微小缺陷的液體滲透檢測

黃 磊，莫瑕琳，朱莉君，楊社民

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077；2.西安西航集團萊特航空制造技術有限公司，西安 710016；3.中國石油集團東南亞管道有限公司，北京 100028；4.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101）

滲透檢測廣泛應用于宇航、造船、原子能、石油天然氣等工業領域。新材料的不斷出現使液體滲透檢測技術的應用更加廣泛。隨著國際冶金技術的不斷優化和提高，外貿宇航零部件的滲透檢測標準要求也越來越高。許多宇航關鍵件的驗收標準要求不允許有任何缺陷顯示。常規的液體滲透檢測工藝能否滿足日益提高的宇航產品驗收標準的要求，成為大家關注的目標。筆者從滲透檢測方法原理、滲透液的物理性能、干粉顯像劑的顯像特性、微小缺陷的檢出能力和現場檢測工藝實施可行性等方面進行論證，探討微小缺陷的液體滲透檢測的可行性。

1 液體滲透檢測原理

1.1 潤濕現象

液體要滲到微小缺陷中的先決條件是它能潤濕零件表面。當液體與固體相接觸時，形成一層與固體接觸的液體附著層。若附著層內分子分布比液體內部更密，分子間距小，附著層內就出現相互推斥的力，這時液體跟固體的接觸面積就有擴大的趨勢，形成潤濕現象［1］。

1.2 缺陷內毛細現象

滲透過程中，滲透液對受檢表面開口缺陷進行的滲透作用；顯像過程中，滲透液從缺陷中回滲到顯像劑中形成缺陷顯示痕跡等，都是液體的毛細作用。

滲透液對表面點狀缺陷（如氣孔、沙眼等）的滲透類似于滲透液在毛細管內的毛細作用。滲透液對表面條狀缺陷（如裂紋、夾渣和分層等）的滲透類似于滲透液在間距很小的兩平行板間的毛細作用。

對于工件中的微小缺陷（假定為非貫穿性的微小裂紋），可認為是兩平行板間的毛細現象，故形成柱形液面。當滲透液施加于表面開口裂紋的零件表面時，具有足夠潤濕能力的滲透劑將潤濕裂紋內表面，裂紋內將形成像液體內凹陷的彎曲液面，并在彎曲凹面上產生指向液體外部（裂紋）的附加壓強。滲透液不斷往下滲，裂紋寬度越小，附加壓強越大，缺陷中的氣體產生的反壓強將會越來越大（如圖1所示），使液面的滲入深度受到限制。當裂紋寬度很小時，重力可以忽略不計，則缺陷內受壓的氣體產生的反壓強Pg等于大氣壓強P0與柱形液面所引起的附加壓強P之和。即：

圖1 滲透液在裂紋模型中的滲透

根據波義耳－馬略特定律，即當溫度一定時，一定質量的氣體體積與其壓力之積為常數，可得：

又因

把式（2）和式（3）代入式（1），整理后可得出滲透液滲入缺陷的深度h為［1］：

式中：h為滲透液在缺陷中的滲入深度，m；b為缺陷深度，m；d為缺陷寬度，m；α為液體表面張力系數，N／m；θ為接觸角，（°）。

由上式可知：對于非貫穿性缺陷，滲透液滲入缺陷的深度h與缺陷自身的深度b成正比，與大氣壓強P0和缺陷寬度d成反比，與αcosθ成正比［2］。

那么要提高檢測靈敏度，增加滲透液滲入缺陷的高度，可通過以下兩種方法：

（1）真空滲透檢測：通過減小大氣壓P0來增加滲透液滲入缺陷的高度h。該方法實施的可行性不強，絕大多數工廠不具備該能力。

（2）振動：式（4）中的平衡是不穩定的，一旦外界稍有擾動，缺陷內的氣體就會外逸。振動可使缺陷內的氣體不斷外逸，從而使Pg下降，h增高，達到提高檢測靈敏度的目的。所以可以提高檢測的可靠性，適當的振動在檢測微小缺陷時有可行性。

2 滲透液的物理性能

2.1 臨界厚度

滲透液的臨界厚度通常采用黑點試驗法測量。黑點試驗是測定熒光滲透液發光強度的試驗，也是評價熒光滲透液靈敏度的一種方法。選擇超高靈敏度的滲透液，對微小缺陷滲透檢測有利。

2.2 熒光強度

熒光強度實際上是缺陷內被吸附出來的一定數量的滲透液在顯像后顯示色澤的能力。熒光強度不但與熒光染料的種類及染料在滲透液中的溶解度有關，還與入射的紫外線強度有關。不同物質的熒光強度不同，同一熒光物質的熒光強度與溶液濃度密切相關。在較稀的溶液中熒光強度隨溶液的濃度增加；對于較濃的溶液，熒光強度不僅不隨濃度增大而增大，且常常隨濃度增大而下降，這是因為熒光有自熄滅和內濾作用。自熄滅是指熒光物質的溶液濃度超過某值時會出現產生的熒光不甚強烈的現象。內濾是指溶液中如有雜質存在，雜質對入射光和溶液熒光產生吸收，從而導致溶液的熒光強度降低。溫度對熒光強度也有明顯影響，一般熒光物質的熒光強度隨著溶液溫度的降低而增大。

通過以上分析，為得到良好的滲透液熒光強度，確保微小缺陷的檢出，除了購買品質良好的滲透液外，最終的烘干溫度也不宜過高［2］。

3 干粉顯像劑的顯像特性

3.1 干粉顯像劑的顯像功能

顯像是利用顯像劑吸附從缺陷中回滲到受檢表面的滲透液而形成的缺陷顯示。顯像劑中的白色粉末構成毛細管，產生毛細作用。

顯像劑通常有3個基本功能：① 吸附足量的從缺陷中回滲到零件表面的滲透液。② 通過毛細作用將滲透液在零件表面橫向擴展，將缺陷顯示放大到足以用肉眼觀察到。③ 提供與缺陷顯示有較大反差的背景，從而達到提高檢測靈敏度的目的。

