摘要：為了提高鈦合金鑄件內(nèi)部缺陷檢出率，從鈦合金鑄件內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的原理、缺陷類型、缺陷特征出發(fā)，結(jié)合其表面狀況、微觀晶粒粗大等特點(diǎn)及鑄件熱等靜壓特有工序，優(yōu)先選擇射線檢測(cè)方法進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)。在射線機(jī)參數(shù)選擇上，優(yōu)先選用管電流大于10 mA的固定式射線機(jī)，透照時(shí)，便于使用大的曝光量，較低的管電壓，得到較高對(duì)比度、清晰度的底片。發(fā)現(xiàn)更細(xì)小的缺陷，提高缺陷檢出率，更好地控制鈦合金鑄件內(nèi)部質(zhì)量。

　　鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、良好的中低溫力學(xué)性能、較好的生物相容性等特點(diǎn)。隨著鈦合金現(xiàn)代鑄造技術(shù)的發(fā)展和水平的提高，鈦合金鑄件憑借其材料利用率高、可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的技術(shù)工藝優(yōu)勢(shì)，在海洋工程、航空航天、石油化工、醫(yī)療假肢等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。大多數(shù)鈦合金鑄件應(yīng)用于承壓結(jié)構(gòu)中，質(zhì)量要求較高，對(duì)鑄件中允許存在的缺陷等級(jí)有較高的限制，必須利用無(wú)損檢測(cè)對(duì)產(chǎn)品中的缺陷進(jìn)行定性、定量評(píng)價(jià)，保證質(zhì)量。

　　鑄件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，主要有超聲波檢測(cè)與射線檢測(cè)兩種方法，超聲波檢測(cè)是利用聲波穿透物體內(nèi)部，聲波穿透物體時(shí)遇到不同界面（缺陷界面）發(fā)生反射，探頭再接收反射波，對(duì)缺陷進(jìn)行定位的檢測(cè)。射線檢測(cè)是利用Χ或γ射線穿透物體，射線的強(qiáng)度在穿透鑄件時(shí)，發(fā)生衰減，當(dāng)鑄件內(nèi)部材質(zhì)均勻時(shí)（無(wú)缺陷），射線強(qiáng)度衰減均勻，當(dāng)有缺陷時(shí)，射線穿過該位置時(shí)，因射線衰減系數(shù)的變化，膠片或成像板接收的射線強(qiáng)度發(fā)生變化，通過底片黑度差或光信號(hào)的強(qiáng)弱顯示缺陷的形狀、位置。

　　由于鈦合金鑄件具有以下特征，因此決定對(duì)鈦合金鑄件內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)，優(yōu)先選擇射線檢測(cè)，分析如下：

　　（1）形狀不規(guī)則、表面粗糙，在進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，表面不易耦合，聲波無(wú)法進(jìn)入鑄件內(nèi)部，不規(guī)則的部位無(wú)法放置探頭實(shí)施檢測(cè)；

　　（2）鈦合金鑄件內(nèi)部組織不均勻，會(huì)造成超聲波的衰減和散射等，一般聲波很難穿透；

　　（3）鈦合金的鑄造普遍采用熱等靜壓工藝，熱等靜壓是在高溫、高壓下，使鈦合金發(fā)生擴(kuò)散蠕變壓實(shí)鈦合金鑄件內(nèi)部縮孔等密封、真空類缺陷，由于熱等靜壓時(shí)，溫度沒有達(dá)到鈦合金的熔點(diǎn)溫度，縮孔等內(nèi)部真空類缺陷雖然壓實(shí)，但沒有達(dá)到原子間結(jié)合，在進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，會(huì)在缺陷位置發(fā)生反射，無(wú)法穿透。

　　鑄件在進(jìn)行射線檢測(cè)時(shí)，普遍存在因鑄件自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一些參數(shù)選擇或透照方式選擇不合適等方面的原因，使得獲得的底片清晰度較低，造成缺陷漏檢的問題。特別是一些重要的、內(nèi)部質(zhì)量要求極為苛刻的軍工航天鑄件，常因缺陷的漏檢造成機(jī)加工后的鑄件在成品階段報(bào)廢，甚至威脅到航天器的安全。

