TaW薄板分层缺陷检测及成因分析

李建文，王增勇，孟玉堂

（中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所，绵阳 621900）

钽钨合金具有密度大、熔点高、耐高温和抗烧蚀等特点，拥有良好的可成型性、热导性以及优良的断裂韧性和耐腐蚀能力。由于其优异的性能，钽钨合金正逐步取代其它材料［1－3］，在许多重要领域作为关键的结构材料和功能材料。

近期，笔者对一批1.6～3mm厚度的TaW板材采用兰姆波进行了无损检测，合格后进行线切割加工成型处理，发现线切割后的板材产生了分层起皮等缺陷，如图1所示。而兰姆波检测方法无法对已经加工成台阶状的薄板进行进一步的检测。经过研究，笔者利用10MHz的高频水浸聚焦探头，采用水浸超声成像检测的方法完成了TaW薄板内部分层缺陷的检测。

图1 TaW板材线切割后的表面缺陷

1 兰姆波检测方法

兰姆波广泛应用于金属薄板内部质量的无损检测中。对厚度＜6mm的光滑金属板材，由纵波与垂直偏振的横波合成的兰姆波具有很高的探伤灵敏度。前期对TaW薄板内部质量的检测采用兰姆波检测方法［4］，利用不同频率的可变角探头，发现在频率为1.25MHz，入射角为38°检测TaW板时，板端面和人工缺陷的反射回波前沿陡峭、无杂波，且板边盲区和探头前沿盲区较小。据此用研制的1.25P15×20 38°兰姆波超声换能器对1.6mm厚的TaW板材进行检测，不但可以稳定检出φ0.4mm左右的缺陷，而且孔径与兰姆波反射幅值呈现出良好的线性关系（图2）。

图2 不同TaW板孔径与兰姆波反射幅值的线性关系

尽管兰姆波检测方法的灵敏度较高，且检测速度快、效率高，但由于是采用固定角度和单一模式的兰姆波进行检测，因此对不同深度和类型的缺陷检测能力相差很大。文献［5］认为对不同深度的缺陷，一种模式的兰姆波不能发现，而用另一种模式的兰姆波却能清楚地检测出来。文献［6］认为兰姆波探伤方法不太适用于检测薄板内的分层和折叠缺陷，对于贴合紧密而面积很大的分层缺陷，兰姆波可能在通过时变换成在分层上下方同时存在的其它模式的波继续前进，最终被探头检测到信号。尽管可能根据兰姆波模式转换及群速度变化所导致的板材端头的反射回波位置变化来进行判断，但是漏检的可能性很大。而且加工成较小尺寸的台阶状的结构也无法采用兰姆波继续检测，因此研究采用高频水浸聚焦成像检测方法检测TaW薄板分层缺陷。

2 水浸超声检测方法

水浸纵波检测主要针对分层缺陷，采用超声纵波垂直穿过TaW薄板，在分层界面处引起反射，其类似于超声波在均匀介质中异质薄层界面引起的反射，声压反射率r可由以下公式计算得到：r＝（z2－z1）／（z2＋z1），其中z1为 TaW 板中超声波传播的声阻抗；z2为分层缺陷中空气层异质中超声波传播的声阻抗。TaW板声阻抗为66.3×106kg／m2·s，空气的声阻抗约为0.000 4×106kg／m2·s，因此超声波通过大面积厚度小的异质薄层时，只要其间隙大于10－4～10－5mm，都会在分层处产生强烈的反射，在超声A扫描显示上表现为分层处缺陷波尖锐陡峭，波形幅值高，非常容易识别。同时底面波快速下降，甚至完全消失。因此水浸超声纵波检测方法是一种非常灵敏的分层缺陷检测方法。检测采用10MHz的高频水浸聚焦探头，能够清晰区分薄至1.6mm的TaW板上下界面，聚焦声束直径小至约1mm，能够灵敏地检测小面积的分层缺陷。

