酸洗對(duì)鈦合金鑄件熒光滲透檢測(cè)結(jié)果的影響

張軍威，鐘建蘭，王本志，翟學(xué)彬

(1.北京百慕航材高科技有限公司 特檢中心，北京 100094；2.航發(fā)優(yōu)材(鎮(zhèn)江)鈦合金精密成型有限公司，鎮(zhèn)江 212000；3.北京航空材料研究院 鑄鈦中心，北京 100095；4.北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095)

鈦合金熔模精鑄能夠獲得表面光滑、尺寸精準(zhǔn)的精密鑄件[1]。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，鈦合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域。

滲透檢測(cè)是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)，檢測(cè)非疏孔性的金屬和非金屬試件表面開口缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法[2]。熒光滲透檢測(cè)(Fluorescent Penetration Inspection，F(xiàn)PI)原理是：將溶有熒光染料的滲透液施加于試件表面，滲透液滲入到表面開口缺陷中，然后經(jīng)清洗去除、烘干及顯像等，在黑光燈下可以觀察到黃綠色熒光顯示。

目前，熒光滲透檢測(cè)已廣泛應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域，是評(píng)價(jià)工程材料、零部件和產(chǎn)品的完整性和連續(xù)性的重要手段。

通常零件在滲透檢測(cè)之前，會(huì)經(jīng)歷焊接、精整打磨、吹砂等工序。表面精修打磨和吹砂容易造成零件表面缺陷堵塞，從而阻礙滲透液進(jìn)入，造成漏檢。酸洗處理可以清除可能掩蓋表面缺陷的污染物及可能妨礙滲透液滲入表面開口缺陷的氧化層。因此，在熒光檢測(cè)前往往都需要進(jìn)行酸洗工序，目的是盡快將零件表面的氧化層去除，提高檢測(cè)效率。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外大多采用熔融堿洗+酸洗的方法去除鈦合金表面的氧化層[3]。其中，酸洗技術(shù)能去除表面氧化層，使材料表面變得光亮以及零件熒光滲透檢測(cè)時(shí)的背景良好。周嘉梁等[4]對(duì)熒光檢測(cè)工藝進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)，研究了酸洗腐蝕對(duì)熒光滲透檢測(cè)的影響。

為了證明酸洗處理對(duì)熒光滲透檢測(cè)的重要性，筆者對(duì)具有裂紋和點(diǎn)狀缺陷的某在制零件，采用多次酸洗和熒光滲透檢測(cè)的方法，研究了酸洗對(duì)鈦合金精密鑄件熒光滲透檢測(cè)缺陷熒光顯示尺寸的影響，并研究了酸洗后，缺陷尺寸變化的趨勢(shì)。

1 酸洗后缺陷熒光顯示的類型分析

分析酸洗對(duì)熒光滲透檢測(cè)的影響時(shí)，首先需要了解酸洗后熒光滲透檢測(cè)時(shí)，表面缺陷的熒光顯示有哪些類型。酸洗后缺陷的熒光顯示類型示意如圖1所示，下面詳細(xì)分析酸洗后缺陷熒光顯示的類型和產(chǎn)生的原因。

圖1 酸洗后缺陷的熒光顯示類型示意

(1) 類型Ⅰ：酸洗后表面缺陷的熒光顯示消失或尺寸減小。對(duì)寬而淺且有熒光顯示的缺陷增加酸洗量或酸洗次數(shù)后，開口寬度增加量較大，寬深比也增大，熒光顯示消失。

一些微裂紋開口本身小且淺，經(jīng)過(guò)酸洗后，微裂紋的開口變寬且淺，以至于在進(jìn)行下一次熒光滲透檢測(cè)時(shí)，缺陷開口留不住或留住更少的熒光滲透液。

(2) 類型Ⅱ：酸洗后熒光顯示新缺陷。寬而淺且無(wú)熒光顯示的缺陷在增加酸洗量或酸洗次數(shù)后，深度增加量較大，寬深比減小，熒光檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生新的熒光顯示。經(jīng)過(guò)多次酸洗后，零件表面產(chǎn)生許多新的微裂紋。

短時(shí)間的酸洗可以降低鑄件表面的粗糙度和去除劃痕，并能減少部分微裂紋的熒光顯示，但是當(dāng)酸洗時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)(或進(jìn)行多次酸洗時(shí))，鑄件表面會(huì)出現(xiàn)新的熒光顯示。

