Perché le aste in titanio richiedono il rilevamento volumetrico dei difetti
Il titanio e le sue leghe combinano una densità di circa 4,43 g/cm3 con un'elevata resistenza specifica e un'eccellente resistenza alla corrosione, motivo per cui barre, bacchette e fili sono ampiamente utilizzati per elementi di fissaggio di aeromobili, impianti medici, alberi di pompe, tubi di scambiatori di calore e hardware di processi chimici. La barra di titanio viene normalmente ordinata secondo ASTM B348, una specifica che controlla le proprietà chimiche e meccaniche ma non dimostra di per sé che l'interno della barra sia sano. Gli ordini di acquisto aerospaziali, medici e nucleari aggiungono quindi una classe di accettazione degli ultrasuoni oltre alle specifiche del materiale.
La causa sono le discontinuità interne. Le inclusioni alfa dure, le cavità da ritiro, i giri di forgiatura e la porosità della linea centrale possono sopravvivere alla laminazione e alla forgiatura senza produrre alcuna indicazione superficiale visibile, ma agiscono come agenti di sollecitazione nelle parti critiche per la fatica. I test ad ultrasuoni rilevano tali caratteristiche volumetricamente, perché il suono con frequenza megahertz si propaga attraverso il titanio solido con bassa attenuazione e si riflette fortemente ovunque cambi l'impedenza acustica, ad esempio in un vuoto, una fessura o un'inclusione.
Come funziona il metodo ad ultrasuoni
L'ispezione industriale utilizza onde nella gamma dei megahertz, tipicamente da 2,5 MHz a 10 MHz. Frequenze più alte danno lunghezze d'onda più corte, una migliore risoluzione e un raggio più stretto, ma sono maggiormente dispersi dalla struttura dei grani; le frequenze più basse penetrano nelle sezioni più spesse con meno rumore strutturale. Per una barra di titanio forgiata o laminata, la lunghezza d'onda è sufficientemente corta da risolvere riflettori su scala millimetrica pur rimanendo sufficientemente lunga da passare attraverso la microstruttura senza eccessiva attenuazione.
Due misurazioni guidano l'ispezione. Il tempo di volo dell'eco, combinato con la velocità del suono del materiale, dà la profondità del riflettore dal rapporto profondità=velocità x tempo / 2, dove il fattore due tiene conto del viaggio di andata e ritorno. L'ampiezza del segnale restituito è correlata alla dimensione della superficie riflettente, quindi una discontinuità maggiore restituisce più energia. La dimensione equivalente di un difetto viene letta da una curva ampiezza-distanza costruita con riflettori di riferimento di geometria nota.
La velocità delle onde longitudinali nelle leghe di titanio è di circa 6.100 m/s, mentre la velocità delle onde di taglio è di circa 3.100 m/s per il grado Ti-6Al-4V. Questi valori vengono misurati su un blocco di riferimento dello stesso grado, poiché la velocità varia leggermente con il contenuto di lega, la struttura e il trattamento termico, e un errore di velocità dell'1% diventa un errore di profondità dell'1%.
Modalità d'onda e selezione della sonda
| Modalità onda | Frequenza tipica | Obiettivo di rilevamento |
|---|---|---|
| Trave longitudinale e diritta | Da 2,5 a 10 MHz | Vuoti interni, inclusioni, porosità della linea centrale |
| Taglio, trave angolare | Da 2 a 5 MHz, cunei da 45 a 70 gradi | Fessure radiali, sovrapposizioni, difetti del sottosuolo |
| Onda superficiale | Da 2 a 5 MHz | Difetti di rottura superficiale sulla barra finita |
| Doppio elemento, trave dritta | Da 2 a 5 MHz | Vicino alle zone di superficie vicine alla faccia di ingresso |
La scelta della sonda segue la geometria del prodotto. Le barre di piccolo diametro beneficiano di sonde focalizzate o a doppio elemento che riducono la zona morta vicino alla superficie di ingresso, mentre le barre di grande diametro vengono ispezionate con una gamma di sonde a fascio diritte e angolari che lavorano dalla superficie cilindrica e da entrambe le estremità. Anche la scelta dell'accoppiante è importante: vengono utilizzati acqua, olio leggero e glicerina e l'accoppiante deve bagnare la superficie in modo coerente in modo che la perdita di accoppiamento non si sposti durante una lunga scansione.
