董 帝，任樹貴，王承陽

(安泰科技股份有限公司，北京 100094)

鍛造鉬棒缺陷及檢測方法的研究

董 帝，任樹貴，王承陽

(安泰科技股份有限公司，北京 100094)

本文詳細(xì)介紹了鍛造鉬棒常見缺陷的典型特征、分布形態(tài)以及缺陷產(chǎn)生的原因，并對消除缺陷的防范措施和缺陷檢測方法進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，低倍分析可以發(fā)現(xiàn)鍛造鉬棒粗晶及晶粒組織不均、心部疏松等缺陷，利用超聲波無損檢測技術(shù)可以對鍛造鉬棒內(nèi)部缺陷進行定量、定位，分析了點狀、線狀等典型缺陷的特征波形，同時對試樣進行解剖、金相觀察，建立起超聲檢測波形與缺陷類型的對應(yīng)關(guān)系，為獲得高性能無缺陷的鉬棒提供有效保證。

鍛造鉬棒；缺陷分析；檢測方法

0 引 言

鉬是目前廣泛應(yīng)用的一種耐高溫材料，具有熔點高、強度大、彈性模量高、熱膨脹系數(shù)小，蒸汽壓低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，抗蝕性強以及高溫力學(xué)性能良好等特點，廣泛應(yīng)用于冶金、機械、石油化工、國防軍工、航空航天、電子、醫(yī)療、核工業(yè)等諸多領(lǐng)域。因其具有良好的成形加工性能，使其棒材被廣泛用作玻璃窯爐加熱電極、稀土熔煉電極、高溫加熱爐電極等功能材料以及醫(yī)用CT機旋轉(zhuǎn)軸、火箭噴嘴、燃?xì)夤艿?、噴管喉襯等高溫結(jié)構(gòu)材料[1-5]。目前，鉬棒生產(chǎn)的方法通常是采用粉末冶金工藝制備一定直徑的燒坯，然后經(jīng)過鍛造加工工藝獲得，由于燒結(jié)鉬坯屬于脆性難變形金屬，在鍛造過程中如果工藝控制不當(dāng)極易形成裂紋、晶粒組織不均勻、孔洞等缺陷，本文作者結(jié)合多年從事鉬棒鍛造加工的生產(chǎn)經(jīng)驗，通過對缺陷樣品的分析，系統(tǒng)研究了鍛造鉬棒常見缺陷的典型特征、產(chǎn)生的原因以及消除缺陷的防范措施和缺陷檢測方法，并建立起超聲檢測波形與缺陷類型的對應(yīng)關(guān)系。

1 鍛造鉬棒的生產(chǎn)工藝及主要缺陷形式

粉末冶金法制備鍛造鉬棒的生產(chǎn)工藝見圖1。

圖1 鍛造鉬棒的生產(chǎn)工藝流程圖

燒結(jié)鉬棒坯屬于脆性難變形金屬，不受約束的自由鍛很容易使坯料產(chǎn)生鍛造劈裂裂紋。因此，實際上，燒結(jié)鉬棒坯的鍛造都采用 “摔”鍛工藝，“摔”鍛是一種最簡單的模鍛，被鍛坯料夾在上下對開的半圓柱摔模內(nèi)，錘頭打擊上摔模，坯料在上、下摔模約束下拔長，摔模的分模面要用大圓角，以便防止飛邊和夾料。在這種鍛造條件下，坯料近似受到三向壓應(yīng)力，這種應(yīng)力狀態(tài)非常有利于脆性難變形材料的變形[6]。根據(jù)鍛造鉬棒生產(chǎn)工藝流程特點，在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)以下幾種缺陷。