(3) 類型Ⅲ：酸洗后表面缺陷熒光顯示的尺寸變大。有熒光顯示的缺陷在酸洗時(shí)，由于缺陷開口中的酸液不能及時(shí)清洗干凈，所以開口更寬且更深，在滲透檢測(cè)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)熒光檢測(cè)時(shí)缺陷熒光顯示的尺寸變大，熒光顯示更加清晰的現(xiàn)象。

(4) 類型Ⅳ：酸洗后表面缺陷熒光顯示的尺寸先變大后變小。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)樣品

以某鈦合金(TC4)精密鑄件為研究對(duì)象，從不同生產(chǎn)批次中挑選兩件作為試驗(yàn)件，反復(fù)進(jìn)行“酸洗-熒光滲透檢測(cè)”試驗(yàn)。其中1#試樣反復(fù)酸洗3次，2#試樣反復(fù)酸洗5次。分別詳細(xì)記錄每次酸洗后零件表面缺陷熒光顯示的位置及尺寸，記錄缺陷在黑光燈下熒光顯示的照片。

2.2 酸洗外觀

鈦合金零件在精密鑄造過(guò)程中，零件表面會(huì)產(chǎn)生一種不溶性的氧化層，又稱α層，可通過(guò)腐蝕的方法將其去除[5]。腐蝕工藝的目的是通過(guò)酸侵蝕除去零件表面的α氧化層和污染層，并使零件表面具有金屬光澤，以保證飩化質(zhì)量[6]。

根據(jù)酸洗工藝，按一定比例，將氫氟酸(HF)與硝酸(HNO3)配比酸洗液；將鈦合金零件懸于酸洗液中進(jìn)行侵蝕，不停地?cái)嚢杷嵯匆海沟盟嵯捶磻?yīng)充分。

試驗(yàn)的酸洗量為單邊0.01 mm，鈦合金零件的酸洗表面外觀如圖2所示，從圖2中可以看出經(jīng)過(guò)酸洗的零件表面光滑，呈現(xiàn)金屬光澤，且露出細(xì)晶粒組織[7]。

圖2 鈦合金零件的酸洗表面外觀

2.3 熒光滲透檢測(cè)

采用水洗型熒光滲透液對(duì)兩個(gè)試樣進(jìn)行熒光滲透檢測(cè)。嚴(yán)格按照工藝控制熒光滲透檢測(cè)的時(shí)間，采用自動(dòng)噴粉的方式把顯像粉施加到零件表面，顯像20 min左右。

“酸洗-熒光滲透檢測(cè)”的試驗(yàn)流程如圖3所示。其中：酸洗一般需經(jīng)過(guò)清洗、酸洗、水沖洗、干燥等過(guò)程；熒光滲透檢測(cè)一般需經(jīng)過(guò)預(yù)清洗、烘干、滲透、水洗、干燥、顯像等過(guò)程。

圖3 “酸洗-熒光滲透檢測(cè)”的試驗(yàn)流程

3 結(jié)果與分析

在進(jìn)行“酸洗-熒光滲透檢測(cè)”試驗(yàn)之前，首先對(duì)2個(gè)試樣進(jìn)行熒光滲透檢測(cè)，記錄其每次酸洗后進(jìn)行熒光滲透檢測(cè)得到的缺陷熒光顯示位置。在每次酸洗后，1#和2#試樣缺陷的熒光顯示數(shù)量如表1所示。

表1 1#和2#試樣的“酸洗-熒光滲透檢測(cè)”缺陷數(shù)量統(tǒng)計(jì)

圖4 1#試樣酸洗前的缺陷熒光顯示

圖5 2#試樣酸洗前的缺陷熒光顯示

圖4，5分別為1#和2#試樣酸洗前缺陷的熒光顯示，其中1#試樣有22處熒光顯示，2#試樣有8處熒光顯示。圖4(c)存在多處不連續(xù)顯示，但各顯示的間距小于最大顯示尺寸的3倍，評(píng)估為單個(gè)缺陷，記為21號(hào)缺陷，尺寸為0.5 mm；同理，圖4(d)中的顯示記為22號(hào)缺陷，尺寸為8.0 mm。

隨后對(duì)2個(gè)試樣進(jìn)行“酸洗-熒光滲透檢測(cè)”試驗(yàn)，所有酸洗和熒光滲透檢測(cè)均在同一條件下進(jìn)行，即在相同的酸洗液、酸洗時(shí)間、熒光滲透液、滲透環(huán)境、滲透時(shí)間和顯像時(shí)間下進(jìn)行。

