可能损害材料或部件性能的不期望状况时可获得高可信度。表面缺陷不仅越来越普遍，而且越来越容易被探测，由此，由于表面缺陷而产生的突变失效也越来越少。另一方面，内部缺陷导致的失效相比表面缺陷引起的失效明显更令人关注。不断发现内部微小缺陷的能力提高了高性能结构的可靠性，并且使意外的服务故障减少。得益于能够设计更高的操作应力而不会增加意外故障风险的能力，这些部件的结构效率也会增加。

当材料要用于例如航空宇宙以及能源产业等高性能应用时，钛及钛合金的超声波检测是所使用的最常见的检测方法。在这种检测方法中，利用压电转换器在材料中产生超声波。这种转换器通过水或其它耦合介质连接于正在进行检测的工件。内部缺陷的探测是以一些入射超声波在沿它们的通道分布的区域发生的反射为基础的。只要存在具有不同的声阻或对超声波透射具有阻力的区域，这种反射就会发生。操作中，该转换器发送超声波，然后停止发送并且等待着探测反射波。在正在进行检测的工件的前面和背面上常存在反射，其是有用的长度标记从而可有助于沿超声波通道物理定位其它反射源。

通常，超声波测试要求要被探测的物品在超声波检测条件下具有在块状物质上产生高的声反射的性质。这种不同的性质能够使超声波检测技术自信地探测缺陷和不足。诸如(但不局限于)钢的铸锭、钛合金和镍合金等具有大的、弹性各向异性晶粒的材料通常很难利用超声波测试进行鉴定。由于用于超声波检测的声波能够在晶粒上发生部分反射并且表现为背景“噪音”，这种困难至少会部分地发生。产生的这种背景噪音可掩盖材料中的缺陷，因此该背景噪音是不期望产生的。声音在多晶金属材料体中的散射(也称为声波传播的衰减)可被描述为以下参数中的至少一个的函数：晶粒尺寸、本征材料特性和超声频率。使用聚焦超声波束来强化材料的瞬间声穿透的任意部分中的缺陷分量是很常见的。这些成熟的超声波检测技术可以以最大信号和信噪比为基础来识别缺陷状态。然而，若噪声级别高，粗晶粒材料即是如此，则利用超声波不可能对内部缺陷进行可靠的探测，也不例外。

铸态钛锭显示出粒度为几毫米到几厘米的非常粗的晶粒。这些晶粒在凝固模式下产生并且成为“噪音”，这意味着在超声波检测中会观察到频繁的、低振幅的反射。在极端情况下，这种噪音导致误报或满足检测能力需求所必要的检测敏感性不足。这种情况最有效的解决方法就是对锭进行加工以改善晶粒结构。改善晶粒结构的热加工(反复加热和机械加工)的几个步骤是获得改善的晶粒结构的常规方法。然而，这种加工花费很大并且耗时。对例如坯料的中间产品进行常规的超声波检测以评估其质量是否适合最后的加工和最终的服务。这些中间产品在执行超声波检测之前已经经过了以上所提到的热加工。

需要能够可靠地检测铸态钛坯料的改进方法。这种改进方法应该能够对内部缺陷进行探测而具有低的噪声干扰，并且也应该与坯料变成制品的后续加工相适配。本发明满足这种需求，并且还提供了相关的优势。

发明内容

一方面，本发明可提供一种方法，所述方法包括步骤：提供由钛基合金和重量百分比约为0.05％～0.20％的硼组成的铸态钛制品；并且超声检测所述铸态钛制品以确定该制品是否含有内部缺陷。

另一方面，本发明可提供一种方法，所述方法包括步骤：铸造由钛基合金和重量百分比约为0.05％～0.20％的硼组成的钛锭；并且在所述钛锭进行任意热加工前，用超声检测该钛锭以确定其是否含有内部缺陷。

附图说明

图1a-1d包括显示了现有技术的样品锭与本发明范围内的样品锭对比的照片。具体地，图1a和1b分别为Ti-6Al-4V形成的现有技术8-英寸(203.2-毫米)锭的横切面和纵切面的照片，其示出了该现有技术锭的宏观晶粒结构。图1c和1d分别为Ti-6Al-4V-0.1B形成的8-英寸(203.2-毫米)样品锭的横切面和纵切面的照片。