对8件TaW板材进行了水浸聚焦超声成像检测，发现有三件存在超标缺陷，对其中一件最严重的部位进行了水浸成像检测，其检测波形和C扫描图像结果如图3，中间为分层缺陷区域，长度约20mm。从水浸检测A扫描波形及C扫描结果可以看出：

图3 1.6mm TaW板水浸检测A扫描波形及C扫描结果

（1）10MHz水浸聚焦探头能够清晰地区分1.6mm厚度的TaW板上下层界面波。

（2）薄板中间产生的分层缺陷信号可以清晰地区分，说明检测方法有效。

为分析缺陷成因，对图1试样的分层起皮缺陷部位取样进行了金相分析，磨制的金相试样表面宏观形貌如图4和5所示。

图4为图1所示的较严重的分层起皮部位的纵向切割断面宏观图像及其左侧分层较严重部位放大50倍的金相照片。从金相照片上可以看到，分层起皮缺陷靠近加工面一侧，且沿着平行于线切割加工面的方向扩展，没有明显的向深度方向延伸趋势，而中心部位的金相照片中没有发现缺陷。图5断面右侧为轻微分层缺陷处及中心基体位置的金相照片，从金相图像上来看，轻微分层缺陷存在的部位距离线切割加工面的距离45μm，长度410μm，大致沿表面方向扩展，而基体中心部位无缺陷，说明缺陷的产生与材料材质及加工有关。前几批同样材质的TaW板在线切割加工时，采用的设备、工艺及人员完全相同，加工成型的时候却没有出现这些情况，因此这次TaW板产生缺陷的原因很可能在于该批TaW材料的材质不均匀、材料层间结构组织结合不紧密或热处理不当导致存在内部应力集中区域等，进而在线切割加工时会产生薄的近表层分层缺陷。

为验证此判断，对产生分层缺陷的TaW板材余下部位采用线切割方式加工成系列厚度相差0.5mm的台阶，然后观察线切割加工面状况，其宏观形貌如图6所示。可以看出，每一层的表面均存在严重程度不同的浅凹坑缺陷（白色部位），而前面的金相解剖试验证明缺陷主要位于线切割加工面，不大可能每层均存在缺陷。由此可推断材质不佳以及线切割加工时产生的热应力是导致分层缺陷产生的主要原因。

图6 TaW板台阶切割断面宏观图像

3 结论

（1）超声兰姆波是一种检测薄壁板材内部缺陷较灵敏的方法，检测能力可达到0.4mm当量缺陷，但采用单一模式的兰姆波检测紧密贴合的不同深度的缺陷存在漏检的可能性，应采用多种模式的兰姆波综合检测，或补充水浸超声纵波检测方法。

（2）高频水浸聚焦超声纵波成像检测方法是检测薄壁板材分层缺陷十分灵敏有效的方法，能够检测出贴合非常紧密的分层缺陷。

（3）破坏试验和金相分析表明，该TaW板加工后出现的缺陷均位于线切割加工表面或近表面的位置，初步判断为材质不均匀、材料层间结构组织结合不紧密以及热加工等原因导致存在内部应力集中区域，进而在线切割加工时产生薄的表层分层缺陷。

［1］胡忠武，李中奎，张廷杰.钽及钽合金的新发展和应用［J］.稀有金属与硬质合金，2003，31（3）：34－36.

［2］彭海健，闫晓东，李德富.钽在破甲弹药型罩中的应用［J］.稀有金属，2006，30（5）：678－681.

［3］黄金昌.钽及其合金的性能和在化工中的应用［J］.稀有金属快报，1995（3）：1－3.

［4］王增勇，李建文，孙朝明.钽钨合金薄板的兰姆波检测［J］.无损检测，2009，31（9）：689－690.

［5］范同俐，廖玉龄.金属薄板中兰姆波的激励及分层的检查方法［J］.无损检测，1982，4（6）：6－10.

［6］郑开胜，刘景忠，白宝阳.薄板兰姆波探伤方法的评价［J］.无损检测，1994，16（9）：247－248.