TC18钛合金增材制造材料超声检测特征的试验研究

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1、笺论坛懈uMTC18钛合金增材制造材料超声检测特征的试验研究杨平华，史丽军，梁菁，史亦韦，康丽红(中国航发北京航空材料研究院，北京1(}0095)[摘要】针对TCl8激光、电子束增材制造钛合金及变形钛合金3种不同制造工艺的材料开展超声检测特征试验研究。结果表明，TCl8钛合金增材制造材料不同成形方向的超声波声速、材料衰减及检测灵敏度均存在较大差异，与变形钛合金相比具有明显的方向性。本研究结果对于增材制造制件的超声检测方法研究具有重要参考价值。关键词：增材制造；声速；衰减；检测灵敏度DOI：10．16080／j．issnl

2、671-833x．2017．05．038杨平华工程师。研究方向为无损检测技术。TCl8钛合金是一种高合金化的近B型钛合金，具有高强度、高塑性、淬透性好、可焊接性好等优点，广泛应用于飞机起落架、滑轮架等承力结构[I-21。但采用“锻造加机械加工”等传统技术制造这些复杂钛合金结构件，存在制造工艺复杂、工序多、生38航空制造技术·2017年第5期产制造成本高、材料利用率低、生产周期长等突出缺点，制约了钛合金结构件在先进工业及国防装备中的广泛应用13-51。激光或电子束增材制造技术是一种数字化的“近净成形”先进制造技术，克服了传

3、统制造技术的诸多缺点，尤其适合于飞机、飞船、导弹、卫星等航空航天国防装备大型复杂金属结构件的低成本、短周期、快速成形制造。近年来，该项技术在国内发展迅速，已开始制造某些飞机用钛合金结构件如某飞机16框、某飞机滑轮架、支柱等。然而，作为结构件应用的重要一环，其内部缺陷的评价要求与评价技术尚未开展系统的研究，成为构件应用的制约因素。由于钛合金增材制造是材料逐层熔化沉积和快速凝固的过程，该工艺将材料制备与零件成形过程合二为一，其组织特征、力学性能及零件内部可能产生的缺陷等，都与钛合金锻件及铸件存在很大差异[6-81，因此，不能

4、简单照搬锻件或铸件的检测方法，必须针对增材制造制件开展具有针对性的无损检测方法研究。目前，国外关于增材制造技术质量控制方面的研究主要针对于加工后材料的力学性能等，只有少量关于控制工艺参数以减少成形件中缺陷的研究；国内质量控制相关研究也仅是关于缺陷形成机理、显微组织和力学性能等方面一一叫；迄今为止，国内外关于增材制造材料内部质量无损检测方面的研究鲜见报道。本文针对3种不同工艺制备的TCl8钛合金材料开展超声检测试验研究，通过对比3种材料的超声波声速、衰减及检测灵敏度的差异，初步明确了TCl8钛合金增材制造材料的超声检测特征

5、。试验装置与方法1试样制备试验采用两块尺寸均为60mm×60ram×60mm(X×Y×Z)的TCl8钛合金激光、电子束增材制造试样，其中x表示高能束步进方№蛔弧咖。砌哪埘删吲无损检测技术向，y为高能束扫描方向，z为熔融沉积方向(即成形方向)，如图1所示。沿两块试样的x、l，、z向分别制作一个直径为0．8mm、孑L深为5ram的平底孔并进行覆型检验，保证平底孔孔径及孑L底质量满足试验要求。图1增材制造过程及不同方向示意图Fig．1Schematicofthedirectionofadditivemanufacturing另

6、外，设计制作孑L径为西0．8IllIYI、埋深3-30mm的TCl8钛合金激光增材制造z向阶梯试块，以及相同孔径、埋深3～45mm的TCl8钛合金电子束增材制造z向阶梯试块(图2)，用于不同工艺、相同成形方向增材制造材料超声检测灵敏度的对比试验。试验所采用的变形钛合金对魄比试块为直径50mm的TCl8圆柱形成套对比试块，平底孔孔径为西0．8ram，埋深3-45mm。2试验设备及参数采用USIP40型超声波探伤仪和SM—J6B一300型扫描器进行超声波声速、衰减以及灵敏度的水浸法试验，所使用的超声波探头及参数见表1。3试验

7、方法针对3种不同工艺材料的不同成形方向，采用1#探头进行超声底波监控C扫描，分析不同工艺及成形方向材料衰减的差异；随后采用配比为100mLH，0“l～3hLHF“2～6)mLHNO。的腐蚀液对两块方形增材制造试样进行腐蚀，利用SZ61型体视显微镜观察不同成形方向的低倍组织形貌，研究超声波衰减与材料组织特征的关系。声速是另外一个重要的声学参量，测量材料的声速变化是超声波评价材料特性的重要手段⋯】。使用1#探头，在TCl8激光、电子束增材制造方形试样的x、l，、z向选取6个衰减不同的区域测量声速，试验研究声速的变化规律；同时

8、，测量相同厚度TCl8变形钛合金试块的声速作为比对，由于变形钛合金没有明显【a)激光增材制造lb)电子束增材制造图2TCl8钛合金增材制造材料阶梯对比试块Fig．2ReferenceblocksofTCl8additivemanufacturingtitaniumalloy表1试验所用探头参数编号类型探火频率／MHz