改善某機(jī)渦輪葉片熒光滲透檢測背景過度的試驗(yàn)

徐亞亞，劉興勇，曾慶川，田錦娟

(中國航發(fā)動力股份有限公司 無損檢測中心， 西安 710021)

飛機(jī)發(fā)動機(jī)中渦輪葉片的工作條件非常惡劣，在服役過程中，既要承受復(fù)雜的應(yīng)力，又要耐受高溫腐蝕，因此渦輪葉片屬于故障率較高的零件之一。在制造過程中，設(shè)計(jì)要求采用高靈敏度的熒光滲透檢測(FPI, Fluorescent Penetration Inspection)[1-2]方法對所有表面進(jìn)行檢測，以可靠地檢測出其表面微小缺陷。

此方法檢測缺陷的原理是：在黑光照射下，依靠缺陷處熒光顯示與零件深藍(lán)紫色(金屬件)背景之間形成的較大對比度來識別缺陷。如零件出現(xiàn)過度熒光背景，就會減小缺陷顯示和檢測背景之間形成的對比度，從而降低人眼對缺陷顯示的識別度，最終可能導(dǎo)致缺陷漏檢。筆者采用理論和工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了熒光背景過度產(chǎn)生的原因，制定了有效的解決方法，較好地改善了該高壓渦輪葉片的熒光背景。

1 問題介紹

某機(jī)葉片材料為高溫合金，形狀較為復(fù)雜，為了獲得相對準(zhǔn)確的葉片形狀和較高的鑄造精度，通常采用100%精鑄成型工藝。通常，該工件成型制造過程分為鑄造和機(jī)械加工兩個階段。眾所周知，鑄造工藝和機(jī)械加工工藝通常會產(chǎn)生表面缺陷，這類缺陷對于航空類工件來說是不容許的。為了保證零件的表面質(zhì)量，按照設(shè)計(jì)圖紙要求，分別在零件的鑄造和機(jī)械加工階段各設(shè)置了兩次FPI[3]。

然而，實(shí)際在葉片的鑄造階段，檢測部門在鑄件成型后的第一次FPI后多次返工，原因是被檢零件表面的熒光背景過重，使得后續(xù)的熒光檢測無法進(jìn)行，甚至嚴(yán)重影響到零件的交付周期。

針對上述問題，筆者在零件第一次熒光滲透檢測前的“晶粒度腐蝕”工序和“熒光滲透檢測”工序之間增加了“吹砂”工序，較好地改善了該葉片的熒光滲透檢測背景過度的問題。

2 零件熒光滲透檢測情況

由于該零件屬于關(guān)鍵重要件，設(shè)計(jì)圖紙要求對其進(jìn)行高靈敏度的FPI。

結(jié)合零件的制造工藝及表面狀態(tài)，在檢測時宜采用后乳化3級靈敏度的FPI工藝，預(yù)清洗采用水基清洗的方法。

檢測過程中，葉片出現(xiàn)過度熒光背景的階段為FPI工藝處理后，在黑光燈下觀察，零件所有表面呈現(xiàn)出較均勻的黃綠色熒光背景(見圖1)。該背景經(jīng)過擦拭后，顯示為深藍(lán)紫色，但放置了一段時間后，此熒光背景重現(xiàn)。在白光下觀察，零件表面無異常(見圖2)。

圖1 零件在黑光下的狀態(tài)

圖2 零件在白光下的狀態(tài)

3 成因分析

依據(jù)理論知識及現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)可知，熒光滲透檢測時，影響零件產(chǎn)生熒光背景的因素主要有：① 零件表面有污染物(包括目視不可見的污染物)；② 零件表面有吸附性涂層或鍍層；③ 滲透前腐蝕工序的影響。針對上述原因可能產(chǎn)生的環(huán)節(jié)，筆者進(jìn)行了以下的測試工作。

