Prečo titánové tyče vyžadujú volumetrickú detekciu chýb
Titán a jeho zliatiny kombinujú hustotu približne 4,43 g/cm3 s vysokou špecifickou pevnosťou a vynikajúcou odolnosťou proti korózii, čo je dôvod, prečo sa tyč, tyč a drôt široko používajú na upevňovacie prvky lietadiel, lekárske implantáty, hriadele čerpadiel, rúrky výmenníkov tepla a hardvér pre chemické procesy. Titánová tyč sa bežne objednáva podľa ASTM B348, čo je špecifikácia, ktorá kontroluje chemické a mechanické vlastnosti, ale sama o sebe nedokazuje, že vnútro tyče je zdravé. Objednávky na nákup v letectve, medicíne a jadrových elektrárňach preto pridávajú k špecifikácii materiálu triedu akceptácie ultrazvukom.
Dôvodom sú vnútorné diskontinuity. Tvrdé alfa inklúzie, zmršťovacie dutiny, presahy kovania a stredová pórovitosť môžu prežiť valcovanie a kovanie bez toho, aby vytvorili viditeľné povrchové náznaky, napriek tomu pôsobia ako zosilňovače napätia v častiach kritických z hľadiska únavy. Ultrazvukové testovanie deteguje takéto vlastnosti volumetricky, pretože zvuk s megahertzovou frekvenciou sa šíri cez pevný titán s nízkym útlmom a silne sa odráža všade tam, kde sa zmení akustická impedancia, napríklad v dutine, trhline alebo inklúzii.
Ako funguje ultrazvuková metóda
Priemyselná inšpekcia využíva vlny v rozsahu nízkych megahertzov, typicky 2,5 MHz až 10 MHz. Vyššie frekvencie poskytujú kratšie vlnové dĺžky, lepšie rozlíšenie a užší lúč, ale sú viac rozptýlené štruktúrou zŕn; nižšie frekvencie prenikajú cez hrubšie časti s menším štrukturálnym hlukom. Pre kovanú alebo valcovanú titánovú tyč je vlnová dĺžka dostatočne krátka na rozlíšenie milimetrových reflektorov, pričom zostáva dostatočne dlhá na to, aby prešla mikroštruktúrou bez nadmerného útlmu.
Kontrolu riadia dve merania. Čas letu ozveny v kombinácii s rýchlosťou zvuku materiálu udáva hĺbku reflektora zo vzťahu hĺbka=rýchlosť x čas / 2, kde faktor dva zodpovedá za spiatočnú cestu. Amplitúda vráteného signálu súvisí s veľkosťou odrazovej plochy, takže väčšia diskontinuita vracia viac energie. Ekvivalentná veľkosť defektu sa odčíta z krivky amplitúdy verzus vzdialenosť zostavenej pomocou referenčných reflektorov známej geometrie.
Rýchlosť pozdĺžnej vlny v zliatinách titánu je približne 6 100 m/s a rýchlosť šmykovej vlny je približne 3 100 m/s pre triedu Ti-6Al-4V. Tieto hodnoty sa merajú na referenčnom bloku rovnakej kvality, pretože rýchlosť sa mierne mení s obsahom zliatiny, textúrou a tepelným spracovaním a jednopercentná chyba rýchlosti sa stáva jednopercentnou chybou hĺbky.
Vlnové režimy a výber sondy
| Vlnový režim | Typická frekvencia | Cieľ detekcie |
|---|---|---|
| Pozdĺžny, rovný nosník | 2,5 až 10 MHz | Vnútorné dutiny, inklúzie, stredová pórovitosť |
| Strih, uhlový nosník | 2 až 5 MHz, 45 až 70 stupňové kliny | Radiálne trhliny, preliačiny, podpovrchové defekty |
| Povrchová vlna | 2 až 5 MHz | Poruchy povrchu na hotovej tyči |
| Dvojitý prvok, rovný nosník | 2 až 5 MHz | Blízko povrchových zón blízko vstupnej plochy |
Výber sondy sa riadi geometriou produktu. Tyč s malým priemerom využíva zaostrené alebo dvojprvkové sondy, ktoré zmenšujú mŕtvu zónu v blízkosti vstupného povrchu, zatiaľ čo tyč s veľkým priemerom je kontrolovaná radom priamych a uhlových lúčových sond pracujúcich z valcového povrchu a z oboch koncov. Dôležitý je aj výber spojovacieho prvku: používa sa voda, ľahký olej a glycerín a spojka musí dôsledne zvlhčovať povrch, aby sa počas dlhého skenovania nedochádzalo k posunu straty spojky.
