鈦合金鑄件熒光滲透檢測背景不良的工藝改進

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(1.北京百慕航材高科技股份有限公司 特檢中心，北京 100094;2.北京航空材料研究院 鑄鈦中心，北京 100095;3.北京市先進鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095)

鈦合金具有無磁性、耐熱腐蝕、穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能[1]，可克服機翼“熱障”問題，提高機身整體比強度和比剛度，進而延長飛機使用壽命，降低油耗等，已成為航空發(fā)動機零部件的重要應(yīng)用材料[2-3]。

鈦合金材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，帶動了航空鈦合金鑄造技術(shù)向著復(fù)雜、薄壁、異形變化、高純度、高性能、可再利用等多角度融合方向發(fā)展[2]。近些年，鈦合金鑄造工藝發(fā)展迅速，鈦合金鑄件的熒光滲透檢測技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。

筆者所在企業(yè)對鈦合金精密鑄件進行熒光滲透檢測時，主要采用水洗型熒光滲透液；靈敏度級別根據(jù)產(chǎn)品的不同技術(shù)要求分別選用，現(xiàn)在主要使用美國磁通(MAGNAFLUX)公司生產(chǎn)的ZL-60D中靈敏度滲透液和美國歇爾溫(SHERWIN)公司生產(chǎn)的HM-604高靈敏度滲透液。

1 課題背景

鈦合金鑄件的制造，從前期的蠟?zāi)褐啤⑿蜌ぶ苽洹⑷蹮挐茶T，到后期的熱處理、無損檢測、尺寸測量等，生產(chǎn)工序較復(fù)雜。為檢出鑄件不同階段的表面缺陷，通常安排有多次熒光滲透檢測。為了保證熒光滲透檢測的可靠性，提高缺陷檢出率，對黑光燈下熒光背景的要求較高，熒光滲透檢測前的表面處理準備工作尤為重要[4]。

航空發(fā)動機零件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，質(zhì)量級別要求高；但是，熒光滲透檢測中常常遇到黑光下鑄件表面熒光背景較差，而導(dǎo)致熒光滲透檢測過程無法正常進行的問題。為了找出熒光背景不良的原因及提出改進措施，開展了相關(guān)試驗研究。圖1為零件背景不良與背景正常的顯示對比。

圖1 零件背景不良與背景正常的顯示對比

總結(jié)生產(chǎn)中常遇到的熒光背景不良問題，其主要分為以下4類：

(1) 熒光滲透檢測前，水膜試驗效果不佳；白光下目視帶有一層薄薄油污，熒光滲透液難以徹底去除；滲透檢測顯像后，黑光燈下顯示如圖2(a)所示，可見表面形成了局部或大面積黃綠色熒光背景。

(2) 超聲波測量零件壁厚時，零件表面殘留部分耦合劑，耦合劑殘留部位呈現(xiàn)明顯的熒光顯示，如圖2(b)所示。

(3) 零件在酸洗時，為滿足鑄件壁厚要求，會局部刷涂酸洗保護漆(刷涂保護漆位置不發(fā)生腐蝕)；酸洗之后去除保護漆。當(dāng)保護漆有殘留時，殘留部位有黃綠色顯示，如圖2(c)所示。

(4) 三坐標掃描時，黏貼的非編碼點標簽未及時去除；非編碼點上背后的膠狀物質(zhì)殘留在鑄件表面，沾染熒光滲透液，形成點狀顯示，如圖2(d)所示。

圖2 零件熒光背景不良的主要類型

以上不同類型的熒光背景不良，均會干擾檢驗人員對缺陷顯示的判斷。其中，后三種類型的熒光背景不良，即：耦合劑殘留、酸洗保護漆殘留與非編碼點殘留，均會形成局部熒光亮點顯示。通過規(guī)范使用耦合劑、保護漆、非編碼點等的方法后，這三種熒光背景不良的問題得到明顯改善。

2 工藝分析

筆者主要針對第一類鑄件熒光背景不良問題，進行工藝試驗跟蹤，追溯其熒光背景不良的具體成因，確定后期改進措施，提高產(chǎn)品檢驗質(zhì)量。

圖3所示為某型號整流板在白光下的表面狀態(tài)，可見其表面無明顯顯示。實際生產(chǎn)過程中，熒光滲透檢測通常安排在吹砂、酸洗之后。為探討這些過程對熒光滲透檢測的影響，對熒光滲透檢測、吹砂、酸洗過程進行工藝分析：零件進行機加工后，切削液未徹底去除就進行了吹砂處理，導(dǎo)致吹砂機內(nèi)砂粒被切削液污染；吹砂時，零件表面因切削液污染及砂粒帶來的二次污染形成污染層；進行酸洗腐蝕時鑄件表面的污染層未徹底去除，導(dǎo)致熒光滲透檢測時出現(xiàn)背景不良問題。

