СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФЕКТНОСТИ ТИТАНОВОГО ПРОКАТА
METHOD OF DETERMINING DEFECT STRUCTURE OF ROLLED TITANIUM

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для диагностики длинномерных цилиндрических изделий малых диаметров из субмикрокристаллического и наноструктурного титана, полученных методом обработки металлов давлением (ОМД), сочетающим сортовую и винтовую прокатки.
В промышленности при неразрушающем контроле протяженных цилиндрических изделий применяют эхо или теневой метод, при котором ультразвуковые колебания вводят через боковую поверхность. Ввод колебаний и прием эхо-сигналов от дефектов осуществляется совмещенными или раздельносовмещенными преобразователями. Прием прошедшего ослабленного сигнала осуществляется раздельными преобразователями. Настройки чувствительности дефектоскопа проводятся по осевому сверлению длиной 20 мм и ⌀ 1 мм для прутков от ⌀ 10 мм и более (ГОСТ 2060-90). Использование искусственного дефекта такой величины не решает проблемы поиска микродефектов, возникающих в длинномерных цилиндрических изделиях малых диаметров из субмикрокристаллического и наноструктурного титана, полученных методом обработки металлов давлением (ОМД), сочетающим сортовую и винтовую прокатки. Для контроля длинномерных цилиндрических изделиях малых диаметров путем применения известного метода преобразователи должны иметь криволинейную рабочую поверхность малого радиуса и малой площади, иметь малую мертвую зону. Вопрос с мертвой зоной частично решается применением раздельносовмещенных преобразователей, хотя одновременно будут увеличиваться размеры рабочей поверхности преобразователя. Распознавание микродефектов на фоне реверберационных шумов и сложного характера распространения УЗ-волн в цилиндре малого диаметра приводит к ошибкам при расшифровке результатов контроля. Еще более усложняется картина распространения колебаний при иммерсионном способе ввода ультразвука в пруток, целиком погружаемый в жидкость. При плоской поверхности преобразователя жидкость работает как плоско-вогнутая линза.
Известен способ ультразвукового контроля цилиндрических изделий (RU 2149393), заключающийся в том, что излучают ультразвуковые колебания в цилиндрическое изделие вдоль его оси, принимают эхосигналы из изделия, осуществляют круговое сканирование по торцевой поверхности изделия. Анализируют принятые эхо-сигналы, регистрируют их в прямоугольных координатах, пропорциональных пути перемещения преобразователя по траектории кругового сканирования и времени распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии. Выполняют совместный анализ временных положений принятых эхо-сигналов на всем пути сканирования при полном обороте кругового сканирования. О дефектности изделия судят по результатам анализа зарегистрированных сигналов. Основная направленность данного изобретения состоит в дифференцировании эхо-сигналов дефектов и элементов конструкции при дефектоскопии длинномерных цилиндрических изделий сложной формы с большой относительно рабочей поверхности преобразователя площадью сечения.
Таким образом, данный способ неприменим для длинномерных цилиндрических изделий в виде прутков малого диаметра простой формы, т.к. для них невозможно проводить сканирование по торцевой поверхности с помощью стандартных пьезопреобразователей. Кроме того, выявление микродефектов на значительном расстоянии от преобразователя невозможно вследствие малости его эхо-сигнала в сравнении с уровнем сигнала от структуры металла и шумами аппаратуры.
Способы дефектоскопии, защищенные патентами РФ N 2146363, 2029300, 2032171, включают возбуждение в изделии импульса ультразвуковой волны, прохождение импульса по периметру сечения, прием сигналов, обусловленных процессами отражения и трансформации, измерение энергии сигналов, принимаемых на заданном временном интервале, оценку наличия и размеров дефектов и состояния акустического контакта. Способ применим к изделиям с большой площадью сечения, в которых возможно достичь полного внутреннего отражения волны, распространяющейся вдоль поверхности по периметру сечения, и не может использоваться в случае контроля прутка малого диаметра.
Наиболее близким техническим решением является способ, защищенный патентом №2245543 (G01N 29/04), по которому длинномерные изделия контролируют путем анализа вынужденных колебаний. Для этого к торцу длинномерного изделия прижимают пьезопреобразователь-излучатель, который возбуждает продольные механические колебания, а к другому торцу длинномерного изделия прижимают пьезопреобразователь-приемник, при помощи которого снимают и регистрируют полученный сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний. Это изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для диагностики изделий по параметрам их механических колебаний.
