钛合金铸件缺陷类型及无损检测工艺优化

摘要：为了提高钛合金铸件内部缺陷检出率，从钛合金铸件内部缺陷产生的原理、缺陷类型、缺陷特征出发，结合其表面状况、微观晶粒粗大等特点及铸件热等静压特有工序，优先选择射线检测方法进行内部缺陷检测。在射线机参数选择上，优先选用管电流大于10 mA的固定式射线机，透照时，便于使用大的曝光量，较低的管电压，得到较高对比度、清晰度的底片。发现更细小的缺陷，提高缺陷检出率，更好地控制钛合金铸件内部质量。

　　钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、良好的中低温力学性能、较好的生物相容性等特点。随着钛合金现代铸造技术的发展和水平的提高，钛合金铸件凭借其材料利用率高、可成形复杂结构的技术工艺优势，在海洋工程、航空航天、石油化工、医疗假肢等领域获得了广泛应用。大多数钛合金铸件应用于承压结构中，质量要求较高，对铸件中允许存在的缺陷等级有较高的限制，必须利用无损检测对产品中的缺陷进行定性、定量评价，保证质量。

　　铸件内部缺陷的检测，主要有超声波检测与射线检测两种方法，超声波检测是利用声波穿透物体内部，声波穿透物体时遇到不同界面（缺陷界面）发生反射，探头再接收反射波，对缺陷进行定位的检测。射线检测是利用Χ或γ射线穿透物体，射线的强度在穿透铸件时，发生衰减，当铸件内部材质均匀时（无缺陷），射线强度衰减均匀，当有缺陷时，射线穿过该位置时，因射线衰减系数的变化，胶片或成像板接收的射线强度发生变化，通过底片黑度差或光信号的强弱显示缺陷的形状、位置。

　　由于钛合金铸件具有以下特征，因此决定对钛合金铸件内部质量的检测，优先选择射线检测，分析如下：

　　（1）形状不规则、表面粗糙，在进行超声波检测时，表面不易耦合，声波无法进入铸件内部，不规则的部位无法放置探头实施检测；

　　（2）钛合金铸件内部组织不均匀，会造成超声波的衰减和散射等，一般声波很难穿透；

　　（3）钛合金的铸造普遍采用热等静压工艺，热等静压是在高温、高压下，使钛合金发生扩散蠕变压实钛合金铸件内部缩孔等密封、真空类缺陷，由于热等静压时，温度没有达到钛合金的熔点温度，缩孔等内部真空类缺陷虽然压实，但没有达到原子间结合，在进行超声波检测时，会在缺陷位置发生反射，无法穿透。

　　铸件在进行射线检测时，普遍存在因铸件自身结构复杂，一些参数选择或透照方式选择不合适等方面的原因，使得获得的底片清晰度较低，造成缺陷漏检的问题。特别是一些重要的、内部质量要求极为苛刻的军工航天铸件，常因缺陷的漏检造成机加工后的铸件在成品阶段报废，甚至威胁到航天器的安全。

　　为了获得较高对比度、清晰度的底片，发现更细小的缺陷，提高缺陷的检出率，在射线检测参数的选择上，遵循以下原则：①能量上，在能够穿透工件的情况下选用低管电压的X射线；②焦距的选择，满足诺模图上最小焦距要求；③透照方式上，优先选用单壁检测等；④曝光量上，尽量选择较大的管电流和较长的曝光时间。

　　1、钛合金铸件常见缺陷

　　1.1、铸造缺陷类型

　　钛合金铸件的缺陷分为内部缺陷和表面缺陷，内部缺陷主要有气孔、缩孔、缩松、裂纹及高密度夹杂物、低密度夹杂物等；表面缺陷主要有热裂纹、冷裂纹及冷隔等；典型缺陷的射线检测影像如图1所示。

图1 钛合金铸件X射线检测缺陷典型缺陷

　　铸造缺陷产生的原因是多种多样的，气孔是金属在从液态向固态转变时，气体在钛液中的溶解度发生突变，凝固过程中未能及时逸出形成的。金属凝固时发生凝固体收缩而得不到相应的液态金属补充是产生缩孔和缩松的最直接原因。铸件在凝固收缩时，若内部应力超过了材料的强度极限，就可能会产生热裂纹和冷裂纹。

　　钛合金铸件通常通过采用热等静压技术去除铸件内部的缩孔、疏松等缺陷来改善其内部质量。对于不与外界连通、一定体积范围内的近真空的孔洞类铸造缺陷，可通过热等静压处理，利用固态金属在高温高压下的扩散蠕变将内部孔洞缺陷体积的变化转移至铸件表面形成表面凹陷，通过后期打磨、机加或补焊可将其消除。

　　同时要注意，部分缺陷采用热等静压是无法消除的，主要分为几类：其一，高密度夹杂物、低密度夹杂物缺陷；其二，与外界连通的气孔、缩孔、疏松及裂纹；其三，不与外界连通的体积较大的缩孔、气孔铸造缺陷。因此，钛合金铸件热等静压处理前需用X射线检测，并采取打磨、补焊的措施来消除超标缺陷。