1.1 表面裂紋

表面裂紋分為橫裂紋和縱裂紋兩種，橫裂紋為沿圓周方向的裂紋，縱裂紋為沿長度方向的裂紋。這些缺陷肉眼可見，不需要進行無損超聲波探傷檢驗，其中較淺的表面裂紋缺陷，可以通過機加工除掉。這些缺陷產(chǎn)生的可能原因是：(1)坯料表面玷污：壓坯表面滲油，在燒結(jié)過程中表面污染、增碳。如圖2中最右側(cè)表面有橫裂紋的鉬棒，經(jīng)化學(xué)分析檢測，表面C含量高達0.68%，為壓坯表面滲油所致；(2)鍛造操作隨機性失誤：鍛造用模具沒有預(yù)熱或者預(yù)熱溫度低，或者矯直溫度低，造成鍛坯表面溫度低，有時高溫坯放在涼的地面或者墊板上，也有可能造成表面龜裂。

圖2 表面裂紋

1.2 端部劈裂

有時鉬棒在開坯或者前幾個道次時就會發(fā)生端部劈裂的情況，鍛棒端部呈現(xiàn)明顯的縱向裂紋，嚴(yán)重時可貫穿棒長的一半(如圖3所示)。產(chǎn)生這些缺陷的可能原因是：(1)模具設(shè)計不當(dāng)：如果坯料幾何尺寸和模具不符合工藝要求，就容易造成此類缺陷；(2)原料的問題：雜質(zhì)含量過高、粉末顆粒團聚嚴(yán)重等原因，造成鉬燒坯密度偏低，在鍛造過程中容易產(chǎn)生劈裂；(3)內(nèi)缺陷延展：鉬棒內(nèi)部有裂紋、孔洞等缺陷，在鍛造時會延展至端部，造成端部劈裂。

圖3 端面劈裂

1.3 粉碎性破壞

鉬棒燒坯在鍛造開坯時就發(fā)生粉碎性破壞，導(dǎo)致鍛造不能進行，發(fā)生粉碎性破壞的原因可能是：

(1)原料的問題：鉬粉原料的粒度分布、顆粒團聚、雜質(zhì)元素含量等對鍛造性能都有一定影響，有些原料不適宜后續(xù)的變形加工，但目前對此研究較少。甚至有時在生產(chǎn)過程中，鉬粉混入Fe、Ni等異物，在高溫?zé)Y(jié)、鍛造過程中形成泡穴。

(2)燒坯密度偏低：燒結(jié)鉬坯的密度不可能達到100%的理論密度，一般尚存有4%～6%的孔隙或孔洞，萬一它們之中某些缺陷的尺度大于格里菲斯缺陷的臨界穩(wěn)定尺寸，在鍛造力的作用下，裂紋就會擴展而造成斷裂，或者發(fā)生“酥心”的缺陷。

圖4 粉碎性缺陷

1.4 芯部開裂

鍛造鉬棒中心附近出現(xiàn)裂紋，形狀比較分散，主要有：三角形、叉形、花瓣形、放射形、菱形等。這些缺陷如果延展到整個棒子的長度，從棒子端頭可以看到。如果在局部一段有缺陷，把棒子中間鋸斷，可以暴露出缺陷，對于長棒材由于沒有外露端面，內(nèi)部缺陷的無損超聲波探傷檢測顯得非常重要。

產(chǎn)生芯裂的原因可能是：(1)在鍛造過程中道次變形量控制不嚴(yán)，有可能變形不透，坯料產(chǎn)生“夾生”現(xiàn)象，導(dǎo)致芯裂。加大道次變形量，特別在開坯階段使得整個坯料的橫斷面都發(fā)生變形，有可能減少或消除內(nèi)缺陷，道次變形量的控制在15%～20%。(2)坯料中心密度不夠，當(dāng)變形量小時，由于內(nèi)外層延伸量有差異，各延伸層內(nèi)形成的拉應(yīng)力從坯料表面至中心逐漸增大，在金屬內(nèi)部塑性差的部位就產(chǎn)生了內(nèi)部軸向裂紋源。

