CN113109439A - 在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法，其包括如下步骤：将毛坯料切分成两块或多块毛坯料单元；选取一个毛坯料截面，加工夹杂物安装的夹杂孔洞；在加工的孔洞中加入夹杂物，能够模拟不同类型的夹杂缺陷；在固定夹杂物后通过摩擦焊接将截面接合，实现带有人工缺陷的试件的制备。通过该方法，能够准确模拟在金属冶炼过程中自然形成的夹杂类缺陷。

Description

在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法
技术领域
本发明属于材料缺陷检测技术领域，具体涉及一种在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法。
背景技术
材料制造过程中导致的材料内部缺陷，如孔隙、夹杂、裂纹等，已经成为制约复杂装备可靠性和健康服役的瓶颈。对材料内部缺陷的定量通常有两种方式，一类是有损物理定量，但构件被破坏无法继续使用，且过程繁琐耗时。另一类是无损检测定量，主要有射线检测和超声检测。射线法需要安全防护，不易外场灵活部署，且穿透能力有限，检测大型构件困难。超声检测是目前最灵活、最广泛应用的检测内部缺陷的方法。
超声检测通常利用缺陷反射产生的回波信号对缺陷定量。定量方法有扫描边界法和等效反射体尺寸法。扫描边界法通过确定缺陷边界进行几何定量，无法检测材料中小于声束直径的缺陷。等效反射体尺寸法也称为距离-增益-尺寸法(Distance-Gain-Sizing,DGS)，通过缺陷的回波波幅与位于相同深度、已标定大小的平底孔回波波幅之间的等效关系定量。
超声定量和材料内部微观组织结构、制造工艺、过程控制均直接相关。对缺陷超声定量的不确定性量化研究，需要包含缺陷的物理尺寸(a)和定量尺寸
Figure BDA0003035639450000011
的数据。并建立二者之间的关联模型关系。这样，当对目标材料检测时，就可以从设备信号的定量尺寸
Figure BDA0003035639450000012
推断出材料内部缺陷的物理尺寸(a)。构建这一关联关系，需要大量的独立缺陷的物理尺寸(a)和定量尺寸
Figure BDA0003035639450000013
数据集，才能建立有效可信的关联模型。
通过积累偶然发现的自然缺陷，通常需要10-20年的积累才能完成统计上充分的缺陷数量。
现有模拟内部缺陷的制备方法，包括两类：
一是标块类缺陷制备，如图10a所示的平底孔试块和图10b所示的横通孔试块。在图10a中平底孔102设置在试块的底部超声波探头101设置在试块的上表面这类标块主要用于各类校准需求，对孔的加工和认定也有严格的标准。通过在截面钻孔，利用孔的底面或侧面形成声波反射体，来模拟一定深度位置的“缺陷”。
平底孔102用于模拟标准反射体缺陷，因此对平底孔底面的平面度、光滑度、平行度有严苛的要求。利用平底孔底面来反射超声波，主要用于超声定量的校准。
横通孔103用于模拟标准线性反射体，对孔的垂直度、光滑度等都有相关要求。利用横通孔侧壁来反射超声波，用于不同角度超声波的增益校准和距离-波幅曲线校准。依照ASTM E2491或各国相当标准来制备。
除上述标块制备方法外，专利申请名称为【一种用于超声波无损检测能力验证的样品的制备方法】，利用传统焊接的方式，将给定材料加工成板材，将夹杂放入V型槽，再用焊料填充V型槽将两个板面接合，也能模拟内部缺陷。但该方法形成的焊接区材料和基体材料本身不同，引入的缺陷位于焊接区内，且尺寸和声程均受到焊接V槽大小的限制，属于仅能用于模拟焊接部位的专用技术。无法模拟冶炼过程中的自然夹杂缺陷，例如(1)自然夹杂缺陷位于单一基体材料中，该方法制造的人工缺陷是位于和基体材料相异的焊接材料中、(2)焊接区的材料性能和主体材料不同，将影响超声波声波特征、如声速、衰减，最终影响缺陷的回波幅值，因此，难以代表单一材料中含有的夹杂缺陷的回波特性、(3)这种方案在尺寸上也受到限制，只能在30mmx30mm的区域内制备缺陷，难以模拟真实构件、如更大深度范围处的缺陷。