3.2 缺陷的顯示尺寸

缺陷容積越大，容納的滲透液就越多，留在缺陷中的可供回滲的滲透液就越多，缺陷顯示就越明顯。顯像劑顯示的缺陷圖像比缺陷的實際尺寸要大。

4 微小缺陷的檢出能力

微小缺陷的檢出能力是相對于背景及外部光源等條件，缺陷內的滲透液能形成可用肉眼直接觀察裂紋缺陷顯示的能力。

滲透液中染料種類及濃度將影響微小缺陷檢出能力，滲透液被化學藥品污染，熒光液長時間受紫外燈照射，將降低微小缺陷的檢出能力。先浸后滴落的施加滲透液方法，可使滲透液中的大量揮發物質揮發掉，而留下更多粘度較大的組分，染料的濃度相對于原滲透液中的濃度更高。適當增加滴落時間，可提高微小缺陷的檢出能力。

5 檢測工藝方法

通過以上分析，在現場檢測批量宇航關鍵產品時，選擇后乳化熒光滲透檢測和干粉顯像粉顯像，靈敏度等級為超高靈敏度；試件為條紋對比試塊；試塊型號為TP－10；其中預制裂紋寬度為0.5μm，深度為9.9μm；滲透劑為RC－77（SHERWIN）；乳化劑為 ER－83A （SHERWIN）；顯像劑為D－90G（SHERWIN）。

5.1 工藝流程

滲透檢測工藝流程為：清洗→烘干→滲透→預水洗→乳化→終水洗→干燥→顯像→檢測并照相→后清洗。

5.2 常規工藝參數

（1）清洗 選擇條紋試塊，放入裝有丙酮的超聲波清洗槽中，清洗時間為15min。

（2）烘干 溫度62℃，時間10min，在黑光燈下檢查應干凈、無污染。

（3）滲透 將條紋試塊，放入RC－77滲透劑中滲透，滲透15min；滴落15min。

（4）預水 洗時間90s，水壓≤0.2MPa。

（5）乳化 乳化浸漬40s，乳化滴落50s。

（6）終水洗 時間60s，水壓≤0.2MPa。

（7）手工補洗 時間小于2min。

（8）烘干 設定溫度62℃，用壓縮空氣吹去表面多余水分，距離大于30cm。

（9）顯像 時間15min，顯像完用壓縮空氣吹去多余顯像粉。

（10）檢測并照相 暗室適應1min。

（11）后清洗同步驟（1）。

以上參數下的試驗照片如圖2所示。從圖2試驗結果可知：條紋缺陷無熒光顯示，以上檢測工藝和方法無法滿足對微小缺陷的檢測。

圖2 常規檢測參數的試驗照片（顯像時間15min）

5.3 改變工藝參數

改變檢測工藝為增加滲透和顯像時間；滲透時適當的增加輕微振動。滲透時間15min，滴落30min。顯像時間分別為30min，1.5h，2h。試驗結果如圖3所示。

適當的振動、增加滲透滴落時間和延長的顯像時間，使對微小缺陷的檢測成為了可行。圖3（a）所示，顯示較清晰、分辨率好，但有些條紋缺陷無顯示；如圖3（b）所示，照片分辨率不如圖3（a）但條紋顯示多于；如圖3（c）照片所示，分辨率和熒光亮度均不如圖3（a）和（b），但條紋缺陷在黑光燈下全部顯示出來。

圖3 改變工藝參數后不同顯像時間的顯示照片

圖4 人工缺陷面朝下時不同顯像時間的顯示照片

考慮到該試片結構簡單，通常規定的終水洗時間會引起過水洗，在后一輪試驗中，使有缺陷的面朝下，以減小對缺陷面的過度沖洗，試驗結果如圖4所示。

圖4試驗滲透時間15min，滴落時間30min，顯像時間在30min～1h范圍內。在半自動水洗槽終水洗時，把有人工缺陷的面朝下。這次試驗結果好的主要原因是對微小人工缺陷未產生過水洗現象。

圖2和3缺陷顯示效果不好的主要原因是過水洗。在采用了適當的振動、增加滲透滴落時間和延長顯像時間后，缺陷可清晰顯示出來。

實際探傷時，宇航零件的結構復雜多樣，表面光潔度好，在檢測過程中，局部有可能會出現過水洗的情況，因此如果按照常規規定的，10min的顯像時間遠遠不夠。

大多數宇航供應商滲透檢驗方法標準中規定，顯像時間為10min～3h。現場實際探傷時，顯像時間大于10min就行，對于一般類型的缺陷，該顯像時間的熒光強度可達到最佳狀態。

6 結語

關鍵宇航件的驗收標準要求不允許有缺陷顯示，針對要求嚴格、結構復雜、表面光潔度好的宇航件，要檢測微小缺陷，終水洗是值得關注和控制的一個要點。在選擇后乳化超高靈敏度檢測方法，只要調整工藝參數，常規檢測方法可滿足其檢測要求。

適當增加滲透滴落時間和延長顯像時間，必要時增加振動、防止過水洗，可實現對微小缺陷的液體滲透檢測，保證了關鍵宇航件液體滲透檢測的質量要求。

［1］ 國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材編審委員會.滲透檢測［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［2］ 李平利，黃磊.影響液體滲透檢測靈敏度的因素［J］.無損探傷，2004（6）：40－42.