圖5 鉬棒芯部開裂

1.5 圓形小洞及短裂紋

此類缺陷很可能是由于原料中含有小塊狀非鉬材料，在燒結(jié)過程中熔化，在未和鉬發(fā)生冶金反應(yīng)以前，熔體必保持球形，在和鉬發(fā)生冶金反應(yīng)以后，留下一近似球形的孔洞。鍛造能降低孔洞的體積，但不能消除此孔洞。在鍛造中如果此類孔洞被無限壓扁，就會轉(zhuǎn)化成短小的內(nèi)裂紋，嚴(yán)重時會開裂。

圖6 圓形小洞

1.6 粗晶及晶粒組織不均

在鍛造時，如果高溫加熱時間過長，容易造成粗晶。另外如果鍛造總變形量過小，也會造成鉬棒內(nèi)外層晶粒嚴(yán)重不均勻，表層為加工態(tài)組織或為經(jīng)再加熱后長大的粗晶粒，中心為多孔洞的燒結(jié)組織。

圖7 中心存在粗晶的鉬棒低倍切片

鍛造鉬棒的各種缺陷是整個粉末冶金產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的所有缺陷的總暴露。必須指出的是，由于缺陷形成的原因往往不是單一的，而是與原材料質(zhì)量、生產(chǎn)工藝以及執(zhí)行工藝是否嚴(yán)格等因素有關(guān)，所以不能孤立分析某一個工序操作的原因[7]。在分析鍛造鉬棒的缺陷時，準(zhǔn)確地斷定某一具體缺陷的成因是一件很困難的工作，因為缺陷產(chǎn)生的原因是多方面的，歸納起來有內(nèi)因和外因兩個方面，內(nèi)因是燒結(jié)坯本身的原因，外因是指鍛造操作失誤。內(nèi)因是本質(zhì)，外因是條件，外因通過內(nèi)因起作用。內(nèi)因就是鉬坯的屈服強度和斷裂強度之間的差異，鍛造受力必須大于屈服強度，小于斷裂強度。外因是加熱溫度和錘擊力。因此，首先要提高鉬燒坯的質(zhì)量，保證鉬燒坯有足夠高的斷裂強度，沒有局部斷裂強度低的弱點或弱面。嚴(yán)格控制加熱溫度和錘擊力，內(nèi)因和外因取得最佳組合，才能從根本上消除鉬棒產(chǎn)生鍛造裂紋的可能性[6]。

2 鍛造鉬棒的缺陷檢測方法

針對鍛造鉬棒在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的缺陷形式及表現(xiàn)特征，在實際生產(chǎn)中缺陷主要的檢測方法有目測法、低倍切片檢測法、無損超聲波探傷檢測法。

2.1 目測法

在實際生產(chǎn)中，鉬棒產(chǎn)生的表面裂紋、端部劈裂、粉碎性破壞等缺陷，一般通過目測即可發(fā)現(xiàn)。通過目測及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，以避免鍛造毛坯進入加工工序是非常必要的檢測手段，另外通過及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷及進行原因分析，有助于提高產(chǎn)品的生產(chǎn)合格率，避免材料浪費。

2.2 低倍切片檢測法

低倍切片檢查是一個方便快捷檢測鉬棒組織均勻性的方法。具體的檢測方法是，在鍛造鉬棒長度方向上截斷一5～10 mm厚度的坯料試樣，然后將試樣大面用磨床磨光，表面粗糙度達到Ra0.8以上，將磨光后的試樣用王水進行腐蝕，觀察其低倍組織形態(tài)。為了驗證低倍切片檢測的準(zhǔn)確性，分別在低倍觀察到粗晶和細(xì)晶區(qū)域分別取樣進行金相分析，分析結(jié)果顯示與低倍檢測是一致的。