Kalibračné a akceptačné kritériá
Kontaktné pulzné echo skenovanie sa riadi ASTM E114, ktorý popisuje pulzné echo ultrazvukové vyšetrenie kontaktnou metódou a pokrýva linearitu prístroja, kalibračné intervaly a pokrytie skenovania. Referenčné bloky sa vyrábajú a overujú podľa ASTM E127, čo je postup na výrobu a kontrolu ultrazvukových referenčných blokov, ktoré definujú reflektory s plochým spodným otvorom používané na nastavenie citlivosti a na zostavenie krivky amplitúdy vzdialenosti.
ASTM E2375, prax pre ultrazvukové skúmanie tvárnených produktov, poskytuje zastrešujúci rámec pre kontrolu tyčí a polotovarov, vrátane požiadaviek na rýchlosť skenovania, pokrytie a dokumentáciu. AMS 2631 stanovuje akceptačné triedy pre ultrazvukovú kontrolu titánovej tyče a bežne ju citujú výrobcovia lietadiel a motorov, pričom každá trieda obmedzuje maximálnu povolenú veľkosť indikácie a počet zamietnutých indikácií v danom objeme. Trieda, záznamová úroveň a akceptačné limity musia byť uvedené v objednávke, pretože tá istá latka môže prejsť jednou triedou a nesplniť užšiu triedu.
Typické priemyselné aplikácie
Konštrukčné spojovacie prvky lietadla a hardvér motora, kde skrytá inklúzia môže spustiť únavovú trhlinu.
Lekárske implantáty a polotovary nástrojov, kde vnútorná pevnosť podporuje únavovú životnosť a čistú povrchovú úpravu.
Šachty chemických a odsoľovacích zariadení a súčasti čerpadiel vystavené chloridom.
Výroba energie a tyč jadrovej kvality vyžadujúca zdokumentované záznamy o objemovej kontrole.
Tyčinka aditívnej výroby používaná na výrobu elektród a drôtu.
Často kladené otázky
Otázka: Ktorý režim ultrazvukových vĺn je najlepší pre vnútorné defekty titánovej tyče?
Pozdĺžne priame vlny lúča sú štandardnou voľbou pre vnútorné dutiny, inklúzie a stredovú pórovitosť, pretože sa pohybujú pozdĺž osi tyče a účinne sa odrážajú od defektov ležiacich kolmo na lúč.
Otázka: Prečo je potrebné aj testovanie šmykovou vlnou?
Šmykové vlny uhlového lúča pretínajú priemer a zachytávajú radiálne a naklonené defekty, ktoré priamy lúč môže prehliadnuť, takže väčšina špecifikácií tyčí kombinuje oba režimy v jednej sekvencii skenovania.
Otázka: Ako sa vyjadruje veľkosť defektu?
Indikácie sa porovnávajú s referenčnými reflektormi a uvádzajú sa ako ekvivalentná veľkosť otvoru s plochým dnom odvodená z amplitúdy a hĺbky ozveny, a nie ako priame meranie fyzickej chyby.
Otázka: Ako často sa overuje kalibrácia?
Kalibrácia prístroja a sondy sa kontroluje na začiatku a na konci každej kontroly a po každej výmene sondy, kábla alebo spojky, pričom výsledky sa zaznamenajú do správy o kontrole.
Otázka: Môže ultrazvukové testovanie nahradiť deštruktívne testovanie?
Nie. Ultrazvuková kontrola je volumetrickým doplnkom chemického, ťahového a metalografického skúšania. Preosieva materiál na vnútorné diskontinuity, ale necertifikuje zloženie alebo mechanické vlastnosti.
Otázka: Čo obmedzuje citlivosť jemnozrnného titánu?
Štruktúra zŕn, povrchová úprava a geometria dielu nastavujú praktický limit. Hrubá alebo pásová mikroštruktúra zvyšuje šum pozadia, takže frekvencia a zisk musia byť vyvážené vzhľadom na požadovaný prah detekcie.