图2为一种抽样方法的流程图。

具体实施方式

本方法能够用于铸态钛合金制品的超声波检测，而不用依赖通常方法所要求的大量的热加工步骤。各种钛合金可通过添加质量百分比约为0.05或0.10％～0.10、0.15或0.20％的痕量硼(B)得到加强，从而改善处于铸态条件下的晶粒结构以及晶粒取向，从而使超声波所受的干扰最小化并且能够很有把握地探测固有缺陷。很有把握地检测铸态钛制品的能力与由细化的(refined)晶粒结构提供的改进的热加工性相结合，能够将铸态坯料加工成高质量的钛合金制品，而不需要大量的中间加工。

图1在主要为Ti-6Al-4V钛合金，直径为8英寸(203.2毫米)的产品锭的纵向和横向上比较了宏观晶粒结构，其中在等离子电弧炉中的惰性气氛中利用等离子电弧熔炼对该产品锭进行熔融。如预期一样，传统Ti-6Al-4V锭中的铸态锭极其粗并且遵循着由凝固速率造成的宏观模式。与此相反，通过添加痕量硼而得到加强的Ti-6Al-4V的晶粒结构显示出大约一个数量级的显著的晶料细化和明显更细小的晶粒形态。

铸态Ti-6Al-4V中极其粗的晶粒在超声波检测(以80％的幅度衰减57-59分贝)中导致产生显著的噪声级，从而妨碍了对内部缺陷进行任何有意义的探测。对由痕量硼加强的Ti-6Al-4V的铸态锭材料可以使用常规锻造坯料参考标准顺利地进行超声检测。Ti-6Al-4V-0.1B铸态锭的超声C扫描在以80％的幅度衰减12-16分贝的情况下进行，这是与锻造坯料标准相等的或比锻造坯料标准更好的响应。由痕量硼加强的Ti-6Al-4V的铸态锭也可使用X射线技术进行检测，并且确认其没有孔隙率，从而验证了超声波检测的结果。

常规钛合金从高温冷却的过程中形成粗的柱状晶粒和晶团结构，例如βTi转变为αTi。αTi和早先的βTi晶粒之间存在晶体结构关系。若整个晶粒中存在αTi的均匀成核，那么相邻的αTi粒子具有不同的晶向，并且每个粒子相当于明显的声散射实体。但是，若βTi晶粒中仅存在很少αTi核的位置，那么一定区域中的αTi粒子都会以相同的晶向生长，并且形成晶团结构。这种晶团变成声学实体(acoustic entity)。由于晶团在αTi晶粒中形成，所以该晶团尺寸不会大于βTi晶粒的尺寸。βTi晶粒的尺寸和晶团结构中αTi粒子的性质都是重要的变量，影响单相和两相钛合金和材料的超声波噪音和超声波检测。因此，βTi晶粒的尺寸和晶团结构中αTi粒子的性质可通过在超声波检测中产生不期望得到的噪音来影响超声波检测结果。在常规钛合金中添加的痕量硼可使αTi晶粒得到显著细化并且也会影响αTi粒子的取向，从而使材料能在低噪声级下进行超声波检测。

由利用超声波检测成功地进行检测的铸态锭机械加工得到的坯料可顺利地直接挤出形成结构型材。表1中所示的是挤压制品所显示的拉伸性能。由铸态锭坯料制成的挤压制品的性能满足由常规锻造坯料制成的挤压制品的最小性能需求。另一方面，没有被痕量硼加强的现有技术铸态钛锭由于热加工性差而显示出明显的缺陷和尺寸问题。痕量硼加强的铸态钛锭中的细晶结构导致了良好的热加工性，由此这些铸态锭可作为输入原料来制造产品而不需要在用来细化晶粒结构的热加工步骤上耗费金钱和时间。

表1

使用铸态输入原料直接制造的含有痕量硼的Ti-6Al-4V的挤出制品在室温下的拉伸性能

本发明应用于各种钛基合金，例如(但不局限于)以下合金中的至少一种：CP-Ti(市售纯钛)、Ti-64(Ti-6Al-4V)、Ti-17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)、Ti-6242(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo)、Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)、Ti-10-2-3(Ti-10V-2Fe-3Al)、Ti-6246(Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)、Ti-5-2.5(Ti-5Al-2.5Sn)、Ti-3-2.5(Ti-3Al-2.5V)、Ti-6-4ELI(超低间隙Ti-6Al-4V)、Ti-662(Ti-6Al-6V-2Sn)、β21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)、β-C(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)和Ti-5553(Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr)。本发明应用于利用超声波检测铸态钛制品以探测缺陷。本发明能够使经过无损检测的铸态钛输入材料利用如锻造、轧制和挤出等加工直接进行热加工，形成成品钛制品。