专利申请名称为【一种焊缝相控阵超声波探伤工艺验证试块的制作方法】，在原始试块上进行切割，得到母试块和若干与母试块分离的子试块，然后在若干子试块的不同部位上设置人工缺陷，人工缺陷均由子试块的表面向其内部延伸，最后将若干子试块重新装配到母试块上，得到验证试块。该方法只能制备表面裂纹型缺陷，缺陷位于材料表面而非材料体内部。
类似制备表面切槽类缺陷的方法还包括专利申请名称为【用于钢管埋弧焊焊缝自动超声波检测的校准试块】，无法模拟内部夹杂缺陷、基于表面切槽和平底孔的模拟缺陷制备方法，专利申请名称为【ERW钢管焊缝电磁超声自动检测的对比试块及设计方法】、专利申请名称为【用于在役油管电磁超声自动检测的对比试块及设计方法】，无法模拟夹杂类型缺陷。专利申请名称为【油气管线B型套筒角焊缝超声波检测用对比试块】，提供了一种B型套筒角焊缝超声波检测用对比试块，包括试块本体和人工缺陷；其中人工缺陷用通孔实现，无法模拟内部夹杂缺陷，且其制备方案专用于油气管线B型套筒角焊缝。
综上，上述方案都无法在更广的深度范围上制备不引入其他材料的缺陷，也无法一次性制备多个缺陷。此外，真实的夹杂缺陷，无法用平底孔(标准反射体)来模拟，内部缺陷也无法用表面切槽来模拟。
在更为关键的应用场景上，如航空发动机的高温合金材料制备涡轮盘的内部夹杂类缺陷，均无法用上述表面切槽、平底孔或横通孔、焊接的方案来实现。如何制备高置信的内部夹杂缺陷，已成为制约如航空发动机、重型燃气轮机、深海深空装备开展、落实基于超声缺陷定量损伤容限设计方法的瓶颈。
针对现有方法的缺陷和不足，本发明提供了一种不引入外部材料、不改变缺陷周围材料物、化性质的条件下，在任意给定深度、位置制备尺寸可控的内部夹杂缺陷的方法，具备广泛的通用性，已成功制备并用于建立某航空发动机高温部件如涡轮盘、涡轮叶片等镍基高温合金材料超声无损定量能力评估中。
发明内容
本发明提供了一种不引入外部材料、不改变缺陷周围材料物、化性质的条件下，在任意给定深度、位置制备尺寸可控的内部夹杂缺陷的方法，具备广泛的通用性。发明包括如下步骤：将毛坯料切分成两块或多块毛坯料单元；选取一个毛坯料截面，加工夹杂物安装的夹杂孔洞；在加工的孔洞中加入夹杂物，能够模拟不同类型的夹杂缺陷；在固定夹杂物后通过摩擦焊接将截面接合，实现带有人工缺陷的试件的制备。
本发明的第一方面提供一种在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法，其包括以下步骤：
S1.制备毛坯料：选取与待做缺陷检测的金属材料相同的材料制备出能供摩擦焊设备夹持的毛坯料；
S2.切分毛坯料：将毛坯料切分成两块或多块毛坯料单元；
S3.加工夹杂孔洞：选取一个毛坯料截面，加工夹杂物安装的夹杂孔洞；
S4.夹杂孔洞留空或加入夹杂物：在加工的孔洞中加入夹杂物，能够模拟不同类型的夹杂缺陷；
S5.固定夹杂物：利用粘结体将夹杂物固定，以保证夹杂不会移动离开原安装位置；
S6.通过摩擦焊接的方式将剖分开的毛坯料单元在切分的毛坯料截面处相接；
S7.外形加工：根据需要对焊接后坯料加工形状及表面处理，从而获得金属材料内部制备尺寸及位置可控带有夹杂缺陷的试件。
进一步，所述孔洞包括垂直孔、倾斜深孔、圆形/椭圆形凹坑，或者锥形坑。
进一步，所述的夹杂物包括用于模拟氧化物夹杂的耐高温氧化物，或者用于模拟金属夹杂的高熔点夹杂。
进一步，所述粘结体包括胶带、粘结剂或者胶水。
进一步，所述摩擦焊接包括对圆棒类毛坯料所使用惯性摩擦焊接，对长方体类毛坯所使用线性摩擦焊接。
本发明的第二方面提供一种在航空发动机用合金内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法，所述航空发动机用合金的材料为镍基高温合金和钛合金，其包括以下步骤：