圖8 鉬棒晶粒不均勻的低倍檢測與金相分析

2.3 無損超聲波探傷檢測法

無損檢測是指在不損害或不影響被檢測對象使用性能、不傷害被檢測對象內(nèi)部組織的前提下，借助現(xiàn)代化的技術(shù)和設(shè)備器材，對試件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)及缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進行檢查和測試的方法，超聲波檢測亦是其中的一種方法。無損檢測一般均通過人為加工或預(yù)埋一定形狀的平底孔、V型槽等(以下統(tǒng)稱為人工缺陷)，用以模擬材料中常見的缺陷形式，以用來調(diào)整檢測參數(shù)，驗證檢測效果[8-10]。

棒材中的多數(shù)缺陷都沿縱軸方向延展，但在橫截面上的分布不全集中于棒材中心，所以棒材的檢測一般采用超聲波縱波直入射脈沖反射法，聲束沿圓周面垂直入射，探頭沿軸向勻速平移而棒材旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對棒材的全面掃查。一般選用雙晶聯(lián)合探頭對其進行手動檢測，然而因手動檢測存在諸多的人為及操作等影響因素，導(dǎo)致檢測存在一定的誤差。隨之機械自動化在無損檢測行業(yè)的大量應(yīng)用，自動檢測技術(shù)日趨成熟，現(xiàn)階段一般采用超聲波縱波水浸檢測，一次完成多通道的底波及缺陷波的監(jiān)控?？v波水浸法使用聚焦探頭完成檢測，聚焦使聲束在某一深度內(nèi)直徑變窄，聲強增強，在這局部區(qū)域內(nèi)檢測靈敏度、橫向分辨力和信噪比等都有明顯的提高，在C掃描檢測中可以提高圖像分辨率，使其在使用時具有很強的優(yōu)越性，接下來我們通過對人工缺陷及工藝缺陷的檢出能力驗證檢測方法的有效性。

2.3.1 對人工缺陷的檢測

2.3.1.1 點狀缺陷

單個不連續(xù)性顯示是變形金屬中主要缺陷，對其檢出能力是一種檢驗方法能否適用于某一類產(chǎn)品的主要依據(jù)，水浸法因其使用聚焦探頭，檢測靈敏度高、分辨率好，因此對單個不連續(xù)性顯示有很強的檢出能力，還可以對其準(zhǔn)確的定量、定位(圖9)。

圖9 不同平底孔當(dāng)量(φ0.8～φ3.2 mm)C掃描圖像

由圖9可知，采用水浸聚焦檢測對φ0.8 mm當(dāng)量平底孔人工缺陷清晰檢出，同時還具有一定的靈敏度余量可進行更高的精度檢測。

2.3.1.2 線狀缺陷

線狀不連續(xù)性顯示在變形金屬中是對性能影響最大的缺陷，危害巨大，對其檢出能力是一種檢測方法是否適用于該類產(chǎn)品的重要依據(jù)，在超聲檢測中一般采用人工橫通孔的方式模擬線狀不連續(xù)性顯示，見圖10。

圖10 φ 1.2 mm埋深1.5 mm長10 mm橫孔C掃描圖

圖中C掃描中線狀不連續(xù)性顯示為φ30 mm/φ1.2 mm距圓周面1.5 mm、長10 mm橫孔人工反射體，由此可見水浸聚焦法對線狀不連續(xù)性顯示同樣具有很好的檢測靈敏度和近表面分辨力。

2.3.2 對工藝缺陷的檢測及驗證

2.3.2.1 單點狀工藝缺陷

鍛造鉬棒的點狀缺陷主要是縮孔和夾雜物，在實際檢測中，結(jié)合金相能夠發(fā)現(xiàn)C掃描中清洗顯示存在點狀不連續(xù)性顯示的位置均有相應(yīng)的工藝缺陷(圖11、圖12)存在。

2.3.2.2 線狀工藝缺陷

裂紋是變形金屬中最常見的危害性缺陷，它的產(chǎn)生貫穿于變形金屬生產(chǎn)的所有工序，對于鍛造鉬棒中的裂紋主要有坯料、鍛造、熱處理等工序產(chǎn)生。水浸聚焦法對裂紋的檢出能力很突出，詳見圖13、圖14。

