鈦合金鑄件熒光滲透檢測背景不良的工藝改進

，，，

(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研究中心，北京 100095)

鈦合金具有無磁性、耐熱腐蝕、穩定性好等優異性能[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，已成為航空發動機零部件的重要應用材料[2-3]。

鈦合金材料在航空領域的應用，帶動了航空鈦合金鑄造技術向著復雜、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展[2]。近些年，鈦合金鑄造工藝發展迅速，鈦合金鑄件的熒光滲透檢測技術也得到了廣泛應用。

筆者所在企業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；靈敏度級別根據產品的不同技術要求分別選用，現在主要使用美國磁通(MAGNAFLUX)公司生產的ZL-60D中靈敏度滲透液和美國歇爾溫(SHERWIN)公司生產的HM-604高靈敏度滲透液。

1 課題背景

鈦合金鑄件的制造，從前期的蠟模壓制、型殼制備、熔煉澆鑄，到后期的熱處理、無損檢測、尺寸測量等，生產工序較復雜。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]。

航空發動機零件結構比較復雜，質量級別要求高；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

總結生產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生腐蝕)；酸洗之后去除保護漆。當保護漆有殘留時，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，提高產品檢驗質量。

圖3所示為某型號整流板在白光下的表面狀態，可見其表面無明顯顯示。實際生產過程中，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，導致吹砂機內砂粒被切削液污染；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，導致熒光滲透檢測時出現背景不良問題。

圖3 某型號整流板在白光下的表面狀態

2.1 熒光滲透檢測工藝

熒光滲透檢測前，零件表面應清潔、干燥、無灰塵、無油污等。其工藝步驟包括：預清洗、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，內孔、夾角，內表面等處的吹砂停留時間應稍長，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

依據上述分析，進行的對比試驗來驗證初步設想，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偽。

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

經多次試驗表明，當出現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

(2) 輕酸洗-熒光

酸洗表面有時也會出現背景不良問題。觀察發現，出現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，特對出現熒光背景不良的產品進行二次酸洗。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

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，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

采用生產過程中使用的同一吹砂機，對出現熒光表面背景不良的產品進行吹砂。零件吹砂前后的表面狀態如圖8所示，可見吹砂后熒光表面并未改善，且吹砂后出現霧狀黃綠色背景，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

通常出現熒光背景不良時，并不限于某一種產品，是分批次發生的；同批次內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部分砂粒被污染而帶來的二次污染。

(4) 深酸洗-熒光

因為產品進行深酸洗后幾乎沒有發生背景不良問題，所以對出現背景不良問題產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。

圖9 零件在深酸洗前后的表面狀態

在表面腐蝕量加大之后，熒光背景面良好?；趯嶋H生產考慮，為了保證鑄件尺寸符合圖紙要求及產品制造過程安排，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，也要嚴格依據產品尺寸及客戶技術規范要求，謹慎處理。

(5) 高壓水沖洗-熒光

對出現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。

圖10 零件在高壓水清洗前后的表面狀態

從圖10可知，零件經高壓水沖洗后，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、結構穩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構受損、增加變形風險。

4 改進措施

通過以上試驗可知，導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出大面積黃綠色不良背景顯示。

針對該問題，生產過程中需要從源頭控制，機加工后應及時對零件進行徹底清洗，徹底去除零件表面的切削液。當這一控制失效，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，按零件不同狀態對吹砂機進行分類管理，同一吹砂機只能處理同一種狀態的零件，避免交叉污染。

(2) 建立監控吹砂機砂粒污染機制，當砂粒被污染而不滿足生產要求時，應及時更換處理。

(3) 鑄件結構穩定，壁厚較大的鑄件出現背景不良時，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，可根據尺寸余量適當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導致的背景不良，應及時徹底地去除相關殘留，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內進行了應用，初步解決了因熒光背景不良問題帶來的生產困擾，提高了產品的缺陷檢出率和熒光滲透檢測結果的可靠性，也確保了企業的生產進度。

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發展[J].航空材料學報，2016,36(3)：13-19.

[2] 趙瑞斌.大型復雜鈦合金薄壁件精鑄成型技術研究進展[J].鈦工業進展，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，2016,35(2)：457-459.

[4] 王樹志，劉廣華，王本志.表面狀態對鈦合金鑄件熒光滲透檢測結果的影響[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.