Недостатком данного способа является использование низкочастотного акустического диапазона колебаний, что снижает чувствительность к дефектам в виде округлых микропор в материале со снятыми путем отжига напряжениями. Результат контроля сильно зависит от геометрии образца и требует строгой повторяемости размеров и проведения трудоемких предварительных исследований по сопоставлению характеристик собственных колебаний дефектных и бездефектных изделий.
Целью изобретения является создание оперативного неразрушающего контроля уровня дефектности субмикрокристаллического и/или наноструктурного титанового проката в виде прутков малого диаметра.
Технический результат - выявление дефектности прутка с диаметром менее 10 мм, обусловленной как появлением микропор, нераскрытых микротрещин, так и увеличением размерности зерна субмикрокристаллического и наноструктурного титанового проката путем использования дефектоскопов и преобразователей общего применения и повышение чувствительности оперативного неразрушающего контроля.
Основанием для разработки рассматриваемого способа является тот факт, что в процессе получения титановых прутков малых диаметров с субмикрокристаллической структурой из исходного бездефектного материала сочетанием сортовой и винтовой прокатки в них не образуется одиночных дефектов, способных повлиять на локальное ухудшение механических свойств материала. При использовании данной технологии возникновение дефектов сплошности зависит от режима проката для всего прутка и нарушение технологических параметров влечет появление равномерно распределенных множественных микродефектов. Возникновение одиночных дефектов значимых размеров в бездефектном прутке (в основном объеме) не происходит.
Качественная субмикрокристаллическая и/или наноструктура титана делает его «прозрачным» для ультразвука, границы контроля образца расширяются. При ухудшении технологии прокатки в первую очередь появляются протяженные области вблизи центра прутка с нарушениями структуры в виде микропор, нераскрытых микротрещин, которые в равной степени влияют как на рассеяние ультразвука в материале, так и на ухудшение механических свойств. В данном случае можно говорить о плотности дефектов в прутке или дефектности прутка. Если выделить несколько образцов одинаковой длины из разных участков прутка, то величина затухания ультразвука для каждого образца будет равной с точностью, не уступающей значению точности присущей для известных методов ультразвукового контроля в целом. При обычной дефектоскопии прутков с нарушениями субмикрокристаллической структуры и/или микропористостью создается картина замены материала на менее проницаемый, но без выраженных локальных дефектов.
Предлагаемый способ контроля дефектности структуры длинномерных цилиндрических изделий малых диаметров из субмикрокристаллического и наноструктурного титана, включающий возбуждение продольных акустических колебаний в прутке путем подачи сигнала с дефектоскопа на пьезопреобразователь, прижатый к торцу прутка, снятие прошедшего через пруток сигнала при помощи приемного пьезопреобразователя, прижатого к другому торцу прутка, содержит следующие новые отличительные признаки:
- тестовыми образцами для настройки чувствительности и проверки работоспособности дефектоскопа используют три отрезка прутка контролируемого диаметра, выполненные из материала того же состава, что и контролируемый пруток;
тест
- длина тестовых образцов с известным коэффициентом затухания К ультразвука на частоте используемого преобразователя для заданной субмикрокристаллической бездефектной внутренней структуры равна соответственно 5, 250 и 500 мм;
- диаметр преобразователей должен находиться в пределах 0,8-1 от диаметра контролируемого прутка;
- на первом этапе определяют условный «ноль» путем измерения ослабления сигнала на тестовом отрезке прутка длиной 5 мм,
- далее измеряют величину ослабления сигнала на тестовых отрезках прутка длиной 250 и 500 мм с учетом условного «нуля»;
тест
1
- определяют коэффициент затухания К  вычисляя отношение ослабления сигнала на тестовых отрезках прутка длиной 250 и 500 мм к длине соответствующего отрезка;
тест
тест
1
- дефектоскоп считают настроенным в случае, если определенный измерением каждого тестового образца К  отличается от известного для каждого тестового образца коэффициента затухания К на величину, не превышающую величину допуска;
контр
- проводят измерение величины ослабления сигнала для контролируемого прутка и определяют коэффициент затухания К путем вычисления отношения ослабления сигнала на полной длине контролируемого прутка к длине прутка;
контр
- если рассчитанное значение коэффициента затухания К для контролируемого прутка отличается от принятого для тестовых образцов более чем на установленную величину допуска, то пруток считают бракованным,
контр
- если рассчитанное значение коэффициента затухания К для контролируемого прутка находится в пределах установленной величины допуска, принятой для тестовых образцов, пруток считают качественным
Пример осуществления способа
Для контроля применяют прямые раздельные и совмещенные датчики; УЗК-дефектоскоп, тестовые образцы; вспомогательные устройства и приспособления для обеспечения постоянных параметров контроля (угла ввода и акустического контакта). Соотношение сигнал-шум при измерениях должно быть не хуже 6 дБ.