首先，由于對該零件進(jìn)行熒光滲透檢測前需采用水基清洗的方式對工件進(jìn)行清洗，所以針對影響因素①，先從預(yù)清洗工藝著手，復(fù)查了該零件熒光滲透檢測前的預(yù)清洗工藝程序。為此，相關(guān)人員對出現(xiàn)問題的該批零件重新進(jìn)行了徹底清洗，在保證清洗工藝合格的情況下，再次對其進(jìn)行熒光滲透檢測工藝處理。但對于經(jīng)過該工藝處理后的工件，在暗室下未發(fā)現(xiàn)與初次檢驗(yàn)相同的背景，因此排除了葉片表面存在污染物的原因。

其次，針對影響因素②，相關(guān)人員復(fù)查了該零件的鑄造工藝(其一般工藝流程為：熔煉與澆注-脫殼-切割與打刻標(biāo)記-初檢-化學(xué)除芯-吹砂-力學(xué)性能檢測-打磨修整-吹砂-表面檢查-內(nèi)腔檢查-晶粒度腐蝕-熒光滲透檢測-X射線檢測-顯微疏松檢查-外觀檢驗(yàn)-尺寸檢驗(yàn)-吹砂-冷腐蝕-熒光滲透檢查-入庫)，經(jīng)過全面的流程復(fù)核后發(fā)現(xiàn)，在零件鑄造過程中沒有任何會產(chǎn)生涂層或鍍層的表面處理工藝。

由于該零件在進(jìn)行熒光滲透檢測前需要進(jìn)行“晶粒度腐蝕”，問題很有可能出在晶粒度腐蝕的過程中，因此對該零件的腐蝕工藝流程進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

熒光滲透檢測前安排“腐蝕”工序的原因?yàn)椋簾晒鉂B透檢測能檢出的缺陷類型為表面開口性缺陷(即缺陷本身是開口性的)，在現(xiàn)實(shí)中缺陷的開口會因各種原因被堵塞，致使?jié)B透液無法通過滲透工序進(jìn)入缺陷，最終導(dǎo)致缺陷無法被檢出。因此，為給滲透檢測提供清潔、有效的“表面開口”，使?jié)B透液能最大程度地進(jìn)入缺陷，特別是對于某些關(guān)鍵零件，或者對于設(shè)計(jì)圖紙要求較高檢測靈敏度的零部件，一般要求在進(jìn)行熒光滲透檢測前安排腐蝕工序。

3.1 腐蝕工藝

復(fù)查該葉片的腐蝕工藝發(fā)現(xiàn)該零件在鑄造階段共經(jīng)歷過2次腐蝕工序，其區(qū)別在于第一次為晶粒度腐蝕，第二次是專為熒光滲透檢測做準(zhǔn)備的冷腐蝕。

進(jìn)一步復(fù)查該葉片晶粒度腐蝕與冷腐蝕工藝的具體工藝參數(shù)(見表1)，比較兩者的工藝參數(shù)可知，所用溶液的名稱及濃度(配比)相同，其不同點(diǎn)在于溶液溫度和腐蝕時間。從表1可知，相對于冷腐蝕，晶粒度腐蝕時溫度較高，且腐蝕時間長。

表1 兩種腐蝕的工藝參數(shù)

對于冷腐蝕工藝，其腐蝕程度較低，材料去除量較少；而對于晶粒度腐蝕工藝，其腐蝕程度比冷腐蝕的要重，表面狀態(tài)較冷腐蝕的相對較差。

依此推斷：該零件批次性出現(xiàn)過度熒光背景可能是由滲透前的晶粒度腐蝕工序造成的。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

將和被檢測葉片表面狀態(tài)相同的報(bào)廢葉片按照正常葉片的晶粒度腐蝕工藝參數(shù)進(jìn)行處理，且進(jìn)行熒光滲透檢測工藝處理后，在暗室黑光下觀察時，發(fā)現(xiàn)葉片表面呈均勻的黃綠色(見圖3)，其背景情況和問題批葉片的基本相同。

圖3 黑光下葉片表面的黃綠色背景

將和被檢測葉片表面狀態(tài)相同的另外一些報(bào)廢葉片按照正常葉片的冷腐蝕工藝參數(shù)進(jìn)行處理后，進(jìn)行熒光滲透檢測處理操作，在暗室黑光下觀察時，發(fā)現(xiàn)葉片表面呈現(xiàn)良好的深藍(lán)紫色背景(見圖4)。