圖3 某型號整流板在白光下的表面狀態(tài)

2.1 熒光滲透檢測工藝

熒光滲透檢測前，零件表面應(yīng)清潔、干燥、無灰塵、無油污等。其工藝步驟包括：預(yù)清洗、水洗、干燥、滲透、多余滲透液去除、干燥、顯像、檢驗等，具體工藝流程如圖4所示。

圖4 零件的熒光滲透檢測工藝流程

2.2 吹砂工藝

鑄件表面打磨后通常不允許有銀白金屬色、氧化色、磨痕、玷污、油污等缺陷。為使鑄件表面顏色均勻，通常需進行吹砂處理，依據(jù)鑄件要求，選用40目、54目或120目棕剛玉砂對鑄件表面進行噴砂處理；噴砂槍噴嘴距鑄件距離應(yīng)為120～200 mm，吹砂壓力為0.4～0.6 MP；對鑄件表面進行吹砂時，內(nèi)孔、夾角，內(nèi)表面等處的吹砂停留時間應(yīng)稍長，吹砂后鑄件表面顏色均勻。

2.3 酸洗工藝

酸洗又稱作表面腐蝕，依據(jù)去除量，通常將酸洗分為輕酸洗和深酸洗。輕酸洗去除量通常為0.005～0.025 mm，深酸洗去除量通常為0.1～0.5 mm。熒光滲透檢測前通常安排輕酸洗，熒光終檢前通常安排深酸洗。零件酸洗工藝流程如圖5所示。

圖5 零件的酸洗工藝流程

3 工藝改進對比試驗

依據(jù)上述分析，進行的對比試驗來驗證初步設(shè)想，分析熒光背景的不良問題，研究改進措施。

(1) 溶劑擦拭

熒光滲透檢測時，通常使用溶劑(通常為丙酮或酒精)擦拭缺陷跡痕顯示處的多余顯示，通過觀察缺陷的熒光滲透液反滲，判斷熒光跡痕顯示的真?zhèn)巍?/p>

零件在丙酮擦拭前與擦拭后的表面狀態(tài)如圖6所示。對比溶劑擦拭前后，發(fā)現(xiàn)熒光背景顯示依舊存在，此背景不足以進行熒光滲透檢測。

經(jīng)多次試驗表明，當(dāng)出現(xiàn)此類型的熒光背景不良顯示時，通過丙酮擦拭不能清除表面不良背景。

圖6 零件在丙酮擦拭前后的表面狀態(tài)

(2) 輕酸洗-熒光

酸洗表面有時也會出現(xiàn)背景不良問題。觀察發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)背景不良前的酸洗均為輕酸洗。

為判斷酸洗不良問題是否由酸洗不到位造成，特對出現(xiàn)熒光背景不良的產(chǎn)品進行二次酸洗。為確保酸洗后鑄件的尺寸要求，安排進行二次輕酸洗(最高去除量0.025 mm)。

圖7 零件在輕酸洗前后的表面狀態(tài)

二次輕酸洗前后零件的熒光表面背景如圖7所示。通過對比圖7(a)，(b)可知，熒光背景不良并非由酸洗不到位引起。這再次驗證了輕酸洗的去除量(0.005～0.025 mm)不能徹底去除表面的污染層；輕酸洗可以輕微改善背景不良狀態(tài)，但該問題依舊存在，不足以完全去除零件表面不良背景。

(3) 吹砂-熒光

采用生產(chǎn)過程中使用的同一吹砂機，對出現(xiàn)熒光表面背景不良的產(chǎn)品進行吹砂。零件吹砂前后的表面狀態(tài)如圖8所示，可見吹砂后熒光表面并未改善，且吹砂后出現(xiàn)霧狀黃綠色背景，嚴重干擾正常熒光滲透檢測。

圖8 零件在吹砂前后的表面狀態(tài)

通常出現(xiàn)熒光背景不良時，并不限于某一種產(chǎn)品，是分批次發(fā)生的；同批次內(nèi)不同鑄件熒光背景不良程度略有不同(均由同一種吹砂機吹砂處理)。因此，熒光背景不良很大一部分原因是吹砂機內(nèi)部分砂粒被污染而帶來的二次污染。

