IC10單晶高溫合金葉片熒光滲透檢測的缺陷顯示

王樹志,劉廣華,王本志,王 東,馬 瀟

(1.中航工業北京航空材料研究院 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室材料檢測與評價航空科技重點實驗室,北京100095;2.北京百慕航材高科股份有限公司,北京100094)

IC10單晶高溫合金葉片熒光滲透檢測的缺陷顯示

王樹志1,劉廣華1,王本志2,王 東1,馬 瀟1

(1.中航工業北京航空材料研究院 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室材料檢測與評價航空科技重點實驗室,北京100095;2.北京百慕航材高科股份有限公司,北京100094)

對IC10單晶高溫合金導向葉片熒光滲透檢測的缺陷熒光顯示進行了分析,確定了缺陷性質主要為顯微疏松缺陷;通過對比試驗獲取了航空發動機渦輪葉片常用的滲透檢測靈敏度等級和方法的特點和區別。試驗結果表明:采用后乳化熒光滲透檢測法對IC10單晶高溫合金導向葉片缺陷的檢出更為合適。

滲透檢測;單晶;高溫合金;缺陷;熒光顯示

由于單晶高溫合金消除了所有晶界,去除了容易產生的裂紋源,故具有壽命長、蠕變速率低和抗熱疲勞性能良好的優點[1－3]。

在單晶高溫合金鑄件凝固過程中,影響其組織和性能的因素有很多,如合金成分的復雜性、工藝條件及參數的不合理等均可造成夾雜、疏松、氣孔和裂紋等缺陷的產生[4－5]。這些缺陷的存在會造成零件的提前失效,因此需要對單晶高溫合金零件進行無損檢測以保證零件的質量。

熒光滲透檢測是保證單晶高溫合金鑄件表面質量最為重要的無損檢測手段,其可檢出零件表面裂紋、夾雜、疏松等缺陷,且檢測靈敏度較高,被廣泛應用于航空發動機葉片零件表面的質量控制中[6－10]。

筆者對IC10單晶高溫合金葉片在熒光滲透檢測過程中出現的缺陷熒光顯示進行分析,確定了缺陷性質。通過滲透檢測對比試驗,獲取了航空發動機渦輪葉片常用的滲透檢測靈敏度等級和方法的特點與區別。結果表明:IC10單晶高溫合金葉片缺陷的熒光顯示主要為顯微疏松缺陷,采用后乳化方法對缺陷的檢出更為合適。研究結果為單晶高溫合金葉片等關鍵件的質量控制和發動機的安全運行提供了數據支持和質量保障。

1 試驗材料與方法

試驗材料選用IC10單晶高溫合金,該材料是為滿足我國先進的高推重比航空發動機要求而研制出的新型定向凝固高溫合金材料,使用溫度達到1 100℃,具有良好的抗氧化、耐腐蝕性能,優異的鑄造性能。另外該材料可以進行大緣板等復雜結構空心導向葉片的整體定向凝固成形,IC10單晶高溫合金的主要化學成分(質量分數)為C 0.07%～0.12%,Cr 6.5%～7.5%,Co 11.5%～12.5%, W 4.8%～5.2%,Mo 1.0%～2.0%,Al 5.6%～6.2%,Ta 6.5%～7.5%,Hf 1.3%～1.7%,B 0.01%～0.02%,Ni為余量。

按照工藝流程中規定的三級自乳化方法對IC10單晶高溫合金葉片進行熒光滲透檢測,并記錄缺陷顯示,再對缺陷位置進行取樣,使用金相顯微鏡進行微觀觀察進而確定缺陷性質。然后采用三級靈敏度后乳化方法檢測,比對自乳化和后乳化兩種方法對IC10單晶高溫合金葉片上缺陷熒光顯示的影響。

2 試驗結果與分析

使用三級靈敏度自乳化滲透液對3件IC10單晶高溫合金葉片進行熒光滲透檢測,結果如圖1所示。可見每個葉片局部表面出現點狀或片狀熒光顯示。

而使用三級靈敏度后乳化滲透液對3件IC10單晶高溫合金葉片進行檢測,結果如圖2所示。可見圖2中的熒光顯示較圖1中的熒光顯示更為清晰,另外在其他區域出現了輕微的點狀熒光顯示。

圖1 采用自乳化后IC10單晶高溫合金葉片熒光滲透檢測結果

圖2 采用后乳化后IC10單晶高溫合金葉片熒光滲透檢測結果

圖3 嚴重點狀或片狀缺陷熒光顯示微觀照片

對均出現嚴重點狀或片狀熒光顯示的1號葉片的顯示部位進行取樣制成金相試樣,然后在顯微鏡下觀察,發現該熒光顯示的性質為顯微疏松缺陷,且較為嚴重,疏松缺陷的最大直徑可達150μm,如圖3所示。對疏松缺陷進行縱深制取試樣,然后觀察其分布深度如圖4所示,可見其分布深度在0.4 mm范圍內。

