某機渦輪葉片熱障涂層表面裂紋檢測方法的改進

(中國航發西安航空發動機有限公司 無損檢測中心, 西安 710021)

飛機發動機渦輪葉片通常在高溫環境下工作，故要求葉片能耐高溫，熱障涂層是附著在葉片基體表面的特殊陶瓷涂層，可避免高溫對葉片基體的熱腐蝕，降低葉片對耐高溫的要求，從而提高渦輪葉片的使用壽命[1-2]。然而，熱障涂層會因各種原因從葉片表面脫落，使得葉片局部保護缺失，而威脅飛行安全，因此對渦輪葉片涂層進行表面缺陷檢測進而預防熱障涂層脫落是當前無損檢測較為前沿的課題。而表面裂紋或脫黏是引起涂層剝落失效的主要原因，因此在渦輪葉片的制造階段，對葉片熱障涂層表面裂紋和界面脫黏的無損檢測具有重大意義。熒光滲透檢測(Fluorescent Penetrant Inspection，FPI)[3-4]是一種常用于發動機葉片缺陷檢測的重要方法，然而傳統滲透檢測適用于非松孔性材料，而對于部分松孔性材料，傳統的FPI方法檢測熱障涂層時存在以下問題[5-6]：因顯示背景過重導致漏檢率高；檢測完畢后滲透液有殘留，導致拒收率高。

為了解決以上問題，需尋求有效的涂層缺陷識別方法。筆者采用過濾性微粒滲透檢測方法對該葉片涂層進行檢測，經試驗測試，相對于傳統檢測方法,其檢出率較高。

1 存在的問題

某燃機發動機渦輪葉片的基體材料為CoCrAlY。葉片制造過程中，通過電子束物理氣相沉積給葉身噴涂氧化鋯陶瓷熱障涂層。涂層上常因高溫產生裂紋或脫黏(見圖1)，故通常在熱處理后安排熒光滲透檢測工序以檢測涂層的表面品質。

圖1 涂層部位在白光下的狀態

圖2 檢測后葉片涂層狀態

按照葉片檢測技術要求，對該葉片涂層實施熒光滲透檢測時，主要存在以下問題：① 由于其黃綠色背景過重[見圖2(a)]，若涂層表面存在裂紋，裂紋顯示本身也為黃綠色，兩者之間的對比度很低，因此裂紋顯示很難被發現，尤其是細微的裂紋。② 零件在最終軍檢階段，由于葉片涂層表面呈現淡黃綠色[見圖2(b)]而引起客戶的抱怨，嚴重時葉片甚至被拒收。

2 原因分析

分析該涂層的制造工藝發現，此涂層的孔隙率較高，對于常規的滲透檢測而言屬于松孔性材料。在檢測過程中，此涂層具有很強的吸附能力，加上滲透液又有很強的滲透能力，從而使得大量的滲透液滲入到涂層的空隙之中，這些多余滲透液通過正常的去除工序難以去除而造成過重背景[7-8]。另外，該滲透液通過常規的后清洗也不能完全去除，在涂層表面會有殘留而使葉身在白光下呈現淡黃綠色。

3 檢測方法改進

為避免以上問題,擬采用過濾性微粒滲透檢測方法來代替常規的滲透檢測方法。為制定該方法的檢測工藝及參數，在采用此方法之前，先模仿葉片涂層的噴涂工藝制作了試片，利用該試片進行前期檢測工藝及參數測試，為后續實施該方法的檢測做試驗性驗證。

3.1 試片制備

為測試葉片的滲透檢驗工藝，采用與葉片材料和涂層完全相同的試片作為測試對象。先對試片進行噴涂，然后利用工裝對試片進行反復彎曲使其表面形成疲勞裂紋，再對試片進行射線檢測，檢測結果如圖3所示，在其底片上可清晰地看到裂紋的影像。

圖3 底片上的裂紋顯示

3.1.1 過濾性微粒滲透檢測

過濾性微粒滲透檢測是一種檢測松孔性材料表面缺陷的方法。其通過向零件表面施加過濾性微粒滲透液后，滲透液中的載液在力的作用下進入表面開口性缺陷中，而滲透液中的懸浮粒子因其粒子尺寸大于缺陷的開口尺寸而在開口處堆積，從而形成顯示。若懸浮粒子為帶有熒光染料的粒子，則在黑光下觀察可發現顯示。

對試片涂層表面實施過濾性微粒熒光滲透檢測，在黑光燈下進行觀察，試片上無過重熒光背景，且可以看到數條清晰的裂紋熒光顯示(見圖4)。

圖4 試片的黑光下裂紋顯示(過濾性微粒滲透檢測)

3.1.2 常規熒光滲透檢測

為做比較，對試片進行常規熒光滲透檢測。在黑光燈下觀察時，其熒光背景嚴重，檢驗人員進行了擦拭后立即進行觀察，發現顯示處的背景稍異于其他部位；經多次擦拭后，可隱約看到線狀顯示(見圖5)。

圖5 試片的黑光下裂紋顯示(常規熒光滲透檢測)

比較兩種檢測結果發現，對此涂層的檢測，采用過濾性微粒滲透檢測方法的葉片顯示清晰，無過量熒光背景且缺陷容易被發現。常規的熒光滲透檢測背景重，缺陷顯示和零件背景之間的對比度低，較難發現缺陷。

3.2 葉片檢測

在上述試驗的基礎上，將過濾性微粒滲透檢測方法應用于該葉片涂層的檢測中。在檢測過程中，發現的涂層裂紋顯示清晰且無過重熒光背景(見圖6)。

圖6 葉片的黑光下裂紋顯示(過濾性微粒滲透檢測)

4 熱障涂層滲透檢測結果

為測試工藝的實施效果，選擇帶有缺陷的葉片9件，這些葉片均在同一部位(葉盆根部位)存在裂紋。分別對這9件葉片實施工藝改進前和改進后的檢測，并對結果進行對比。工藝改進前，只有3件葉片的裂紋能被正確檢出，改進后所有葉片裂紋均可被檢出，表明改進后的工藝對葉片缺陷識別的能力得到了顯著提高。

5 結論

對該葉片表面的氧化鋯陶瓷涂層,采用過濾性微粒滲透檢測方法進行檢測，和常規的滲透檢測相比，該方法可有效改善涂層表面過重熒光背景的情況，且顯示清晰。但由于是新工藝，在檢測參數和工藝控制方面尚需進一步完善，技術成熟度沒有常規熒光滲透檢測方法的高。另外該工藝順利實施的影響因素較多(如被檢表面形狀、涂層厚度等)，因此其只能面向檢測工藝較容易實施、型面簡單的葉片，而對于型面復雜葉片的涂層檢測的工程化應用,尚待進一步研究。