　　為了獲得較高對(duì)比度、清晰度的底片，發(fā)現(xiàn)更細(xì)小的缺陷，提高缺陷的檢出率，在射線檢測(cè)參數(shù)的選擇上，遵循以下原則：①能量上，在能夠穿透工件的情況下選用低管電壓的X射線；②焦距的選擇，滿足諾模圖上最小焦距要求；③透照方式上，優(yōu)先選用單壁檢測(cè)等；④曝光量上，盡量選擇較大的管電流和較長(zhǎng)的曝光時(shí)間。

　　1、鈦合金鑄件常見缺陷

　　1.1、鑄造缺陷類型

　　鈦合金鑄件的缺陷分為內(nèi)部缺陷和表面缺陷，內(nèi)部缺陷主要有氣孔、縮孔、縮松、裂紋及高密度夾雜物、低密度夾雜物等；表面缺陷主要有熱裂紋、冷裂紋及冷隔等；典型缺陷的射線檢測(cè)影像如圖1所示。

圖1 鈦合金鑄件X射線檢測(cè)缺陷典型缺陷

　　鑄造缺陷產(chǎn)生的原因是多種多樣的，氣孔是金屬在從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，氣體在鈦液中的溶解度發(fā)生突變，凝固過程中未能及時(shí)逸出形成的。金屬凝固時(shí)發(fā)生凝固體收縮而得不到相應(yīng)的液態(tài)金屬補(bǔ)充是產(chǎn)生縮孔和縮松的最直接原因。鑄件在凝固收縮時(shí)，若內(nèi)部應(yīng)力超過了材料的強(qiáng)度極限，就可能會(huì)產(chǎn)生熱裂紋和冷裂紋。

　　鈦合金鑄件通常通過采用熱等靜壓技術(shù)去除鑄件內(nèi)部的縮孔、疏松等缺陷來(lái)改善其內(nèi)部質(zhì)量。對(duì)于不與外界連通、一定體積范圍內(nèi)的近真空的孔洞類鑄造缺陷，可通過熱等靜壓處理，利用固態(tài)金屬在高溫高壓下的擴(kuò)散蠕變將內(nèi)部孔洞缺陷體積的變化轉(zhuǎn)移至鑄件表面形成表面凹陷，通過后期打磨、機(jī)加或補(bǔ)焊可將其消除。

　　同時(shí)要注意，部分缺陷采用熱等靜壓是無(wú)法消除的，主要分為幾類：其一，高密度夾雜物、低密度夾雜物缺陷；其二，與外界連通的氣孔、縮孔、疏松及裂紋；其三，不與外界連通的體積較大的縮孔、氣孔鑄造缺陷。因此，鈦合金鑄件熱等靜壓處理前需用X射線檢測(cè)，并采取打磨、補(bǔ)焊的措施來(lái)消除超標(biāo)缺陷。

　　1.2、鑄件補(bǔ)焊缺陷類型

　　鑄件表面和內(nèi)部的缺陷均可通過補(bǔ)焊消除，一般產(chǎn)品的技術(shù)條件允許進(jìn)行1~2次的補(bǔ)焊，補(bǔ)焊后要求按照原射線檢測(cè)工藝進(jìn)行檢測(cè)。

　　鑄件補(bǔ)焊后，補(bǔ)焊區(qū)可能出現(xiàn)新的補(bǔ)焊缺陷。補(bǔ)焊區(qū)的焊接缺陷評(píng)定應(yīng)該按照相關(guān)技術(shù)文件執(zhí)行，或者參照焊接接頭射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定。鑄件補(bǔ)焊區(qū)的缺陷種類主要有以下幾種。

　　（1）常見焊接缺陷：裂紋、層間未熔合、氣孔、夾雜物、夾鎢等；

　　（2）殘留的鑄造缺陷：鑄造缺陷清除不徹底，未能完全消除，在補(bǔ)焊區(qū)邊緣遺留有縮孔等原始缺陷；

　　（3）邊界缺陷：在鑄件厚度較大，補(bǔ)焊區(qū)域較小且深度較大時(shí)，如果焊接工藝不當(dāng)，會(huì)在補(bǔ)焊區(qū)域邊緣形成未熔合缺陷。