1
2
3
Тестовыми образцами TO, ТО и ТО для настройки чувствительности ультразвуковой аппаратуры при проведении контроля служат отрезки прутка длиной соответственно 5, 250 и 500 мм контролируемого диаметра с известным коэффициентом затухания ультразвука на частоте F:
- выполненные из материала того же состава, что и контролируемый пруток;
- имеющие заданную субмикрокристаллическую бездефектную внутреннюю структуру, подтвержденную методами микроскопии;
- со свойствами, подтвержденными механическими испытаниями;
- качество обработки поверхности должно обеспечивать шероховатость не более Ra=0,63, угол между нормалью к торцевой поверхности и осью прутка не должен превышать 0,2°.
Перед проведением контроля прутки должны быть очищены от грязи, пыли, масел и других загрязнений. Обработка торцевых поверхностей должна обеспечивать надежный акустический контакт. Диаметр рабочей поверхности преобразователя должен находиться в пределах 0,8 - 1 от диаметра прутка.
Для контроля прутков с субмикрокристаллической структурой необходимо применять пьезопреобразователи с частотой, на которой определялся коэффициент затухания для тестовых образцов.
1
1
С помощью тестового образца TO определяют затухание, связанное с акустическими контактами преобразователей и торцов прутка, для чего тестовый образец длиной 5 мм устанавливают между преобразователями и настраивают дефектоскоп путем изменения ослабления сигнала, прошедшего через TO, до величины стандартного уровня. Значение ослабления в дБ фиксируется в протоколе как условный «0».
2
2
3
тест
тест
тест
1
1
Далее прозвучивают образец ТО. Амплитуду сигнала, прошедшего через TO длиной 250 мм, также ослабляют до стандартного уровня и в протоколе фиксируют разницу в дБ между текущим положением аттенюатора и условным «0». То же повторяют с образцом ТО длиной 500 мм. Вычисляют значения коэффициентов затухания для тестовых образцов К  как отношение ослабления амплитуды сигнала к длине соответствующего тестового образца. Проводят сравнение полученных коэффициентов затухания ультразвука К  с известным коэффициентом затухания ультразвука К на частоте F и делают вывод о готовности дефектоскопа к работе.
контр
контр
тест
Далее прозвучивают контролируемый пруток. Вычисляют значение коэффициента затухания для контролируемого прутка К, как отношение ослабления амплитуды сигнала к длине соответствующего контролируемого прутка. Проводят сравнение значений полученного коэффициента затухания контролируемого прутка К со значением, принятым для тестовых образцов К и делают вывод о качестве контролируемого материала:
контр
ТЕСТ
если рассчитанное значение коэффициента затухания К для контролируемого прутка отличается от принятого К для тестовых образцов более чем на установленную величину допуска, то пруток считают бракованным,
контр
- если рассчитанное значение коэффициента затухания К для контролируемого прутка находится в пределах установленной величины допуска, принятой для тестовых образцов, пруток считают качественным.
Способ может быть использован для определения параметров затухания ультразвука на полной длине прутка размером до 2000 мм. Предложенный способ чувствителен к равномерно распределенным множественным дефектам в виде микропор и микротрещин, а также к увеличению среднего размера зерна, что позволяет выявлять не только появление дефектности материала, но и ухудшение структурного совершенства, проявляющегося в укрупнении зерна.