S1.制备毛坯料：选取与待做缺陷检测的金属材料相同的材料制备出能供摩擦焊设备夹持的毛坯料；
S2.切分毛坯料：将毛坯料切分成两块或多块毛坯料单元；
S3.加工夹杂孔洞：选取一个毛坯料截面，加工夹杂物安装的夹杂孔洞；
S4.夹杂孔洞留空或加入夹杂物：在加工的孔洞中加入夹杂物，能够模拟不同类型的夹杂缺陷；
S5.固定夹杂物：利用粘结体将夹杂物固定，以保证夹杂不会移动离开原安装位置；
S6.通过摩擦焊接的方式将剖分开的毛坯料单元在切分的毛坯料截面处相接，所述摩擦焊接的具体加工工艺参数范围为：惯性矩20-150(kg×m2，千克×平方米)、转速200-3000(RPM，转/分钟)、压强80-800(MPa，兆帕)；
S7.外形加工：根据需要对焊接后坯料加工形状及表面处理，从而获得金属材料内部制备尺寸及位置可控带有夹杂缺陷的试件。
本发明的有益效果：本发明实施例提出的材料内部可控尺寸的自然缺陷制备方法，其通过把金属毛坯料切分成两块或多块毛坯料单元、在毛坯料单元中向内加工的孔洞中加入夹杂物，能够模拟不同类型的夹杂缺陷；在固定夹杂物后通过摩擦焊接将毛坯料单元接合，制备高置信的内部夹杂缺陷。本发明的方法在不引入第三方材料、不改变缺陷周围材料性质的条件下，在材料内部制备模拟自然夹杂的人工缺陷。
附图说明
图1a是本发明在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法的流程示意图；
图1b是本发明图1a的详细流程示意图；
图1c是本发明图1a各个流程对应的实物结构示意图；
图2是本发明一个实施例提出的4340合金钢棒体的示意图；
图3是端面夹杂孔直径、深度及位置示意图的示意图；
图4a是本发明实施例提出的制备端面夹杂孔的试棒；
图4b是本发明实施例提出的加入钨颗粒后试棒的示意图；
图5本发明实施例提出的摩擦焊接后试棒状态的示意图；
图6是本发明实施例提出的表面加工完成后试件的示意图；
图7a是本发明实施例提出的环面手动检测方式示意图；
图7b是本发明实施例提出的缺陷回波信号的示意图；
图8a是本发明实施例原始棒材示意图；
图8b是本发明实施例原始棒材进行超声检测示意图；
图8c是本发明图8b中检测结果示意图；
图9a是本发明实施例原始棒材示意图；
图9b是本发明实施例原始棒材进行超声检测示意图；
图9c是本发明图9b中检测结果示意图；
图10a和图10b为现有技术示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
如本文中所述，术语“包括”及其各种变体可以被理解为开放式术语，其意味着“包括但不限于”。术语“上”、“下”及其类似表述仅用于表示相对物体之间的位置关系。术语“第一”、“第二”及其类似表述仅用于表示不同的技术特征，并无实质含义。
本发明在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法步骤如图1a-1c所示，具体步骤说明如下：
S1.制备毛坯料：选取与待做缺陷检测的材料相同的材料制备出能供摩擦焊设备夹持的毛坯料；在一个实施方式中，如需要制备不锈钢材料的含夹杂试块，则选取不锈钢材料加工成棒体，或其它能够直接或通过夹具安装到摩擦焊设备上的毛坯料。例如典型的超声试块标块直径为50.8mm，则制备不小于直径为50.8mm的棒体，此外，可以根据需要对棒体表面进行一般机加工，形成光滑状态。
S2.切分毛坯料：将毛坯料切分成两块毛坯料单元或多块毛坯料单元，切分成后会形成若干个具有独立截面的毛坯料单元；
S3.加工夹杂孔洞：选取一个截面，加工夹杂物安装的夹杂孔洞；孔洞包括垂直孔1、倾斜深孔2、圆形/椭圆形凹坑3，或者锥形坑4。通常利用钻头加工出各种深度的垂直孔1、倾斜深孔2；利用压痕仪并使用不同压头压出不同形状的凹坑，如圆形/椭圆形凹坑3，或者锥形坑4等等。
