表面狀態(tài)對鈦合金鑄件熒光滲透檢測結(jié)果的影響

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(1.中航工業(yè)北京航空材料研究院,航空材料檢測與評價北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,材料檢測與評價航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；2.北京百慕航材高科股份有限公司，北京 100094)

表面狀態(tài)對鈦合金鑄件熒光滲透檢測結(jié)果的影響

王樹志1,劉廣華1,王本志2,葉冠霆1,賈玉軍1

(1.中航工業(yè)北京航空材料研究院,航空材料檢測與評價北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,材料檢測與評價航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；2.北京百慕航材高科股份有限公司，北京100094)

制作了鈦合金疲勞裂紋試樣，然后對試樣進(jìn)行吹砂、打磨、酸洗、真空熱處理以及噴丸等以獲得不同的表面狀態(tài)。最后對不同狀態(tài)的試樣進(jìn)行熒光滲透檢測和掃描電鏡檢查，進(jìn)而得出不同的表面狀態(tài)對鈦合金鑄件表面缺陷熒光滲透檢測結(jié)果的影響情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：吹砂和噴丸處理較容易造成裂紋缺陷堵塞且噴丸造成的裂紋堵塞尤為嚴(yán)重，影響缺陷的檢出；打磨和真空熱處理不會造成明顯的缺陷開口的堵塞；而酸洗處理會充分暴露缺陷，利于缺陷的檢出。

鈦合金；吹砂；打磨；噴丸；滲透檢測

鈦合金因具有密度低(如Ti-6A1-4V鈦合金密度為4.5 g·cm-3，是低碳鋼的57%)、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、彈性模量低、導(dǎo)熱系數(shù)小、屈強(qiáng)比高(成形回彈大)、無毒無磁性、耐熱性好、抗低溫脆性好、可焊接、生物相容性好、表面活性大、表面可裝飾性強(qiáng)等特性而被廣泛應(yīng)用于多個工業(yè)領(lǐng)域[1-3]。

鈦合金鑄造毛坯件在進(jìn)行熒光滲透檢測之前一般采用吹砂方式或者吹砂和酸洗方式以去除零件表面氧化皮、油污、涂料等影響熒光滲透檢測的表面附著物，同時使零件表面更為均勻以形成較好的熒光背景顯示[4-6]。在熒光滲透檢測過程中所發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷在其余量范圍內(nèi)可以通過打磨方式去除，且打磨后的非關(guān)鍵件還可以通過補(bǔ)焊方式修復(fù)，修復(fù)后的零件要經(jīng)過熱處理。為了提高最終成型零件的疲勞壽命，在一些受力關(guān)鍵區(qū)域要進(jìn)行噴丸強(qiáng)化。然而,吹砂、打磨處理、酸洗、熱處理以及噴丸會對鈦合金鑄件冶金缺陷的熒光滲透檢測靈敏度產(chǎn)生影響[7-12]，筆者將通過對預(yù)制裂紋缺陷試樣進(jìn)行不同方式的表面處理，比對其熒光滲透檢測結(jié)果，并輔以微觀檢查得出不同表面處理工藝對熒光滲透檢測的影響情況，以為鈦合金鑄件的熒光滲透檢測工序安排以及質(zhì)量的控制提供有效的數(shù)據(jù)支撐，同時為熒光滲透檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定提出參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)采用ZTC4鑄造鈦合金材料，鑄造成平板試樣，然后機(jī)加工為如圖1所示的疲勞試樣，在圖1所示的位置制作出疲勞裂紋。共制作裂紋試樣5個，編號分別為1號，2號，3號，6號，7號。針對5個試樣制定試驗(yàn)流程，如圖2所示。

圖1 表面裂紋試樣制作示例(方形試樣)

圖2 各個試樣對應(yīng)的試驗(yàn)流程

采用二級靈敏度水洗型熒光滲透液對每個試樣的試驗(yàn)流程中的各個工序狀態(tài)進(jìn)行檢測，滲透時間30 min，烘干時間15 min，干粉顯像，顯像時間30 min。同時對每個試樣的試驗(yàn)流程中的各個工序狀態(tài)進(jìn)行微觀檢測，記錄缺陷照片。最后匯總所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行比對分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

5個機(jī)加工表面狀態(tài)試樣的熒光滲透檢測結(jié)果如圖3所示，可見每個試樣上各發(fā)現(xiàn)1條裂紋熒光痕跡顯示，裂紋熒光痕跡顯示呈連續(xù)線性，但從宏觀上看裂紋顯示寬窄不一且彎彎曲曲。采用掃描電鏡方法對5個試樣裂紋處進(jìn)行微觀觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見：試樣上裂紋大部分已經(jīng)開口于表面，但仍有部分位置未開口，因此整個裂紋為斷續(xù)分布狀態(tài)，而且呈彎曲分布，裂紋的最大寬度約8 μm，最小寬度約為2 μm。