参照图2的流程图，本发明的一种方法可包括提供含痕量硼的铸态钛合金制品(第一个方框)、超声检测所述铸态钛合金制品(第二个方框)、将所述铸态钛合金制品运送至客户(第三个方框)、对所述铸态钛合金制品进行热加工以形成成品钛合金制品(第四个方框)和安装所述成品钛合金制品(第五个方框)。

提供含痕量硼的铸态钛合金制品的步骤包括在企业场所铸造该含痕量硼的钛合金制品或钛合金锭以生产铸态锭或铸态制品。尽管可以使用各种铸造方法，但在等离子电弧炉中可实现对锭进行铸造，并且对锭进行铸造可包括该锭的连续铸造从而可将其切成期望长度的工件或制品。所述锭实际上可由任何含有上文探讨过的重量百分比的痕量硼的钛合金以及上文提到的钛基合金形成，从而提供一种含痕量硼的铸态钛合金，例如以下合金中的一种：CP-Ti-0.05-0.20B、Ti-6Al-4V-0.05-0.20B、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr-0.05-0.20B、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.05-0.20B、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si-0.05-0.20B、Ti-10V-2Fe-3Al-0.05-0.20B、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo-0.05-0.20B、Ti-5Al-2.5Sn-0.05-0.20B、Ti-3Al-2.5V-0.05-0.20B、超低间隙Ti-6Al-4V-0.05-0.20B、Ti-6Al-6V-2Sn-0.05-0.20B、Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si-0.05-0.20B、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr-0.05-0.20B和Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-0.05-0.20B。正如上文进一步所提到的，这些合金中硼的重量百分比的范围可以为0.05％～0.10、0.15或0.20％。

超声波检测铸态钛合金制品的步骤一般发生在铸造或提供锭或制品之后并且在锭/制品的如热加工等任意加工之前。该锭可进行切割以去除其中部分，但一般在超声波检测之前不需要进行热加工(例如锻造、轧制或挤出)。超声波检测一般在企业场所进行并且可产生合格的检测和经过无损检测的铸态钛合金制品，然后可将该经过无损检测的铸态钛合金制品从企业场所运送至远离企业场所的客户。之后，所述经过无损检测的铸态钛合金制品可能会进行热加工(例如锻造、轧制或挤压)以制造成品钛合金制品。检测过的铸态钛合金制品在热加工之前不需要被运送，若需要，也可在企业场所进行热加工。因此，经过无损检测的铸态钛合金制品可在企业场所进行热加工以产生加工过的或热加工过的钛合金制品(可以是成品钛合金制品)，然后被输送至例如偏远位置的客户。

之后，如果有需要，热加工过的(成品)钛合金制品可安装在其它部件上或与其它部件进行组装，从而形成包含该制品的制成品。举例来说，钛合金制品可作为回转式发动机的回转部件，其中该回转式发动机可为航空器发动机，由此该钛合金回转部件安装在或与发动机的其它部件进行组装，形成发动机形式的制成品。该制品可配置为航空器部件，例如短舱、机舱棚、回转式压缩机叶片、定子机翼或叶片、燃烧室、回转式涡轮叶片、排气喷管、排气口堵、或航空器结构或框架部件(如航空器挂架部件、航空器隔热部件或航空器紧固件)等航空器发动机部件。所述成品钛合金制品也可用于能源产业，例如石油钻探部件。非限制性示例中，此类部件可包括：钻杆、管套、油管或油管道；离岸管道系统和海底流线；离岸采油、输出、回注立管和部件；油井管(OCTG)油管、套管、内衬；离岸深水着陆钻杆；离岸修井钻杆；离岸/船舶紧固件和结构部件；井口装置部件；完井部件(well jewelry component，如封隔器、安全阀、抛光孔插座)；测井部件和井下工具；以及船舶潜水部件(例如用于遥控操作装置的部件)。该成品制品还可包括用于军事或其它应用的武器部件，例如枪筒和例如在坦克或其它军用车辆上用于侵彻防护的装甲。