S4.夹杂孔洞留空或加入夹杂物：在加工的孔洞中加入夹杂物，能够模拟不同类型的夹杂缺陷；例如加入耐高温氧化物、高熔点材料如钨丝、钨球、钨粉末等。前者可以模拟氧化物夹杂，后者可以模拟金属夹杂。也可以不加入任何夹杂，来模拟一个内部裂纹型缺陷。
S5.固定夹杂物：利用粘结体将夹杂物固定，以保证夹杂不会移动离开原安装位置；例如可以采用胶带、胶水将可以在孔洞或凹坑中自由移动的夹杂封堵，也可以通过安装与孔洞截面尺寸相当大小的夹杂，形成挤压限位固定。未安装夹杂的孔洞，可模拟孔隙或裂纹类缺陷，不需要封闭。
S6.通过摩擦焊接的方式将剖分开的毛坯料单元在截面处相接。例如圆棒类毛坯料可以使用惯性摩擦焊的方式焊接，长方体类毛坯可以使用线性摩擦焊的方式焊接等。
S6.外形加工：根据需要对焊接后坯料加工形状及表面处理。
下面结合本发明的一个优选具体实施例对本发明在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法进行试验验证。试验采用50.8mm的4340合金钢钢棒体两件，切分成长度分别为110mm的第一毛坯料单元5(原来编号2)和长度为130mm的第一毛坯料单元6(原来编号1)，如图2所示。
在第一毛坯料单元5的棒体一个独立截面7的中心制备直径0.3mm的第一夹杂孔洞7，在半径15mm处，每隔60°分别制备直径为0.5mm、深度为5mm第二夹杂孔洞8，直径为0.8mm、深度为3.3mm的第三夹杂孔洞9的，直径为1.0mm、深度为3.5mm的第四夹杂孔洞10，直径为1.5mm、深度为4mm的第五夹杂孔洞11，直径为2.0mm、深度为4.5mm的第六夹杂孔洞12，直径为2.5mm、深度为5mm的第七夹杂孔洞13，如图3所示。
图4a显示了加工后的夹杂孔，图4b显示了在夹杂孔内加入钨颗粒并封闭后的状态。
利用惯性摩擦焊技术，将图4b中的棒体与图2中第二毛坯料单元6棒体的端面接合，得到融合后的棒体如图5所示。对表面进行机加工处理，达到表面粗糙度为Ra 0.8um后，获得截面直径为50mm的试件，如图5具体所示。
为了验证制备了指定大小的夹杂，对加工后试件利用超声无损检测设备进行检测。如图图6所示的试件。
从图7a和7b可知，从环面在缺陷位置截面处进行检测，利用0°纵波进行超声检测，检测方式和结果如图7所示，能够在指定位置发现指定大小的缺陷。
本发明的第二方面，提供一种在航空发动机用高温合金材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法，航空发动机用合金的材料为镍基高温合金和钛合金，其包括以下步骤：
S1.制备毛坯料：选取与待做缺陷检测的金属材料相同的材料制备出能供摩擦焊设备夹持的毛坯料；
S2.切分毛坯料：将毛坯料切分成两块或多块毛坯料单元；
S3.加工夹杂孔洞：选取一个毛坯料截面，加工夹杂物安装的夹杂孔洞；
S4.夹杂孔洞留空或加入夹杂物：在加工的孔洞中加入夹杂物，能够模拟不同类型的夹杂缺陷；
S5.固定夹杂物：利用粘结体将夹杂物固定，以保证夹杂不会移动离开原安装位置；
S6.通过摩擦焊接的方式将剖分开的毛坯料单元在切分的毛坯料截面处相接，摩擦焊接的具体加工工艺参数范围为：惯性矩20-150(kg×m2，千克×平方米)、转速200-3000(RPM，转/分钟)和压强80-800(MPa，兆帕)；
S7.外形加工：根据需要对焊接后坯料加工形状及表面处理，从而获得金属材料内部制备尺寸及位置可控带有夹杂缺陷的试件。
为了证实本发明的方法具有明显的益处，下面做一组对比试验。
如图8a为选择的金属原始棒材，如图8b对其进行超声波检测，从图8c可见，实线框是原始棒材截断前截断位置处信号，截断位置处检测无回波。
按照本发明对金属试件的毛坯料切分成两块毛坯料单元；选取一个毛坯料截面，加工夹杂物安装的夹杂孔洞；在加工的孔洞中加入夹杂物，在固定夹杂物后通过摩擦焊接将截面接合，实现带有人工缺陷的试件制备，制备后的试件如图9a所示。如图9b对其进行超声波检测，从图9c可见，实线框位置为摩擦焊焊接界面，检测无回声，说明利用摩擦焊制备带有内部人工缺陷的试件，焊接截面处无缺陷回波，从而有力地证明了本发明的方法的好处。