對1號葉片上出現的輕微點狀熒光顯示部位進行取樣制成金相試樣,然后在顯微鏡下觀察,顯示結果如圖5所示,發現該熒光顯示的性質仍為顯微疏松缺陷,且較為輕微,疏松缺陷的最大直徑只有約15μm,深度只有0.1 mm。

對2號葉片進行打磨拋光處理后再進行滲透檢測,打磨深度約為0.1 mm,結果如圖6所示,可見熒光顯示均已消失,說明已經被打磨排除。

圖4 嚴重點狀或片狀缺陷熒光顯示分布深度

圖5 輕微點狀缺陷熒光顯示微觀照片

圖6 2號葉片打磨后的熒光滲透顯示結果

圖7所示為3號試樣進行打磨后的滲透檢測結果,可見熒光顯示并未全部消失,而是仍有輕微的熒光顯示存在。說明其顯微疏松的深度超過了打磨深度,造成缺陷沒有被排除干凈。

圖7 3號葉片打磨后的熒光滲透顯示結果

以上試驗結果表明,IC10單晶高溫合金葉片缺陷熒光顯示主要為顯微疏松缺陷,顯微疏松的直徑在15～150μm間,深度范圍主要為0～0.4 mm。

顯微疏松缺陷尺寸不一,存在方式有三種:①缺陷充分暴露于表面,開口較大深度較深,很容易檢測到;②部分疏松缺陷未暴露于表面,滲透液滲入不到缺陷中,無法檢測到缺陷;③缺陷雖然暴露于表面,但是開口非常小,滲透液滲入到缺陷中較慢,且缺陷中的滲透液很難重新返滲出來,造成顯像不充分。這些情況容易造成漏檢。

上述試驗(圖1與圖2對比)說明,采用后乳化滲透檢測方法可以盡可能地檢測出尺寸較小的缺陷和開口較小而內部容積較大的缺陷。因此,采用后乳化滲透檢測方法對缺陷的檢出更為適合。

3 結論

(1)IC10單晶高溫合金葉片缺陷熒光顯示主要為顯微疏松缺陷,顯微疏松的直徑在15～150μm間,深度范圍主要為0～0.4 mm。

(2)在滲透檢測過程中,檢測技術人員應充分考慮缺陷尺寸較大且表面開口較小的缺陷。

(3)采用后乳化滲透檢測方法更適合IC10單晶高溫合金葉片的檢測。

[1] 劉曉娜,劉金合,康文軍,等.新型高溫合金IC10的焊接研究進展[J].熱加工工藝,2008,37(3):101-103.

[2] 蔡祖鵬,陳玉華,黃永德.鎳基單晶高溫合金凝固組織特征的研究進展[J].材料導報,2013,27(10):86-89.

[3] 趙乃仁,李金國,劉金來,等.籽晶法生長高溫合金單晶凝固界面研究[J].材料工程,2007(11):24-27.

[4] 趙新寶,劉林,楊初斌,等.鎳基單晶高溫合金凝固缺陷研究進展[J].材料工程,2012(1):93-98.

[5] 趙希宏,黃朝暉,譚永寧,等.IC10高溫合金的微觀組織[J].航空材料學報,2008,28(3):28-33.

[6] 戴雪梅,蘇清風,朱曉星.熒光滲透檢測在航空發動機研制階段的應用[J].鑄造,2011,60(10):994-997.

[7] 李海.滲透檢測技術在氣壓機葉輪上的應用[J].河南化工,2010,27(12):54-59.

[8] 季龍華,許遵言,相海清.低溫下不同滲透材料滲透檢測靈敏度對比[J].無損檢測,2014,36(10):19-21.

[9] 蘇清風,江惠東,袁雅妮.靜電噴涂熒光滲透檢測空心結構零件[J].無損檢測,2014,36(11):62-65.

[10] 陳翠麗.軸承用陶瓷球熒光滲透檢測[J].無損檢測, 2014,36(11):59-61.

The Defect Indication of Fluorescent Penetrating Inspection for IC10 Single Crystal Super Alloy Blade

WANG Shu-zhi1,LIU Guang-hua1,WANG Ben-zhi2,WANG Dong1,MA Xiao1
(1.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation,AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China;2.BIAMTEC Material Co.,Ltd.,Beijing 100094,China)

The defects indications are analysed for IC10 single crystal blades inspected by FPI method.The defects indications are mainly microporosity defects,the FPI sensitivity class and the character and difference of method are got by FPI contrast testing.It is indicated that the Post emulsification fluorescence penetrant inspecting method is fit for defect inspection.

Penetrating inspection;Single crystal;Super alloy;Defect;Fluorescent indication

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0035-03

10.11973/wsjc201701009

2016-07-10

王樹志(1980－),男,高級工程師,主要從事磁粉和滲透檢測方面的研究工作。

王樹志,E-mail:wsz_000411＠qq.com。