　　值得注意的是，在工件表面修磨平整的情況下，即使補(bǔ)焊區(qū)不存在缺陷，該區(qū)域的黑度與鑄造區(qū)域黑度也有明顯差異，大多數(shù)情況下黑度小于周圍區(qū)域。造成補(bǔ)焊區(qū)與鑄造區(qū)黑度差異的主要原因是補(bǔ)焊區(qū)域和工件鑄造區(qū)域的成分、組織存在一定的差異，引起射線吸收系數(shù)的變化，故不能簡(jiǎn)單判定為補(bǔ)焊區(qū)缺陷。圖2為ZTA15材質(zhì)的大型鑄件的補(bǔ)焊缺陷射線檢測(cè)底片，壁厚為8 mm，缺陷補(bǔ)焊后將工件表面修磨平整進(jìn)行射線復(fù)檢，補(bǔ)焊區(qū)的黑度明顯小于周圍區(qū)域，補(bǔ)焊缺陷與焊接接頭的缺陷影像特征相同。

圖2 鑄件補(bǔ)焊缺陷影像

　　2、鑄件缺陷檢出率影響因素

　　影響鈦合金鑄件缺陷檢出率的因素包括射線源的選擇、焦距的選擇、射線能量的選擇、透照范圍的劃分、其他因素等。由于大多數(shù)鑄件結(jié)構(gòu)都是不規(guī)則的，因此，鑄件的檢測(cè)工藝有其特殊性。

　　2.1、射線源和能量因素

　　鈦合金鑄件檢測(cè)的射線源以X射線機(jī)為主，厚壁鑄件有時(shí)也會(huì)采用γ源。對(duì)比試驗(yàn)表1表明，利用Se75、Ir192等γ源對(duì)鈦合金鑄件進(jìn)行透照時(shí)，其靈敏度和黑度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，能對(duì)該部位的缺陷進(jìn)行評(píng)定。但與X射線曝光獲得的底片相比較，其缺陷對(duì)比度、清晰度較差。特別是利用Co-60等能量較大的γ源進(jìn)行厚壁鑄件的透照時(shí)，其底片的靈敏度降低，清晰度會(huì)更差。因此，鈦合金鑄件的射線檢測(cè)一般不使用Co-60，壁厚較薄時(shí)也不應(yīng)使用Se75、Ir192作為射線源。

表1 X射線、γ射線對(duì)比試驗(yàn)

注：用Se75、Ir192、Co-60對(duì)不同板厚進(jìn)行透照，與X射線對(duì)比，底片清晰度普遍低1~2個(gè)絲徑，?代表未對(duì)該厚度透照。

　　X射線機(jī)透照時(shí)，管電壓的選擇同樣有最大允許管電壓的限制，按照?qǐng)D3的要求在檢測(cè)壁厚較薄的鑄件時(shí)，宜采用管電流較大（大于10 mA）的固定式X射線機(jī)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的底片黑度值，采用較低的管電壓，射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)，衰減系數(shù)較大，根據(jù)公式（1），衰減系數(shù)μ越大，在其他參數(shù)不變的情況下，黑度差越大，在射線底片上可以獲得較大的對(duì)比度，發(fā)現(xiàn)更細(xì)小的缺陷，從而提高缺陷的檢出率。在檢測(cè)鑄件厚度變化較大的部位時(shí)，考慮到厚度寬容度的問題，選擇的管電壓通常會(huì)略高于允許值，但最高通常也不能超過允許值40 kV。

圖3 不同透照厚度允許的X射線最高透照管電壓

　　式中：ΔD——黑度差；

　　μ——射線對(duì)物質(zhì)衰減系數(shù)；

　　G——膠片梯度；

　　ΔT——射線入射方向的缺陷尺寸，mm；

　　n——散射比。

　　2.2、透照方式及參數(shù)的因素

　　鈦合金鑄件射線透照通常采用單壁透照，只有在結(jié)構(gòu)特殊無(wú)法實(shí)施單壁透照時(shí)才允許采用雙壁透照。透照時(shí)射線束垂直入射到鑄件表面，射線窗口應(yīng)對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)區(qū)域的中心位置。透照焦距的選擇與焊接接頭檢測(cè)的要求一致，根據(jù)幾何不清晰度的要求利用公式（2）、（3）或圖4確定最小焦距。