圖3 機(jī)加工表面試樣熒光滲透檢測結(jié)果

圖4 機(jī)加工表面試樣裂紋微觀照片

圖5 吹砂表面1,2號試樣熒光滲透檢測結(jié)果

圖6 吹砂表面1,2號試樣缺陷處的微觀形貌

圖7 吹砂2號試樣超聲波清洗后熒光滲透檢測結(jié)果

對1號和2號試樣進(jìn)行吹砂后再進(jìn)行熒光滲透檢測，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見,裂紋顯示變?yōu)閿嗬m(xù)線性熒光痕跡顯示，整條裂紋大部分未出現(xiàn)熒光痕跡顯示,而另一條裂紋未出現(xiàn)熒光痕跡顯示；觀察其微觀形貌如圖6所示，可見大部分裂紋被掩蓋。對吹砂狀態(tài)的2號試樣進(jìn)行超聲波清洗后再實(shí)施熒光滲透檢測，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見,2號試樣缺陷處裂紋熒光痕跡顯示較圖5所示的熒光痕跡顯示，亮度未見明顯增加，返滲顯像也不太明顯；這說明吹砂后缺陷仍然未暴露于表面，采用超聲波清洗并不能改變吹砂造成的裂紋處塑性變形的堵塞。

對1號試樣裂紋處進(jìn)行打磨后再到黑光下觀察，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，1號試樣裂紋處經(jīng)打磨后出現(xiàn)了熒光痕跡顯示，但熒光痕跡顯示的亮度較低且滲透液的返滲不明顯，其微觀形貌如圖9所示。由圖9可見，之前吹砂堵塞的裂紋經(jīng)打磨后又重新暴露于表面。對機(jī)加表面3號試樣上裂紋熒光痕跡顯示進(jìn)行打磨(打磨深度為0.5 mm)后再到黑光下觀察，結(jié)果如圖10所示。由圖10可見：裂紋熒光痕跡顯示未發(fā)生明顯變化，但熒光滲透液的返滲有所減弱，線性顯示的寬度有所減小。對該試樣缺陷處進(jìn)行微觀檢查，其微觀形貌如圖11所示。由圖11可見，裂紋經(jīng)打磨后開口依然暴露于表面，除局部裂紋開口處出現(xiàn)鈦合金毛刺、金屬屑和塑性變形以外，未發(fā)現(xiàn)明顯的開口堵塞情況，但寬度由原來的5 μm縮小至2 μm左右；這說明打磨對缺陷的檢出雖有影響但影響的程度并不大。

圖8 吹砂后1號試樣缺陷處經(jīng)打磨后的熒光滲透檢測結(jié)果

圖9 吹砂后1號試樣缺陷處經(jīng)打磨后的缺陷微觀形貌

圖10 機(jī)加狀態(tài)3號試樣缺陷處經(jīng)打磨后的熒光滲透檢測結(jié)果

圖11 機(jī)加狀態(tài)3號試樣缺陷處經(jīng)打磨后的缺陷微觀形貌

對吹砂打磨后1號試樣和吹砂狀態(tài)下的2號試樣進(jìn)行酸洗，酸洗去除量為10 μm，然后進(jìn)行熒光滲透檢測，檢測結(jié)果如圖12所示。由圖12可見：經(jīng)過酸洗后，試樣的缺陷熒光痕跡顯示非常清晰明顯，特別是吹砂狀態(tài)下堵塞的裂紋經(jīng)酸洗后充分暴露于表面。對酸洗后缺陷處進(jìn)行微觀觀察，結(jié)果如圖13所示，從圖中可看到清晰的裂紋形貌。

圖12 經(jīng)酸洗后1,2號試樣熒光滲透檢測結(jié)果

圖13 經(jīng)酸洗后1,2號試樣缺陷處的微觀形貌

對7號試樣進(jìn)行真空熱處理后再進(jìn)行熒光滲透檢測，結(jié)果如圖14所示，可見經(jīng)真空熱處理后缺陷熒光痕跡顯示并無明顯變化。對缺陷位置進(jìn)行微觀觀察，結(jié)果如圖15所示，可見缺陷微觀形貌與熱處理之前相比并無明顯變化。