(4) 深酸洗-熒光

因為產(chǎn)品進行深酸洗后幾乎沒有發(fā)生背景不良問題，所以對出現(xiàn)背景不良問題產(chǎn)品安排進行深酸洗試驗，酸洗量為0.3 mm。圖9所示為零件在深酸洗前后的表面狀態(tài)。

圖9 零件在深酸洗前后的表面狀態(tài)

在表面腐蝕量加大之后，熒光背景面良好。基于實際生產(chǎn)考慮，為了保證鑄件尺寸符合圖紙要求及產(chǎn)品制造過程安排，需嚴格控制酸洗去除量；同時，也不可能進行多次深酸洗腐蝕處理。即使深酸洗后熒光背景不良問題的改善最為明顯，也要嚴格依據(jù)產(chǎn)品尺寸及客戶技術(shù)規(guī)范要求，謹慎處理。

(5) 高壓水沖洗-熒光

對出現(xiàn)熒光背景不良問題的鑄件，采用加壓140 MPa的高壓水進行沖洗。圖10所示為零件在高壓水沖洗前后的表面狀態(tài)。

圖10 零件在高壓水清洗前后的表面狀態(tài)

從圖10可知，零件經(jīng)高壓水沖洗后，熒光滲透檢測表面背景不良的問題得到了較好改善，且明顯可以看到高壓水沖洗部位的痕跡。由于高壓水壓力較大，故只能用于中大型、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定壁厚較大的鑄件零件；而對于小型及薄壁零件，高壓水沖洗容易造成零件結(jié)構(gòu)受損、增加變形風(fēng)險。

4 改進措施

通過以上試驗可知，導(dǎo)致黃綠色熒光表面背景不良的主要原因是吹砂處理機加工零件時，砂粒被切削液污染；在較高壓力下，被污染的砂粒造成其他零件的二次污染，如果熒光滲透檢測前未去除這種二次污染，在黑光燈下就會呈現(xiàn)出大面積黃綠色不良背景顯示。

針對該問題，生產(chǎn)過程中需要從源頭控制，機加工后應(yīng)及時對零件進行徹底清洗，徹底去除零件表面的切削液。當(dāng)這一控制失效，造成熒光背景不良時，如果沒有條件進行蒸汽除油[5]表面處理工序，可采用以下改進措施：

(1) 改善吹砂工藝，按零件不同狀態(tài)對吹砂機進行分類管理，同一吹砂機只能處理同一種狀態(tài)的零件，避免交叉污染。

(2) 建立監(jiān)控吹砂機砂粒污染機制，當(dāng)砂粒被污染而不滿足生產(chǎn)要求時，應(yīng)及時更換處理。

(3) 鑄件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，壁厚較大的鑄件出現(xiàn)背景不良時，可采用高壓水沖洗的方式進行處理；對于尺寸余量較大的鑄件，可根據(jù)尺寸余量適當(dāng)安排去除量進行深酸洗。

(4) 對于耦合劑殘留、酸洗保護漆殘留、非編碼點殘留等原因?qū)е碌谋尘安涣迹瑧?yīng)及時徹底地去除相關(guān)殘留，確保熒光背景符合要求。

上述是針對無法安排蒸汽除油時進行的措施。

5 結(jié)語

針對表面黃綠色背景顯示進行工藝分析與對比試驗，驗證了導(dǎo)致此背景不良的主要原因，并提出了工藝改進措施，措施已在筆者所在企業(yè)內(nèi)進行了應(yīng)用，初步解決了因熒光背景不良問題帶來的生產(chǎn)困擾，提高了產(chǎn)品的缺陷檢出率和熒光滲透檢測結(jié)果的可靠性，也確保了企業(yè)的生產(chǎn)進度。

參考文獻:

[1] 張美娟，南海，鞠忠強,等.航空鑄造鈦合金及其成型技術(shù)發(fā)展[J].航空材料學(xué)報，2016,36(3)：13-19.

[2] 趙瑞斌.大型復(fù)雜鈦合金薄壁件精鑄成型技術(shù)研究進展[J].鈦工業(yè)進展，2015,32(2)：8-12.

[3] 王本志，王樹志.航空鑄件熒光滲透檢測非鑄造缺陷熒光顯示分析[J].測控技術(shù)，2016,35(2)：457-459.

[4] 王樹志，劉廣華，王本志.表面狀態(tài)對鈦合金鑄件熒光滲透檢測結(jié)果的影響[J].無損檢測，2017,39(10):54-58.

[5] MEH M S,ALPAY A. Comparison of two nondestructive inspection techniques on the basis of sensitivity and reliability[J].Materials and Design,2007,28(5):1433-1439.