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失效分析:ZTA15钛合金精铸件X射线检测黑斑成因分析

嘉峪检测网        2019-01-15 17:34

ZTA15钛合金具有较高的强度、良好的热稳定性和焊接性能,目前主要用于飞机大型结构件及多种军工型号配套铸件。由于国内行业对ZTA15钛合金铸件的技术条件和标准还没有形成统一的规范,关于质量的控制,通常采用常规的X射线检测、超声检测等无损手段。

 

近日,某钛合金外购产品ZTA15精铸件在加工前进行X射线检测,目前采用GJB 2896A-2007《钛及钛合金熔模精密铸件规范》进行验收,其中X射线检验依据为GJB 1187A-2001《射线检验》,按照HB 6573-1992《熔模钢铸件用标准参考射线底片》进行判定。结果发现两处直径约10mm的黑斑,黑度较淡,但明显区别于周围影像,已知铸件厚度约20mm,如图1所示。

 

失效分析:ZTA15钛合金精铸件X射线检测黑斑成因分析

图1 X射线检测图像

 

为查明黑斑显示的原因,笔者对该零件进行了剖切取样分析,供相关检测人员进行底片评定时借鉴参考。

 

理化检验

 

01、着色检验

根据X射线检测的黑斑位置剖切铸件横截面,进行着色检验。结果未见明显的孔洞缝隙,亦未见线性显示,故可排除黑斑为线性缺陷或夹渣缺陷的可能。

 

02、低倍检验

在对应X射线检测图像中的黑斑位置切取试块A,如图2所示(图中圆圈处为黑斑显示位置),然后将试块A 沿中线进行线切割,一分为二,两试样分别编号为1号和2号。

失效分析:ZTA15钛合金精铸件X射线检测黑斑成因分析

图2 试块A宏观形貌

 

2件试样热酸腐蚀后宏观观察可见,黑斑截面形貌均近似为圆形,同时可分为3个不同的特征区域,如图3所示。

 

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图3 黑斑处低倍组织形貌

 

Ⅰ区对应X光片黑斑区,颜色较暗;Ⅲ区为基体,呈金属光泽,晶粒清晰可见;Ⅱ区为过渡区,晶粒有明显长大;Ⅰ区晶粒度明显细于Ⅱ区和Ⅲ区的,如图4所示。

 

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图4 2号试样低倍组织局部放大形貌

 

图4中黑斑Ⅰ区深度约10.5mm,与黑斑直径(10mm)相当。

 

03、金相检验

 

从低倍检验的2号试样中切取高倍试样,同时包含Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ三区,取样位置如图4所示。镶嵌、磨抛后使用HF-HNO3-H2O(三者体积比为1∶2∶50)Kroll试剂化学浸蚀,置于ZEISS Observer.Z1m全自动倒置金相显微镜下进行观察。

 

图5 3个区域显微组织形貌

 

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图6 Ⅰ区显微组织形貌

 

失效分析:ZTA15钛合金精铸件X射线检测黑斑成因分析

 

图7 Ⅱ区显微组织形貌

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图8 Ⅲ区显微组织形貌

 

3个区域显微组织均较粗大,如图5所示;其中Ⅰ区、Ⅱ区为短片交叉分布的网篮状组织,以及完整的晶界α相,但Ⅱ区晶粒明显长大,如图6和图7所示;Ⅲ区显微组织为粗大的魏氏组织以及完整的晶界α相,且在粗大晶粒内存在一定数量取向不同的较大“集束”,同一集束内有较多大致平行的α片,如图8所示。

 

04、硬度试验

 

依据GB/T 230.1-2009,分别对Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区进行洛氏硬度试验(采用C标尺),使用RB2000型数字洛氏硬度计。由表1可见,3个区域的硬度值差别不明显,其中Ⅰ区的硬度稍高于Ⅱ区和Ⅲ区的。

 

表1 洛氏硬度试验结果

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05、化学成分分析

 

表2 剖切试样Ⅰ区和Ⅲ区的化学成分(质量分数)

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由表2可知,两个区域的化学成分均符合验收技术标准要求。

 

综合分析

 

X射线检测的理论基础是射线衰减定律。射线衰减的程度与射线的能量、被透照物体的性质、厚度、密度等有关,若物体局部区域存在缺陷,它将改变物体对射线的衰减,引起透射射线强度的变化。射线照相法就是应用射线胶片来记录透过有缺陷工件后辐射图像中射线强度分布的差异,记录被照物体的内部结构或缺陷图像是依据黑度不等的影像构成原理。

 

对ZTA15铸件进行X射线检测,单从X射线检测图像黑度来看,此位置应局部存在缺陷导致X射线透射时强度发生变化,底片黑斑为圆形,一般情况下判定为气孔缺陷,但该铸件经过热等静压处理,且铸件厚度为20mm,存在ϕ10mm气孔缺陷的可能性较小。

 

从着色检测结果看,未见明显的孔洞缝隙、线性显示,从而也可排除黑斑显示为线性缺陷或夹渣缺陷的可能。

 

从黑斑位置及正常位置的化学成分分析结果来看,其化学成分均符合GJB2896A-2007技术标准要求,排除材料偏析的可能性。

 

从两区显微硬度测试结果来看,黑斑位置的硬度稍高于正常位置的。黑斑处金相检验结果表明,黑斑位置显微组织为α+β相,呈短片交叉分布的网篮状组织,组织均匀,而正常位置的显微组织为集束状魏氏组织,可知X射线检测时黑斑区的黑度略不同于正常基体的,是由于网篮状组织与魏氏组织的组织差异,而非缺陷原因所致。

 

由于铸造钛合金经常会出现气孔、缩孔、疏松等缺陷,故生产上常采用补焊、热等静压处理工艺来减少或消除缺陷。从试件低倍组织形貌来看,黑斑位置Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区恰好对应补焊熔合区、热影响区以及母材3个区域,且热影响区(Ⅱ区)晶粒明显长大。后来与厂家沟通确认,此铸件确实经过补焊处理后又进行了热等静压处理,由此证实黑斑疑似气孔缺陷,实为铸造补焊影像。

 

补焊也是一个冶金过程,涉及到金属液的熔化和凝固,因此若工艺控制不当,还会产生补焊气孔及缩松缩孔缺陷,甚至保护气氛的不纯净会造成补焊区域的氧含量增加,导致补焊接头的硬化和脆化。所以,在对铸件进行补焊时,应严格控制补焊工艺参数及气氛,寻找最优的补焊后的热处理工艺,同时注意加强补焊后的质量检验。

 

结论及建议

 

通过对疑似缺陷位置进行剖切检验发现,X射线图像中黑斑位置的化学成分与基体的基本相同,黑斑显示系显微组织差异引起X射线图像差异,黑斑区域为铸造补焊组织,而非缺陷;该黑斑组织对材料力学性能没有明显的影响,不会影响产品使用。由于此毛坯件为外购产品,因此在以后的外购产品入厂复验中需要寻找更加合理的缺陷识别及检测方法,从而有效控制产品质量。

 

选自:《理化检验—物理分册》

作者:徐宋娟,工程师,首都航天机械有限公司

 

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来源:AnyTesting