圖14 經(jīng)真空熱處理后7號試樣熒光滲透檢測結(jié)果

圖15 經(jīng)真空熱處理后7號試樣缺陷處的微觀形貌

對6號試樣進(jìn)行噴丸后再進(jìn)行熒光滲透檢測，結(jié)果如圖16所示，可見經(jīng)噴丸后缺陷熒光痕跡顯示基本消失不見。對缺陷位置進(jìn)行微觀觀察，結(jié)果如圖17所示。由圖17可見，缺陷微觀形貌與噴丸之前相比除仍存在部分裂紋痕跡以外，已基本看不到明顯的裂紋開口；由此說明其已經(jīng)被堵塞，這與滲透檢測結(jié)果是一致的。

圖16 經(jīng)噴丸后6號試樣熒光滲透檢測結(jié)果

圖17 經(jīng)噴丸后6號試樣缺陷處的微觀形貌

3 分析和討論

由圖3可知，疲勞裂紋缺陷熒光顯示特征為線性顯示，從熒光痕跡顯示很容易判斷出缺陷為裂紋顯示。由圖4所示疲勞裂紋的微觀形貌可知，裂紋并不是完全開口于表面，而是斷續(xù)分布的，而其熒光痕跡顯示則為連續(xù)的線性顯示;可見熒光痕跡顯示對缺陷的放大作用使得這種微觀的不連續(xù)性完全被掩蓋，進(jìn)而形成熒光痕跡顯示，即宏觀的痕跡顯示。

由圖5和圖6可知，試樣表面經(jīng)過吹砂后其缺陷很容易被堵塞，極易造成缺陷的熒光痕跡顯示變?nèi)趸蛘呗z。而由圖7可知吹砂表面經(jīng)過超聲波清洗后并無明顯促進(jìn)暴露的趨勢，而吹砂是一種塑性變形，超聲波清洗只能清洗掉粘附在表面的附著物。

由圖8～11可知，打磨后,之前被吹砂處理堵塞的缺陷較容易暴露于表面，然而打磨后缺陷雖然暴露于表面，但由于之前吹砂造成的堵塞嚴(yán)重而使得滲入到缺陷中的熒光滲透液的體積大幅減小，即便打磨后缺陷開口暴露但其滲透液返滲量卻依然較少，進(jìn)而造成熒光痕跡顯示亮度較低和返滲不明顯等情況，甚至?xí)型耆z的情況；這就需要對打磨后的區(qū)域重新進(jìn)行熒光滲透檢測，使熒光滲透液充分滲入缺陷中去，提高檢測質(zhì)量。

由圖12和圖13可知，酸洗能夠充分暴露缺陷，利于缺陷的檢出。而由圖14和圖15可知，真空熱處理對缺陷熒光滲透檢測并無明顯影響。但由圖16和圖17可知，噴丸會完全堵塞缺陷，其較吹砂更易堵塞缺陷，因此對于鈦合金鑄件，無論在何種情況下，不允許在噴丸后進(jìn)行熒光滲透檢測，或者噴丸后的熒光滲透檢測不能作為表面缺陷控制的有效手段。

4 結(jié)論

(1) 吹砂和噴丸尤其是噴丸,極易造成鈦合金鑄件缺陷的堵塞，進(jìn)而造成熒光滲透檢測的漏檢。

(2) 鈦合金鑄件上的缺陷熒光顯示經(jīng)打磨后應(yīng)該重新進(jìn)行熒光滲透檢測。

(3) 鈦合金零件上的疲勞裂紋熒光顯示呈線性分布，但其微觀形貌則呈斷續(xù)分布，熒光滲透檢測法可發(fā)現(xiàn)寬度為1 μm以上的裂紋缺陷。

(4) 真空熱處理對缺陷的熒光滲透檢測無明顯影響。酸洗可充分暴露缺陷，利于熒光滲透檢測。

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InfluenceofDifferentSurfaceStatesonFluorescentPenetrantInspectionofTitaniumAlloyCasting

WANGShuzhi1,LIUGuanghua1,WANGBenzhi2,YEGuanting1,JIAYujun1

(1.AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,AVICBeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China；2.BiamtecMaterialCo.,Ltd.,Beijing100094,China)

The fluorescent penetrant inspecting contrastive experimentation is performed on titanium alloy fatigue crack samples of different surface states as treated by the blowing sand, burnish, chemical etching, vacuum heat treatment, shot peening and so on. And the defect areas are inspected by scanning electron microscope，then the result is finally got. The results indicate that the cracks will be easily jammed by blowing sand and especially shot peening resulting in defects undetected. The defects will not obviously be jammed by burnish and vacuum heat treatment. Moreover defects will be exposed richly and shall be easy for the inspection after chemical etching treatment.

titanium alloy; blowing sand; burnish; shot peening; fluorescent penetrant inspecting

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0054-05

2016-11-16

王樹志(1980-)，男，主要從事磁粉、滲透等表面無損檢測方面的研究

王樹志，wsz_000411@qq.com

10.11973/wsjc201710012