圖11 點缺陷C掃描 圖12 點缺陷微觀顯示

圖13 裂紋缺陷C掃描 圖14 裂紋微觀顯示

由圖9、圖10可以看出，超聲波縱波水浸法對人工預(yù)設(shè)的點狀、線裝缺陷的檢測，A掃描波形表現(xiàn)明顯，C掃描圖像顯示清晰明確，由此可見超聲波水浸檢測法能夠適用于本產(chǎn)品的無損評價。在實際檢測中我們進一步結(jié)合低倍切片以及金相等破壞性檢測手段來進一步驗證檢測方法的有效性。我們發(fā)現(xiàn)在波形存在異常的區(qū)域內(nèi)的材料組織與波形無異常區(qū)域材料組織存在一定的差別，經(jīng)過大量的實驗數(shù)據(jù)的積累對比后發(fā)現(xiàn)，我們不但會對產(chǎn)品內(nèi)部的缺陷進行精確的定位、定量，甚至?xí)ㄟ^異常波形的不同的表現(xiàn)形式對應(yīng)處不同性質(zhì)(點狀、線狀)的缺陷，進一步對缺陷的性質(zhì)形式作出判斷。綜上所述超聲波縱波水浸法不但可對棒料內(nèi)部的點狀缺陷、線狀缺陷精確檢出，還可進行精確的定位、定量，甚至進一步對缺陷形式進行定性。

3 結(jié) 論

(1)鍛造鉬棒缺陷的表現(xiàn)形式主要有表面裂紋、端部劈裂、芯部裂紋、粉碎性裂紋、孔洞、粗晶及晶粒不均勻等。

(2)鍛造鉬棒缺陷產(chǎn)生的原因是多方面的，歸納起來有內(nèi)因和外因兩個方面，內(nèi)因是指鉬燒結(jié)坯本身的原因，外因是指鍛造操作造成的。因此，要想從根本上消除鍛造缺陷的可能性，首先要提高鉬燒坯的質(zhì)量，保證鉬燒坯有足夠高的斷裂強度，另外還要嚴(yán)格控制鍛造過程中的加熱溫度和錘擊力。

(3)鍛造鉬棒缺陷檢測的方法主要有目測法、低倍切片檢測法、無損超聲波檢測法。其中目測法主要用于檢測鉬棒外部的裂紋缺陷，低倍切片檢測可以快速發(fā)現(xiàn)鉬棒粗晶及組織不均勻問題，無損超聲波檢測主要用于檢測鉬棒內(nèi)部的點狀、線狀等缺陷，并且通過探傷波形的變化可以獲得鍛造鉬棒內(nèi)部缺陷的類型、形態(tài)、尺寸和分布情況。

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STUDY ON DEFECTS AND DETECTION METHODS OF FORGED Mo RODS

DONG Di，REN Shu-gui，WANG Cheng-yang

(Advanced Technology & Materials Co., Ltd.,Beijing 100094, China)

The typical defects’ features, distribution and causes in forged Mo rods were introduced in detail.Meanwhile,detection and preventing methods were thoroughly studied.The result shows that by metallurgical microscopy, typical defects such as coarse grains, ununiform microstructure and porosity in center region can be easily observed.These defects can be positioned and detected quantitatively by ultrasonic nondestructive testing.Then the characteristic waveform for the typical defects, such as point shape and line shape, were carried out and analyzed.By combining metallurgical microscopy and NDT methods, the relationships between waveform and detects type were established, providing guideline for high performance forged Mo rods.

forged Mo rods; detective analysis; detection method

2017-05-27；

2017-06-30

董 帝(1979—)，男，碩士，工程師，主要從事難熔金屬材料變形加工工藝方面的研究。E-mail：dongdi@atmcn.com

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.04.007

TG146.4+12

A

1006-2602(2017)04-0036-06