航空發動機零件滲透檢測的局限性

王 玲

（沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

很多航空發動機零件都是采用高溫合金、鈦合金制造的。滲透檢測具有不受材料組織結構和化學成分的限制、靈敏度高等優點，因此被廣泛用于航空發動機大部分零部件試驗分解后的無損檢測。

通常，滲透檢測對表面開口的缺陷檢測具有很高的靈敏度［1－3］。但是，在檢測某薄壁齒時卻發現，目視存有明顯缺陷，而熒光滲透檢測卻未能檢出的現象，故對該種零件的滲透檢測局限性進行了探研。

1 零件滲透檢測情況

發動機分解后，現場發現薄壁齒部位出現多處裂紋缺陷，典型的宏觀裂紋圖片如圖1中箭頭所示。

圖1 篦齒部位裂紋宏觀圖片

現場目視檢查，初步判斷缺陷的性質為裂紋。為了進一步確定缺陷的性質，對該零件進行了熒光滲透檢測。該零件屬于關鍵件，缺陷部位表面狀態為機加工表面，按照相關標準要求，選擇親水型后乳化型熒光滲透檢測方法；滲透檢測的工藝過程及消耗器材均符合標準規定，滲透液靈敏度為4級［4］。

按照上述流程對該零件進行檢測后，未發現有裂紋缺陷的影像顯示，這與預期的檢查結果相佐。為了查明原因，對該零件進行了試驗驗證與分析。

2 檢測試驗與分析

2.1 渦流檢測

渦流檢測能夠發現導電材料的表面和近表面缺陷，且具有操作簡便、不需要耦合劑和易于實現高速、自動化檢測等特點［5］。渦流檢測與滲透檢測的區別之一就是渦流檢測能夠對表面不開口的裂紋進行檢查。

經初步分析，該薄壁齒部位的缺陷顯示可能是由于受力產生的頸縮痕跡，并沒有形成開口性缺陷；因此，采用了渦流檢測方法對裂紋部位進行檢測。針對零件的材質及表面狀態，按照相關標準選擇了最佳工藝參數，檢測的結果卻表明該部位具有明顯的裂紋響應信號，屬于真實的裂紋缺陷。

2.2 斷口分析

對零件其中的一處裂紋進行了斷口檢查，圖2為裂紋斷口宏觀圖像，放射棱線及疲勞弧線明顯可見，表明裂紋性質為疲勞開裂。

圖2 裂紋斷口宏觀圖像

從放射棱線判明，裂紋起源于篦齒齒尖端面（圖中箭頭所指處），沿徑向向內擴展。斷面起伏較小，呈兩種顏色區域，起源區篦齒齒尖處為黑灰色，裂紋擴展區呈亮灰色。在掃描電鏡中觀察斷口，圖3（a）為斷口源區形貌，可見明顯的放射棱線特征，并匯集于篦齒尖端面。在擴展區能觀察到清晰的疲勞弧線。進一步放大觀察，局部可見一些疲勞條帶特征，見圖3（b），表明裂紋性質為疲勞開裂，源區位于篦齒齒尖端面。

3 滲透檢測局限性的探討

上述工作雖然判定該零件缺陷的性質為裂紋缺陷，但是熒光檢測失效的原因還未明確。為分析此原因，從兩方面入手。

一方面對熒光滲透的工藝過程進行分析。在預處理工序中，采用了侵蝕工藝處理，零件表面清潔，無油脂、氧化物等干擾滲透檢測的異物；滲透工序中采用了親水性后乳化滲透液，靈敏度為4級，對細微的裂紋缺陷識別能力較強；由分析可知裂紋是受應力產生的，按照美國軍用指令33B－1－1推薦的標準，滲透時間選擇24h，滿足了滲透時間的需求；對于后乳化型滲透檢測，乳化效果對檢測靈敏度有較大影響，乳化不足，沖洗不干凈，使得背景過重；乳化過度，可能造成過清洗，從而降低靈敏度，親水性乳化劑的作用過程見圖4（見Asm Handbook金屬手冊17卷）。

圖4 親水性乳化劑的作用過程

對于該薄壁齒的乳化過程及乳化時間經過了多次試驗驗證，基本保證了清洗后零件的背景要求。綜上對滲透檢測主要工序的分析，未發現影響該零件滲透檢測失效的因素。

另一方面，為驗證零件裂紋部位是否開口，對故障件上的裂紋部位進行了取樣分析，在掃描電鏡下觀察裂紋的開口情況，如圖5所示。

圖5 篦齒裂紋微觀形貌

由圖5知，該薄壁齒裂紋的寬度不大于0.4μm，對于這種微米級寬度的裂紋，常規的熒光滲透檢測方法較難檢出。零部件在使用過程中往往會產生腐蝕裂紋、應力裂紋等缺陷，這些裂紋在形成的初期開口較小，不利于滲透檢測的有效檢出。

經過以上分析，可知薄壁齒裂紋起源于齒尖端面，是由于零件在運行過程受應力作用而產生的。由于篦齒部位較薄，在這種復雜的應力條件下會產生局部頸縮；從而，以齒尖部位為裂紋源向根部擴展。目視所看到的裂紋（圖1）即是由于這種頸縮而產生的痕跡。由于裂紋開口過于狹窄，導致了該零件滲透檢測結果的失效。

國外曾使用一種叫做閃爍茲格洛熒光滲透方法對發動機渦輪葉片進行檢測，取得了較好的效果。這種方法屬于加載滲透的一種，即在對零件加載的同時進行滲透處理和觀察；如果缺陷存在，會出現像眨眼一樣的閃爍情況，便于觀察裂紋缺陷的顯示。

4 結論

（1）薄壁齒裂紋滲透檢測失效的原因是裂紋受應力作用而產生，開口寬度過于狹窄，導致滲透液無法有效地深入到零件的裂紋中去，難以形成顯示痕跡。

（2）對于使用中受應力而產生裂紋的航空發動機零部件，采用熒光滲透檢測時，在條件允許下可考慮采用加載滲透方式。

（3）渦流檢測受裂紋缺陷開口寬度的影響較小，可作為該類零件的輔助檢測手段。

［1］劉琪峰.軍工產品無損檢測診斷標準與新技術應用及規范操作全書［M］.北京：中國知識出版社，2006.

［2］孫金立.無損檢測及在航空維修中的應用［M］.北京：國防工業出版社，2004.

［3］劉貴民，馬麗麗.無損檢測技術［M］.北京：國防工業出版社，2010.

［4］金宇飛.滲透檢測材料的分類和靈敏度等級的驗證比較［J］.無損檢測，2007，29（3）：46－49.

［5］李國華，吳淼.現代無損檢測與評價［M］.北京：化學工業出版社，2008.