　　1.2、铸件补焊缺陷类型

　　铸件表面和内部的缺陷均可通过补焊消除，一般产品的技术条件允许进行1~2次的补焊，补焊后要求按照原射线检测工艺进行检测。

　　铸件补焊后，补焊区可能出现新的补焊缺陷。补焊区的焊接缺陷评定应该按照相关技术文件执行，或者参照焊接接头射线检测标准评定。铸件补焊区的缺陷种类主要有以下几种。

　　（1）常见焊接缺陷：裂纹、层间未熔合、气孔、夹杂物、夹钨等；

　　（2）残留的铸造缺陷：铸造缺陷清除不彻底，未能完全消除，在补焊区边缘遗留有缩孔等原始缺陷；

　　（3）边界缺陷：在铸件厚度较大，补焊区域较小且深度较大时，如果焊接工艺不当，会在补焊区域边缘形成未熔合缺陷。

　　值得注意的是，在工件表面修磨平整的情况下，即使补焊区不存在缺陷，该区域的黑度与铸造区域黑度也有明显差异，大多数情况下黑度小于周围区域。造成补焊区与铸造区黑度差异的主要原因是补焊区域和工件铸造区域的成分、组织存在一定的差异，引起射线吸收系数的变化，故不能简单判定为补焊区缺陷。图2为ZTA15材质的大型铸件的补焊缺陷射线检测底片，壁厚为8 mm，缺陷补焊后将工件表面修磨平整进行射线复检，补焊区的黑度明显小于周围区域，补焊缺陷与焊接接头的缺陷影像特征相同。

图2 铸件补焊缺陷影像

　　2、铸件缺陷检出率影响因素

　　影响钛合金铸件缺陷检出率的因素包括射线源的选择、焦距的选择、射线能量的选择、透照范围的划分、其他因素等。由于大多数铸件结构都是不规则的，因此，铸件的检测工艺有其特殊性。

　　2.1、射线源和能量因素

　　钛合金铸件检测的射线源以X射线机为主，厚壁铸件有时也会采用γ源。对比试验表1表明，利用Se75、Ir192等γ源对钛合金铸件进行透照时，其灵敏度和黑度满足标准要求，能对该部位的缺陷进行评定。但与X射线曝光获得的底片相比较，其缺陷对比度、清晰度较差。特别是利用Co-60等能量较大的γ源进行厚壁铸件的透照时，其底片的灵敏度降低，清晰度会更差。因此，钛合金铸件的射线检测一般不使用Co-60，壁厚较薄时也不应使用Se75、Ir192作为射线源。

表1 X射线、γ射线对比试验

注：用Se75、Ir192、Co-60对不同板厚进行透照，与X射线对比，底片清晰度普遍低1~2个丝径，‒代表未对该厚度透照。

　　X射线机透照时，管电压的选择同样有最大允许管电压的限制，按照图3的要求在检测壁厚较薄的铸件时，宜采用管电流较大（大于10 mA）的固定式X射线机，达到标准要求的底片黑度值，采用较低的管电压，射线波长更长，衰减系数较大，根据公式（1），衰减系数μ越大，在其他参数不变的情况下，黑度差越大，在射线底片上可以获得较大的对比度，发现更细小的缺陷，从而提高缺陷的检出率。在检测铸件厚度变化较大的部位时，考虑到厚度宽容度的问题，选择的管电压通常会略高于允许值，但最高通常也不能超过允许值40 kV。

图3 不同透照厚度允许的X射线最高透照管电压

　　式中：ΔD——黑度差；

　　μ——射线对物质衰减系数；

　　G——胶片梯度；

　　ΔT——射线入射方向的缺陷尺寸，mm；

　　n——散射比。

　　2.2、透照方式及参数的因素

　　钛合金铸件射线透照通常采用单壁透照，只有在结构特殊无法实施单壁透照时才允许采用双壁透照。透照时射线束垂直入射到铸件表面，射线窗口应对准检测区域的中心位置。透照焦距的选择与焊接接头检测的要求一致，根据几何不清晰度的要求利用公式（2）、（3）或图4确定最小焦距。

　　所选用的射线源至工件表面的距离f应满足公式（2）、（3）的要求：

　　A级射线检测技术：

　　式中：d——射线源的焦点尺寸，mm；

　　b——工件源侧至胶片的距离，mm。

　　B级射线检测技术：

　　式中：d——射线源的焦点尺寸，mm；

　　b——工件源侧至胶片的距离，mm。

图4 射线源与工件源侧表面最小值的诺模图

　　2.3、透照区域的划分因素

　　钛合金铸件射线检测，对透照厚度比的限制并没有焊接接头严格，因此，透照范围的划分依据通常为铸件结构、缺陷分布特点和底片的黑度要求。当铸件结构较为复杂时，透照范围就要根据过渡段的特征划分，如平面部位和曲面部位分为不同的检测区域；当铸件在某些特定的区域容易产生缺陷时，就要将该区域作为一个单独的检测区域；对于裂纹类缺陷，也要注意射线的入射角度，以提高缺陷检出率。透照范围划分的合理性同时要根据底片黑度变化范围衡量，必须保证底片黑度范围处于标准要求的范围内，厚度变化较大的结构就要更加精细地划分单次有效透照区域。