本发明的有益效果在于：提供了一种在材料内部制备尺寸可控夹杂缺陷的整体方法、流程及技术参数。和传统在利用焊丝在焊道内添加夹杂的方法不同，本发明的技术方案不引入新的异质材料(如焊丝材料引入基体材料)，能保证夹杂附近的材料和性能和原有材料一致，因此能够模拟真实自然夹杂缺陷；本发明可以适用于任何形貌特征的几何构件，突破了传统增材焊接只能在焊道内添加夹杂的区域限制；本方法可以精确控制夹杂缺陷的位置，能够避免现有焊缝添加夹杂导致的夹杂实际位置在焊接熔融区移动、溢出等问题；最后，本方法可以同时制备夹杂和裂纹类型缺陷，而现有工艺只能制备特定类型缺陷，如焊道内添加方式只能制备夹杂类缺陷，制备平底孔只能模拟裂纹类缺陷。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1.制备毛坯料：选取与待做缺陷检测的金属材料相同的材料制备出能供摩擦焊设备夹持的毛坯料；
S2.切分毛坯料：将毛坯料切分成两块或多块毛坯料单元；
S3.加工夹杂孔洞：选取一个毛坯料截面，加工夹杂物安装的夹杂孔洞；
S4.夹杂孔洞留空或加入夹杂物：在加工的孔洞中加入夹杂物，能够模拟不同类型的夹杂缺陷；
S5.固定夹杂物：利用粘结体将夹杂物固定，以保证夹杂不会移动离开原安装位置；
S6.通过摩擦焊接的方式将剖分开的毛坯料单元在切分的毛坯料截面处相接；
S7.外形加工：根据需要对焊接后坯料加工形状及表面处理，从而获得金属材料内部制备尺寸及位置可控带有夹杂缺陷的试件。
2.如权利要求1所述的在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法，其特征在于，所述孔洞包括垂直孔、倾斜深孔、圆形/椭圆形凹坑，或者锥形坑。
3.如权利要求2所述的在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法，其特征在于，所述的夹杂物包括用于模拟氧化物夹杂的耐高温氧化物，或者用于模拟金属夹杂的高熔点夹杂。
4.如权利要求3所述的在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法，其特征在于，所述粘结体包括胶带、粘结剂或者胶水。
5.如权利要求2-4中任一项所述的在金属材料内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法，其特征在于，所述摩擦焊接包括对圆棒类毛坯料所使用惯性摩擦焊接，对长方体类毛坯所使用线性摩擦焊接。
6.一种在航空发动机用合金内部制备尺寸及位置可控的夹杂缺陷的方法，其特征在于，所述航空发动机用合金的材料为镍基高温合金和钛合金，其包括以下步骤：
S1.制备毛坯料：选取与待做缺陷检测的金属材料相同的材料制备出能供摩擦焊设备夹持的毛坯料；
S2.切分毛坯料：将毛坯料切分成两块或多块毛坯料单元；
S3.加工夹杂孔洞：选取一个毛坯料截面，加工夹杂物安装的夹杂孔洞；
S4.夹杂孔洞留空或加入夹杂物：在加工的孔洞中加入夹杂物，能够模拟不同类型的夹杂缺陷；
S5.固定夹杂物：利用粘结体将夹杂物固定，以保证夹杂不会移动离开原安装位置；
S6.通过摩擦焊接的方式将剖分开的毛坯料单元在切分的毛坯料截面处相接，所述摩擦焊接的具体加工工艺参数范围为：惯性矩20-150(kg×m2，千克×平方米)、转速200-3000(RPM，转/分钟)、压强80-800(MPa，兆帕)；
S7.外形加工：根据需要对焊接后坯料加工形状及表面处理，从而获得金属材料内部制备尺寸及位置可控带有夹杂缺陷的试件。
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