圖4 黑光下葉片深藍(lán)紫色檢測背景

試驗(yàn)結(jié)果表明：將冷腐蝕后的葉片進(jìn)行熒光滲透檢測時背景良好；而對晶粒度腐蝕后的葉片進(jìn)行熒光滲透檢測時，葉片呈現(xiàn)過度的熒光背景(和問題批葉片類似)。

因此可判定：該葉片表面熒光背景過重是晶粒度腐蝕工序造成的。

3.3 采取的措施

鑄造車間一般采用吹砂的方法來改善葉片表面的粗糙度，而熒光滲透檢測的相關(guān)規(guī)范規(guī)定：當(dāng)采用吹砂的方法對零件表面進(jìn)行預(yù)處理時，如果采用的砂粒足夠細(xì)(粒度150目或更細(xì))，則吹砂可作為一種合格的滲透檢測前的預(yù)處理方法。

針對該問題批葉片，采用吹砂的方法來改善其表面狀態(tài)，即在葉片晶粒度腐蝕工序后增加吹砂的方法，不但可以降低零件表面的粗糙度，而且能使零件表面形成比較均勻、細(xì)致的“麻面”。此“麻面”在進(jìn)行熒光滲透檢測時可得到良好的檢測背景。

相關(guān)規(guī)范還規(guī)定，在鑄件的鑄造階段，應(yīng)至少安排一次熒光滲透檢測前的腐蝕工序。由于該零件在熒光滲透檢測前安排了一次冷腐蝕工序，充分暴露了缺陷，所以從保證該葉片的熒光檢測質(zhì)量上來說，最后一道腐蝕工序的安排完全能保證鑄件入庫前的檢測質(zhì)量。

經(jīng)過前期的試驗(yàn)和分析，擬在葉片的“晶粒度腐蝕”和“熒光滲透檢測”工序之間增加一道“吹砂”工序 (粒度150目或更細(xì))，因此該葉片的鑄造工藝可調(diào)整為：熔煉與澆注-脫殼-切割與打刻標(biāo)記-初檢-化學(xué)除芯-吹砂-力學(xué)性能檢測-打磨修整-吹砂-表面檢查-內(nèi)腔檢查-晶粒度腐蝕-吹砂-熒光滲透檢測-X射線檢測-顯微疏松檢查-外觀檢驗(yàn)-尺寸檢驗(yàn)-吹砂-冷腐蝕-熒光滲透檢測-入庫)。經(jīng)過以上分析，調(diào)整后的檢測工藝不但可以改善葉片的表面粗糙度，而且通過熒光滲透檢測前的冷腐蝕工序，能保證其檢測質(zhì)量。

4 效果驗(yàn)證

在制定了以上改進(jìn)措施后，對現(xiàn)場出現(xiàn)過重?zé)晒獗尘暗娜~片增加吹砂的方法進(jìn)行返修，返修后重新進(jìn)行熒光滲透檢測工藝處理，在暗室的黑光燈下觀察，葉片無缺陷顯示的部位呈現(xiàn)良好的深藍(lán)紫色背景。為了進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)效果，相關(guān)人員對調(diào)整工藝流程后的后續(xù)葉片的相同熒光滲透檢測工序進(jìn)行了跟蹤(結(jié)果見表2)，結(jié)果表明，通過此工藝流程的調(diào)整，相同的問題再未發(fā)生。

表2 葉片檢測情況

5 結(jié)語

對某機(jī)渦輪葉片進(jìn)行熒光滲透檢測時出現(xiàn)的熒光背景過度的原因進(jìn)行了分析，得知這是由熒光滲透檢測前的晶粒度腐蝕工序造成的。要達(dá)到既能改善零件熒光檢測背景的目的，又能保證葉片的熒光滲透檢測質(zhì)量，采用在葉片的“晶粒度腐蝕”和“熒光滲透檢測”工序之間增加一道“吹砂”工序，可有效解決該問題。