因此，如上面所提到的，本方法能够用于一种可制造常用于高性能应用的产品的钛合金制品的生产上，而该制品的安装者或客户没有必要必须在铸态锭或制品上所进行的初始超声波检测之后的热加工或其它加工之后对该制品进行超声波检测，同时，本方法能够将经过超声波检测并且质量有保证的含痕量硼的铸态钛合金制品运送至准备将其加工为成品的客户或用户，由此可使该客户/用户不需要对超声波设备以及操作该设备所需的培训来投资资源和时间。

在上文描述中，为使表达简洁、清晰和可理解而使用了特定的术语。由于使用此类术语是为了进行描述并且意在进行广泛的解释，所以从这些术语中不会暗示超出现有技术要求的不必要的限制。

此外，本发明的描述或图示是一个示例，并且本发明并不局限于上文所示或所述的精确细节。

Claims (20)

1.一种铸态钛制品的检测方法，包括步骤：

-提供一种由钛基合金和重量百分比为0.05％～0.20％的硼组成的铸态钛制品，以：

细化所述铸态钛制品中的αTi晶粒的晶粒结构，改进热加工性，

改善晶粒取向；并且

-在对所述铸态钛制品进行任意热加工前，超声检测具有细化的晶粒结构和改善的晶粒取向的所述铸态钛制品，获得低噪声级别的检测结果，以确定所述制品是否含有内部缺陷。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述硼的重量百分比为0.05％～0.15％。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述硼的重量百分比为0.05％～0.10％。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述硼的重量百分比为0.10％～0.20％。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述硼的重量百分比为0.10％～0.15％。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述钛基合金为以下的其中一种：市售纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr和Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述Ti-6Al-4V包括超低间隙Ti-6Al-4V。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述超声检测步骤导致获得已进行无损检测的铸态钛制品；并且还包括步骤：对所述已进行无损检测的铸态钛制品进行热加工，以获得成品钛制品。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述热加工步骤包括利用锻造、轧制和挤出中的至少一种方式处理所述已进行无损检测的铸态钛制品，以形成所述成品钛制品。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述超声检测步骤导致获得所述已进行无损检测的铸态钛制品，而未在所述超声检测步骤之前对所述钛制品进行锻造、轧制或挤出来细化所述钛制品的晶粒结构。

11.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：在企业场所对由所述钛基合金和所述硼制成的锭进行铸造以形成所述铸态钛制品；其中所述超声检测步骤在所述企业场所进行并且获得合格的检测；并且在所述超声检测步骤之后还包括步骤：将所述铸态钛制品从所述企业场所运送至远离所述企业场所的客户。

12.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：将经超声检测后的所述铸态钛制品加工成为成品钛合金制品。

13.如权利要求12所述的方法，还包括步骤：生产包含所述成品钛合金制品的产品，而不用在所述超声检测所述铸态钛制品步骤之后以及所述生产所述产品步骤之前，对所述成品钛合金制品进行超声检测。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述成品钛合金制品是航空器部件、石油钻探部件和武器部件的其中之一。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述成品钛合金制品是短舱、机舱棚、回转式压缩机叶片、定子机翼或叶片、燃烧室、回转式涡轮叶片、排气喷管、排气口堵、航空器挂架部件、航空器隔热部件和航空器紧固件之一。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述成品钛合金制品是管套、离岸管道系统、海底流线、离岸采油立管部件、离岸输出原油立管部件、回注立管部件、离岸紧固件、井口装置部件、完井部件(well jewelry component)、测井部件、井下工具和船舶潜水部件之一。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述井口装置部件、所述完井部件和所述测井部件包括油管和OCTG套管，所述油管包括石油专用管材(OCTG)油管；其中所述井下工具包括钻杆，所述钻杆包括离岸深水着陆钻杆和离岸修井钻杆；其中所述管套包括OCTG内衬。

18.如权利要求14所述的方法，其中所述成品钛合金制品是枪管和军用车辆的装甲之一。

19.一种钛锭的检测方法，包括步骤：

-铸造由钛基合金和重量百分比为0.05％～0.20％的硼组成的钛锭，以：

细化所述钛锭中的αTi晶粒的晶粒结构，改进热加工性，

改善晶粒取向；并且

-在所述锭经过任何热加工之前，超声检测具有细化的晶粒结构和改善的晶粒取向的所述钛锭，获得低噪声级别的检测结果，以确定所述制品是否含有内部缺陷。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述超声检测步骤包括：超声检测所述钛锭，以在所述锭经过任何锻造、轧制或挤出之前确定所述制品是否含有内部缺陷。