　　划分透照区域时要充分了解被检件的结构参数，根据射线入射角度计算不同位置的透照厚度，从而选择不同透照区域的曝光规范。必要时还要通过对比试验反复验证，以确定最佳的透照分区。目前，计算机工艺模拟技术已开始逐渐应用到铸件检测中，通过1:1结构的射线检测工艺模拟，不仅能实现理想的透照分区，同时也能为工艺参数的选择提供重要参考（见图5）。

　　图5中的产品为一机加工后的简单结构的钛合金环形铸件，根据铸件的直径和厚度均分为A~F共6个透照分区。

图5 透照区域划分示例

　　2.4、其他方面的因素

　　2.4.1、底片布置

　　铸件射线检测采用的胶片规格尺寸较多，通常根据单次透照区域的尺寸准备不同规格尺寸的胶片。无论采用哪种规格尺寸的胶片，都要保证胶片与铸件的紧密贴合，保证图像的清晰度。

　　2.4.2、散射线控制

　　对于铸件检测，散射线屏蔽同样是必不可少的提高底片质量的措施，铅箔增感屏是最常用的手段。对于内部过渡结构较多的腔体型铸件，采用单壁外透法检测时，穿透单层壁厚的射线会在工件腔体内发生复杂的散射，此时就需要采取额外的散射线屏蔽措施。最便捷的方法是利用一定厚度的铅皮遮挡于底片背后，也可利用铅罩或光阑将射线照射场范围控制在与透照区域接近的范围内。

　　2.4.3、底片黑度要求

　　对熔模精密铸造成形件进行检测时，建议将底片黑度提升至2.3以上，便于高密度夹杂的发现，高密度夹杂缺陷在底片显示为白色，如图1（b）所示；如果底片黑度较低，缺陷位置与铸件本体黑度差很小，不容易被发现。在对石墨型铸件进行射线检测时，要注意铸件外观的检查，因为石墨型型腔较熔模精密型型腔粗糙，铸造时钛液流动性差，容易形成表面流痕缺陷。另外，采用石墨型铸造薄壁铸件时（壁厚小于10 mm），如果铸造材料是有裂纹倾向的材质，例如ZTC4材质，那么应特别注意裂纹缺陷的产生，因为石墨自身导热快，铸造时产生铸造应力，易形成裂纹缺陷。射线检测参数选择时，裂纹检出角K值应小于1.02，这样才能提高裂纹缺陷的检出率。

　　2.4.4、补焊区检测

　　对于补焊位置的检测，在透照方向上，射线束垂直于焊点位置，这样有利于未熔合的面积型缺陷的检出。

　　因为铸件缺陷消除时，常采用钻孔的方式进行排除，特别是一些厚壁铸件，缺陷常产生于铸件的中间位置，待缺陷消除后，补焊位置往往是圆柱形的深孔，在进行补焊操作时易产生未熔合焊接缺陷。www.tai114.com 钛网

　　3、结语

　　根据钛合金铸件的结构特点、缺陷产生原理及缺陷特征，决定钛合金铸件内部质量的检测方式优先选择射线检测。射线检测清晰度受以下因素的影响。

　　（1）曝光量因素。当曝光量增加时，将增大细节图像对比度与底片图像颗粒度的比值，使细节图像容易识别。此外，曝光量通过对底片黑度的影响，间接影响细节图像的对比度。为保证缺陷能检验出，曝光量必须达到一定的大小。

　　（2）透照方式的因素。确定透照方式的基本原则是有利于缺陷检验，就是应选用最适宜缺陷检验的透照方式。为此，确定透照方式时必须对工件中的缺陷特点（性质、延伸、位置等）有一定的认识。

　　（3）焦距因素。确定焦距的依据是：①所选取的焦距必须满足几何不清晰度要求；②所选取的焦距应给出射线强度比较均匀的、适当大小的一次透照区。前者限定了焦距的最小值，后者指导如何确定实际使用的焦距值。

　　（4）散射线防护因素。在钛合金铸件的射线照相检验中，减少到达胶片的散射线可以采取的主要措施是：遮蔽、背铅板、滤波、光阑等，此外，可采用适当厚度的金属增感屏。

　　（5）透照角度因素。尽可能使主射线的透照方向垂直于工件表面切线方向。例如对环形结构件，优先选择周向透照方式，透照厚度比在一周都是1，可以一次完成全部透照，提高工作效率，更重要的是对裂纹等危害性缺陷的检出率相比其他透照方式大为提高。

　　综合考虑上述因素，选择合适的透照参数，能得到较高清晰度的射线底片，提高钛合金铸件缺陷的检出率。

　　作者单位：1.洛阳双瑞精铸钛业有限公司；2.中国船舶重工集团公司第七二五研究所