　　所選用的射線源至工件表面的距離f應(yīng)滿足公式（2）、（3）的要求：

　　A級(jí)射線檢測(cè)技術(shù)：

　　式中：d——射線源的焦點(diǎn)尺寸，mm；

　　b——工件源側(cè)至膠片的距離，mm。

　　B級(jí)射線檢測(cè)技術(shù)：

　　式中：d——射線源的焦點(diǎn)尺寸，mm；

　　b——工件源側(cè)至膠片的距離，mm。

圖4 射線源與工件源側(cè)表面最小值的諾模圖

　　2.3、透照區(qū)域的劃分因素

　　鈦合金鑄件射線檢測(cè)，對(duì)透照厚度比的限制并沒有焊接接頭嚴(yán)格，因此，透照范圍的劃分依據(jù)通常為鑄件結(jié)構(gòu)、缺陷分布特點(diǎn)和底片的黑度要求。當(dāng)鑄件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，透照范圍就要根據(jù)過渡段的特征劃分，如平面部位和曲面部位分為不同的檢測(cè)區(qū)域；當(dāng)鑄件在某些特定的區(qū)域容易產(chǎn)生缺陷時(shí)，就要將該區(qū)域作為一個(gè)單獨(dú)的檢測(cè)區(qū)域；對(duì)于裂紋類缺陷，也要注意射線的入射角度，以提高缺陷檢出率。透照范圍劃分的合理性同時(shí)要根據(jù)底片黑度變化范圍衡量，必須保證底片黑度范圍處于標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，厚度變化較大的結(jié)構(gòu)就要更加精細(xì)地劃分單次有效透照區(qū)域。

　　劃分透照區(qū)域時(shí)要充分了解被檢件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)射線入射角度計(jì)算不同位置的透照厚度，從而選擇不同透照區(qū)域的曝光規(guī)范。必要時(shí)還要通過對(duì)比試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，以確定最佳的透照分區(qū)。目前，計(jì)算機(jī)工藝模擬技術(shù)已開始逐漸應(yīng)用到鑄件檢測(cè)中，通過1:1結(jié)構(gòu)的射線檢測(cè)工藝模擬，不僅能實(shí)現(xiàn)理想的透照分區(qū)，同時(shí)也能為工藝參數(shù)的選擇提供重要參考（見圖5）。

　　圖5中的產(chǎn)品為一機(jī)加工后的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的鈦合金環(huán)形鑄件，根據(jù)鑄件的直徑和厚度均分為A~F共6個(gè)透照分區(qū)。

圖5 透照區(qū)域劃分示例

　　2.4、其他方面的因素

　　2.4.1、底片布置

　　鑄件射線檢測(cè)采用的膠片規(guī)格尺寸較多，通常根據(jù)單次透照區(qū)域的尺寸準(zhǔn)備不同規(guī)格尺寸的膠片。無(wú)論采用哪種規(guī)格尺寸的膠片，都要保證膠片與鑄件的緊密貼合，保證圖像的清晰度。

　　2.4.2、散射線控制

　　對(duì)于鑄件檢測(cè)，散射線屏蔽同樣是必不可少的提高底片質(zhì)量的措施，鉛箔增感屏是最常用的手段。對(duì)于內(nèi)部過渡結(jié)構(gòu)較多的腔體型鑄件，采用單壁外透法檢測(cè)時(shí)，穿透單層壁厚的射線會(huì)在工件腔體內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的散射，此時(shí)就需要采取額外的散射線屏蔽措施。最便捷的方法是利用一定厚度的鉛皮遮擋于底片背后，也可利用鉛罩或光闌將射線照射場(chǎng)范圍控制在與透照區(qū)域接近的范圍內(nèi)。

