一种钨合金材料缺陷的分析
一种钨合金材料缺陷的分析
周童 高欢 刘嘉辉 王瑞
摘要：通过超声波检测、渗透检测以及扫描电镜分析，针对钨合金检测过程中发现的一种缺陷进行了分析，最终确定了缺陷产生的原因，完善了钨合金材料的检测方法。
关键词：钨合金，超声波检测，渗透检测，缺陷
钨合金是一类以钨为基（含钨量为85%~99%），并添加有少量Ni、Cu、Fe等元素组成的合金。钨合金广泛用于电子、电光源、航天、铸造、兵器等行业。钨的熔点高、硬而脆，加工困难，通常采用粉末冶金制坯、挤压、锻造、轧制、旋压和拉拔等加工成材。因此，材料的缺陷也具有典型的粉末冶金材料的特征。从目前超声波探伤所能够发现的缺陷来看，大多是宏观缺陷，如由于粉末混料不均，因杂质的混入造成的空隙和夹杂。烧结温度过高造成粘结相流失形成孔洞。还有为改善钨合金的力学性能，由于工艺上采取锻造过程
和热处理过程，可能产生材料的裂纹等缺陷。
笔者在工作中发现了一种钨合金材料缺陷，对这种缺陷进行了充分的检测，对缺陷产生的原因进行了分析，最终完善了钨合金材料的检测方法。
1.超声波检测
笔者检测的是一种棒状钨合金材料，参考GJB1076-91《穿甲弹用钨基高密度合金棒超声波探伤方法》于GJB1580A-2019《变形金属超声检测》，再结合之前我们发现该类产品容易出现的缺陷形貌，最终我们选择的超检测方法是水浸超声波倾斜横波法。
首先，通过实验测定，该类钨合金材料中纵波声速为5300m/s，横波声速为3000m/s。水中纵波声速为1470m/s。
根据第一临界角公式
可得，水/钨合金界面第一临界角约等于16°
根据第二临界角公式
可得，水/钨合金界面第一临界角约等于29°
因此，为使超声波检测时，钨合金内仅存在纯横波，检测时超声波探头的倾斜角度α应在如下范围：
16°＜α＜29°
取中间值，得α=22°，即，超声波检测时，探头在水中应沿轴线方向倾斜22°。
使用的超声波探伤仪是sonatest 700M型超声波探伤仪，探头是OLYMPUS V311型10MHz水浸点聚焦探头，探头焦距2英寸。检测灵敏度为φ1.0平底孔。
经过超声波检测，发现有缺陷回波信号，缺陷波位置在底面一次波处。缺陷波信号尖锐，探头沿轴线移动时，连续出现多次缺陷回波。
2.渗透检测
超声波检测显示缺陷位于零件表面位置，因此决定进行荧光渗透检测来再次试验。采用了DPT-5型水洗型荧光渗透液，灵敏度2级，干粉显像剂。检测工艺为：预处理-渗透（10分钟）-滴落（10分钟）-水洗-干燥-显像（10分钟）-观察。
经过检测，均未发现表面缺陷。考虑钨合金棒表面为磨光态，可能对渗透产生影响，于是将钨合金棒表面经车削加工去除0.1mm，然后再次进行渗透检测，发现如图1所示缺陷。
图1 渗透检测缺陷显示
渗透检测结果与超声波检测结果可以相互印证。
3.电镜形貌及金相分析
将钨合金棒在渗透显示裂纹处打断，另外，选取另一件经超声波检测无超标缺陷的正常产品打断，将两件断口试样用超声波仪+酒精清洗后置于Quanta400型扫描电镜下观察分析，如图2所示。
图2钨合金试样电镜图
断口均以W-W拉脱形貌为主，局部有少量钨颗粒解理断裂形貌，粘结相分布基本均匀，粘结相韧性不足，断面上分布有直径大小在（40~110）μm之间的硅相，局部可见极少量无粘结相孔洞。
将裂纹打断试样与无缺陷打断试样分别磨制金相试样，使用浸蚀剂为：赤血盐、苛性钾。试样制备好后，在金相显微镜200倍放大倍数下观察分析，结果显示粘结相分布较均匀，钨颗粒平均直径为6级。
结合电镜与金相结果可见，裂纹处的组织、形貌、成分均与正常断口无明显区别。
4.进一步试验
为了进一步分析，笔者抽取了10件超声检测到缺陷的钨合金棒进行试验。这10件钨合金棒直接进行渗透检测均未发现表面缺陷。再将表面经车削加工，去除0.1mm后进行渗透检测，均发现了与图4类似的裂纹类缺陷。随后再车削掉0.1mm进行渗透检测，有4件缺陷消失，剩余6件均出现了缺陷变小的情况。对4件缺陷消失的钨合金棒也进行了超声波检测，均未发现超标缺陷。对6件缺陷钨合金棒继续车去0.1mm再进行渗透检测，缺陷均消失不见，超声波检测也均未发现超标缺陷。
5.分析
从电镜及金相分析来看。裂纹处组织形貌与正常产品无明显差别，因此初步判定裂纹产生与原材料关系不大。裂纹深度很浅，均不超过0.3mm，且每件产品出现的裂纹位置、方向均基本相同。结合产品的加工工艺，在探伤前有一道表面磨削工序，初步猜想该产品裂纹是由磨削产生的。此分析还需要后续进一步的实验验证。
6.验证
在与加工部门沟通后，确认了磨削工序中并未规定进刀量。设计进一步试验来验证猜想。取磨削工序之前，相同状态的200件粗加工钨合金棒，其中100件以最大进刀量进行磨削加工，另外100件以最小进刀量进行磨削加工。加工完成后进行超声波检测，经检测，以最大进刀量加工的100件钨合金棒发现超标缺陷17件；以最小进刀量加工的100件钨合金棒发现超标缺陷1件。进一步渗透检测结果与前期试验结果相同。
至此，可以确认该次发现的裂纹类缺陷为磨削过程中产生的。
7.结语
针对钨合金棒超声波检测时发现的一种缺陷，我们首先经过渗透检测定位，渗透检测与超声波检测互相印证，为超声波检测结果提供了可靠的支撑，为以后相关产品的超声波检测提供了判断经验。随后我们又通过进一步电镜与金相分析，初步得出结论：这种缺陷是在磨削过程中产生的。后续继续经过试验验证，最终证明的这种缺陷是在磨削过程中产生的。从而对后续产品加工工艺改进提供了技术支撑。
参考文献
[1] 王 聪，齐建堂.粉末冶金钨合金材料的超声波检测[J].无损检测,1989,11(4):91.
[2] GJB 1076-91 穿甲弹用钨基高密度合金棒超声波探伤方法.
[3] GJB 2367A-2005 渗透检验.
[4] GJB 1580A-2019 变形金属超声检测.
