Контраст рентгеновского изображения и химическая неоднородность сплава

При  интерпретации результатов радиационного контроля изделий в  машиностроении (деталей, узлов) специалисты традиционно и  по  большей части неосознанно исходят из  двух предпосылок:

— практического равенства коэффициентов ослабления ч у  сплава и  у  металла-основы (это, впрочем, косвенно принимается в  ряде монографий, когда режим просвечивания металла основы распространяется на  широкую гамму сплавов на  этой основе, например, режим для  титана  — на  все титановые сплавы);

— представления о  металле как об  однородном материале с  известными параметрами ослабления рентгеновского излучения.

Между тем, оба эти предположения в  общем не  соответствуют реальности: во-первых, некоторые компоненты сплава могут даже в  небольшом количестве очень сильно изменять ослабление; во-вторых, в  литых деталях, сварных и  паяных соединениях материалы и  их комбинации могут иметь неоднородность, связанную прежде всего с  ликвацией, которая приводит к  неоднородному почернению рентгеновского снимка, имитируя, таким образом, дефект материала. Оба эти эффекта обусловлены присутствием компонентов сплава, а  последний  — еще и  неоднородным распределением по  объему компонентов, атомные номера N которых сильно отличаются от  основы. Как известно, коэффициент ослабления рентгеновского излучения пропорционален приблизительно кубу атомного номера. В  никелевых жаропрочных сплавах таким наиболее сильнодействующим компонентом чаще всего является вольфрам, в  титановых  — молибден и  цирконий. Атомные номера этих добавок значительно  — в 2 раза и  более!   — превышают атомные номера соответственно никеля и  титана. Поэтому даже небольшое скопление атомов этих добавок может сильно сказаться на  оценке качества. То  же касается добавок, атомный номер которых значительно меньше номера основы  — их неоднородное распределение также должно вызвать неоднородное почернение снимка, но  эффект имеет противоположный знак.

Поводом для  настоящего исследования послужил контроль сварного соединения двух стенок из  сплава ВТ-18 у. Сварка выполняется электроннолучевым способом. Состав сплава и  коэффициенты ослабления излучения отдельными компонентами приведены в  табл. 1.

Табл. 1. Ослабление рентгеновского излучения компонентами сплава ВТ-18 у

Видно, что коэффициент ослабления излучения титаном и  цирконием при 80 кВ различаются более, чем вчетверо (ослабление в  Мо еще больше, чем в  Zr, но  концентрация Мо в  сплаве слишком мала, чтобы существенно повлиять на  общее ослабление). Неоднородное распределение алюминия сказывается на  почернении не  столь заметно.

При  сварке двух частей из  плавок, различающихся составом в  пределах допуска по  ТУ, возможно возникновение контраста из-за различия в  ослаблении. Тем более этот эффект существен, если иметь в  виду ликвацию, вследствие которой возможный перепад концентраций может оказаться (в  зависимости от  технологии литья или  сварки) гораздо больше, чем допустимая разность по  стандарту. Расчеты ослабления излучения представлены в  табл. 2.

Табл. 2. Ослабление I0/I рентгеновского излучения в  титановых сплавах при  U=80  кВ

Для  сплава ВТ-18 у  в  пределах допуска на  содержание Zr изменение потока излучения, прошедшего через  стенку, составит при  U =80 кВ около 10%, а  разница в  оптической плотности  — до 30% (для  пленки типа D5). Колебания состава, связанные с  ликвацией в  пределах 2–7% Zr, приводят к  изменению потока на? 15%, а  плотности почернения  — на? 40%, что легко обнаруживается визуально на  снимке.

Описанный контраст действительно нередко наблюдается, когда две сваренные части одной толщины из  номинально одного сплава дают разное почернение. На  схемах в  левой части содержание Zr меньше, а  оптическая плотность (почернение) больше, чем в  правой.

Эти схемы предполагают непрерывное и  монотонное изменение состава от  одной части к  другой. В  частном случае при  быстром охлаждении (закалке) из  жидкого состояния возможно ступенчатое распределение почернения. Практически разница величин d обычно мала, а  сварной шов при  электронно-лучевой сварке тонок, поэтому наблюдается лишь одна ступенька, либо  она не  наблюдается вовсе.