Criteri di calibrazione e accettazione
La scansione con eco a impulsi di contatto segue la norma ASTM E114, che descrive l'esame ultrasonico con eco a impulsi mediante il metodo a contatto e copre la linearità dello strumento, gli intervalli di calibrazione e la copertura della scansione. I blocchi di riferimento sono fabbricati e verificati secondo ASTM E127, la pratica per la fabbricazione e il controllo dei blocchi di riferimento a ultrasuoni che definisce i riflettori del foro a fondo piatto utilizzati per impostare la sensibilità e costruire la curva di ampiezza della distanza.
ASTM E2375, la pratica per l'esame a ultrasuoni dei prodotti lavorati, fornisce la struttura generale per l'ispezione di barre e billette, compresi i requisiti di velocità di scansione, copertura e documentazione. AMS 2631 stabilisce le classi di accettazione per l'ispezione a ultrasuoni della barra di titanio ed è comunemente citato dai produttori di aeromobili e motori, con ciascuna classe che limita la dimensione massima consentita dell'indicazione e il numero di indicazioni rifiutabili in un dato volume. La classe, il livello di registrazione ed i limiti di accettazione devono essere tutti indicati nell'ordine di acquisto, perché la stessa barra può superare una classe e fallire una più severa.
Applicazioni industriali tipiche
Elementi di fissaggio strutturali di aeromobili e hardware del motore, dove un'inclusione nascosta può avviare una rottura da fatica.
Impianti medici e grezzi di strumenti, in cui la solidità interna supporta la resistenza alla fatica e una finitura superficiale pulita.
Alberi di impianti chimici e di desalinizzazione e componenti di pompe esposti a cloruri.
Barra di produzione di energia e grado nucleare che richiede registrazioni di ispezione volumetrica documentate.
Barra di materia prima per la produzione additiva utilizzata per produrre elettrodi e fili.
Domande frequenti
D: Quale modalità di onde ultrasoniche è la migliore per i difetti interni nella barra di titanio?
Le onde del fascio rettilineo longitudinale sono la scelta standard per vuoti interni, inclusioni e porosità della linea centrale, perché viaggiano lungo l'asse della barra e riflettono in modo efficiente i difetti che giacciono perpendicolarmente al fascio.
D: Perché è necessario anche il test delle onde di taglio?
Le onde di taglio del raggio angolare attraversano il diametro e intercettano i difetti radiali e inclinati che un raggio diritto può non rilevare, pertanto la maggior parte delle specifiche delle barre combina entrambe le modalità in un'unica sequenza di scansione.
D: Come viene espressa la dimensione di un difetto?
Le indicazioni vengono confrontate con i riflettori di riferimento e riportate come dimensione equivalente del foro a fondo piatto derivata dall'ampiezza e dalla profondità dell'eco, piuttosto che come misurazione diretta del difetto fisico.
D: Con quale frequenza viene verificata la calibrazione?
La calibrazione degli strumenti e delle sonde viene controllata all'inizio e alla fine di ogni sessione di ispezione e dopo ogni sostituzione di sonda, cavo o accoppiatore, con i risultati registrati nel rapporto di ispezione.
D: I test a ultrasuoni possono sostituire i test distruttivi?
No. L'ispezione ad ultrasuoni è un complemento volumetrico alle prove chimiche, di trazione e metallografiche. Seleziona il materiale per individuare eventuali discontinuità interne ma non ne certifica la composizione o le proprietà meccaniche.
D: Cosa limita la sensibilità nel titanio a grana fine?
La struttura della grana, la finitura superficiale e la geometria del pezzo rappresentano il limite pratico. Una microstruttura grossolana o a bande aumenta il rumore di fondo, quindi frequenza e guadagno devono essere bilanciati rispetto alla soglia di rilevamento richiesta.