　　2.4.3、底片黑度要求

　　對(duì)熔模精密鑄造成形件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，建議將底片黑度提升至2.3以上，便于高密度夾雜的發(fā)現(xiàn)，高密度夾雜缺陷在底片顯示為白色，如圖1（b）所示；如果底片黑度較低，缺陷位置與鑄件本體黑度差很小，不容易被發(fā)現(xiàn)。在對(duì)石墨型鑄件進(jìn)行射線檢測(cè)時(shí)，要注意鑄件外觀的檢查，因?yàn)槭托颓惠^熔模精密型型腔粗糙，鑄造時(shí)鈦液流動(dòng)性差，容易形成表面流痕缺陷。另外，采用石墨型鑄造薄壁鑄件時(shí)（壁厚小于10 mm），如果鑄造材料是有裂紋傾向的材質(zhì)，例如ZTC4材質(zhì)，那么應(yīng)特別注意裂紋缺陷的產(chǎn)生，因?yàn)槭陨韺?dǎo)熱快，鑄造時(shí)產(chǎn)生鑄造應(yīng)力，易形成裂紋缺陷。射線檢測(cè)參數(shù)選擇時(shí)，裂紋檢出角K值應(yīng)小于1.02，這樣才能提高裂紋缺陷的檢出率。

　　2.4.4、補(bǔ)焊區(qū)檢測(cè)

　　對(duì)于補(bǔ)焊位置的檢測(cè)，在透照方向上，射線束垂直于焊點(diǎn)位置，這樣有利于未熔合的面積型缺陷的檢出。

　　因?yàn)殍T件缺陷消除時(shí)，常采用鉆孔的方式進(jìn)行排除，特別是一些厚壁鑄件，缺陷常產(chǎn)生于鑄件的中間位置，待缺陷消除后，補(bǔ)焊位置往往是圓柱形的深孔，在進(jìn)行補(bǔ)焊操作時(shí)易產(chǎn)生未熔合焊接缺陷。

　　3、結(jié)語(yǔ)

　　根據(jù)鈦合金鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、缺陷產(chǎn)生原理及缺陷特征，決定鈦合金鑄件內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)方式優(yōu)先選擇射線檢測(cè)。射線檢測(cè)清晰度受以下因素的影響。

　　（1）曝光量因素。當(dāng)曝光量增加時(shí)，將增大細(xì)節(jié)圖像對(duì)比度與底片圖像顆粒度的比值，使細(xì)節(jié)圖像容易識(shí)別。此外，曝光量通過對(duì)底片黑度的影響，間接影響細(xì)節(jié)圖像的對(duì)比度。為保證缺陷能檢驗(yàn)出，曝光量必須達(dá)到一定的大小。

　　（2）透照方式的因素。確定透照方式的基本原則是有利于缺陷檢驗(yàn)，就是應(yīng)選用最適宜缺陷檢驗(yàn)的透照方式。為此，確定透照方式時(shí)必須對(duì)工件中的缺陷特點(diǎn)（性質(zhì)、延伸、位置等）有一定的認(rèn)識(shí)。

　　（3）焦距因素。確定焦距的依據(jù)是：①所選取的焦距必須滿足幾何不清晰度要求；②所選取的焦距應(yīng)給出射線強(qiáng)度比較均勻的、適當(dāng)大小的一次透照區(qū)。前者限定了焦距的最小值，后者指導(dǎo)如何確定實(shí)際使用的焦距值。

　　（4）散射線防護(hù)因素。在鈦合金鑄件的射線照相檢驗(yàn)中，減少到達(dá)膠片的散射線可以采取的主要措施是：遮蔽、背鉛板、濾波、光闌等，此外，可采用適當(dāng)厚度的金屬增感屏。

　　（5）透照角度因素。盡可能使主射線的透照方向垂直于工件表面切線方向。例如對(duì)環(huán)形結(jié)構(gòu)件，優(yōu)先選擇周向透照方式，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，更重要的是對(duì)裂紋等危害性缺陷的檢出率相比其他透照方式大為提高。

　　綜合考慮上述因素，選擇合適的透照參數(shù)，能得到較高清晰度的射線底片，提高鈦合金鑄件缺陷的檢出率。

　　作者單位：1.洛陽(yáng)雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所