Если процесс кристаллизации сварного шва сравнительно медленный, возможна ликвация компонентов, т.   е. неоднородное их распределение в  объеме кристаллизующегося металла. Оно характеризуется коэффициентом распределения k = CS/CI, где CS и  CI  — равновесные концентрации данного компонента в  жидком и  в  твердом состоянии при  данной температуре (в  процессе кристаллизации). Кристаллизация начинается обычно от  стенок изложницы или  формы, а  при  сварке  — от  сравнительно холодных твердых кромок состыкованных деталей. Далее процесс распространяется на  весь предварительно расплавленный объем до  сопряжения с  таким  же фронтом кристаллизации, идущим от  противоположной стенки. Это обычно сопровождается зональной ликвацией, при  которой размер зон, обогащенных и  обедненных отдельными компонентами, сопоставим с  размерами расплавленного объема (при  сварке  — с  размерами шва).

Как правило, если компонент снижает температуру плавления основы, то k < 1. При  этом в  первую очередь, т.   е. у  кромок, кристаллизуются объемы (слои) материала, обедненные данным компонентом, тогда как центральная зона шва обогащена этим компонентом. В  таком случае говорят о прямой ликвации. Обратная ликвация (k > 1) соответствует противоположному распределению состава: у  кромок концентрируются атомы добавки, а  центр ими обеднен. Характер ликвации тесно связан с  типом диаграммы состояния « основа-добавка& raquo; . В  частности, судя по  диаграмме состояния Ti-Zr, можно ожидать прямую ликвацию циркония при  его содержании в  сплаве менее 15% и  обратную  — при  содержании более 20%. В  жаропрочных вольфрамсодержащих сплавах никеля можно ожидать обратную ликвацию вольфрама.

Характер распределения оптической плотности при  этом показан схематично. Здесь имеется в  виду ликвация более <тяжелого> компонента, повышающего ослабление рентгеновского излучения или  уменьшающего  d.

Диаграмма состояния системы Ti-Zr дает основание предполагать прямую ликвацию. Действительно, наблюдаемое распределение плотности почернения по  снимку соответствует варианту а  и  известной диаграмме состояния.

Если кромка одной свариваемой детали значительно холоднее кромки другой, кристаллизация может происходить преимущественно в  одном направлении  — от  первой ко  второй. При  этом возможно распределение состава и  оптической плотности.

Критерием отличия ликвации от  непровара является наличие в  случае ликвации двух или  трех параллельных зон: более темных и  менее темных, чем основная площадь снимка.

Радиографический контроль сварных швов на  барабанах из  сплава ВТ-18 у  выявил тонкие темные полосы вдоль сварного шва. Как правило, в  исследованных барабанах имеют место две параллельные темные полосы и  просвет между ними, реже  — одна темная полоса и  прилегающая к  ней светлая полоса. Имеет место также слабый контраст изображения состыкованных частей барабана.

Общий контраст двух частей барабана вызван разницей содержания в  них тугоплавких элементов, в  первую очередь Zr, в  пределах допуска на  химический состав сплава.

Изложенные представления были проверены экспериментально. Образцы, вырезанные из  сварного шва двух частей из  сплава ВТ-18 у, изучались на  микрорентгеновском анализаторе САМЕСА. Режим съемки: ускоряющее напряжение 30 кВ, скорость сканирования 3 мкм/с. Регистрировалось распределение концентрации Мо и  Zr. По  данным микрорентгеноспектрального анализа, выполненного на  образцах, распределение Zr в  сварном шве неоднородно: выявлено два участка резкого (двух-, трехкратного) снижения концентрации Zr и  несколько участков повышения концентрации Zr на 0,5%. Ширина этих участков ~ 0,1–1  мм.

Обнаруженные эффекты не  означают нарушения технологии и  не  являются признаком брака. Выборочный металлографический контроль (разрушающий) подтвердил отсутствие дефектов (несплошностей) в  исследованных швах. Для  неразрушающего контроля сварных соединений труб используют рентгенографический кроулер.

Выводы

1. При  рентгеновской дефектоскопии неоднородное распределение компонентов в  сплаве может имитировать признаки брака, в  частности, трещины и  непровары.
2. Конкретный учет распределения оптической плотности в  направлении, перпендикулярном сварному шву, позволяет отличить химическую неоднородность от  непровара.

Дата публикации: 15.05.2013

Читайте также:

1. Штукатурим стены дома своими руками
2. Рабочий ресурс светодиода и проблемы с ним связанные
3. Технология производства светодиодов и её внедрение
4. Государство беспокоится об экономии света
5. Выбираем источник бесперебойного питания