3.1 酸洗對(duì)滲透檢測(cè)熒光顯示尺寸的影響

圖6為1#試樣經(jīng)過(guò)3次酸洗后，1，2，7，21，23號(hào)缺陷的熒光顯示。與圖4中酸洗前的熒光顯示尺寸相比，缺陷顯示尺寸發(fā)生了變化：1，2，7號(hào)缺陷熒光顯示尺寸變大，經(jīng)3次酸洗后，分別由原來(lái)的2.0，2.0，3.2 mm變化為2.2，3.0，4.0 mm，符合第1節(jié)中類型Ⅲ的情況；21，23號(hào)缺陷熒光顯示尺寸變小，由5.0 mm和8.0 mm變化為4.5 mm和7.0 mm，符合第1節(jié)中類型Ⅰ的情況。

圖6 1#試樣經(jīng)過(guò)3次酸洗后的缺陷熒光顯示

圖7 2#試樣經(jīng)過(guò)5次酸洗后的缺陷熒光顯示

圖7為2#試樣經(jīng)過(guò)5次酸洗后，1，4，5號(hào)缺陷的熒光顯示。與圖5中的酸洗前顯示尺寸相比，缺陷尺寸明顯不同，1號(hào)和5號(hào)缺陷熒光顯示尺寸分別由原來(lái)的4.6 mm和5.0 mm變化為5.2 mm和6.0 mm，4號(hào)缺陷熒光顯示尺寸由13.0 mm變化為11.2 mm。

表2為1#試樣經(jīng)過(guò)3次酸洗后缺陷熒光顯示尺寸的統(tǒng)計(jì)。由表2可知，2，4，7，9，12，16，17，20號(hào)熒光顯示的缺陷經(jīng)過(guò)3次酸洗后，缺陷熒光顯示尺寸變大，符合類型Ⅲ；6，8，11，13，18，21，23號(hào)熒光顯示的缺陷經(jīng)過(guò)酸洗后，缺陷熒光顯示尺寸逐漸變小，符合類型Ⅰ；1，3，19號(hào)缺陷經(jīng)過(guò)酸洗后，缺陷熒光顯示尺寸增大之后再減小，符合類型Ⅳ；5，10，15號(hào)缺陷經(jīng)過(guò)酸洗后，熒光顯示消失，符合類型Ⅰ；經(jīng)過(guò)酸洗，出現(xiàn)新的熒光顯示，如22，24號(hào)缺陷，符合類型Ⅱ。

表2 1#試樣酸洗后缺陷熒光顯示的尺寸 mm

表3為2#試樣經(jīng)過(guò)5次酸洗后缺陷的熒光顯示。其中：1，5，6號(hào)裂紋缺陷酸洗前尺寸分別為4.6，5.0，4.0 mm，經(jīng)過(guò)5次酸洗之后，缺陷尺寸變寬，裂紋長(zhǎng)度分別為5.2，6.0，5.1 mm；4，7號(hào)裂紋缺陷酸洗前尺寸分別為13.0，3.1 mm，經(jīng)過(guò)5次酸洗后，缺陷尺寸變小，裂紋長(zhǎng)度分別為11.2 mm和2.1 mm；2，3，8號(hào)缺陷在酸洗前，缺陷尺寸較小，經(jīng)過(guò)1～2次酸洗后，熒光滲透檢測(cè)沒有顯示。

由表3可以看出，酸洗對(duì)熒光滲透檢測(cè)的影響較大，可以充分地將缺陷暴露出來(lái)，當(dāng)缺陷開口變得寬而淺，2，3，8號(hào)缺陷的熒光顯示會(huì)消失。

表3 2#試樣酸洗后缺陷熒光顯示的尺寸 mm

從表2，3可以看出，一次酸洗可以充分暴露表面缺陷，可以很好地清洗、清理試件表面，缺陷數(shù)量及尺寸基本趨于穩(wěn)定。雖然酸洗可以充分暴露表面缺陷，但是過(guò)度的酸洗會(huì)改變表面缺陷的形態(tài)，從而影響熒光顯示尺寸，所以熒光滲透檢測(cè)前，在不影響鑄件尺寸的情況下，通常安排一次酸洗，酸洗量嚴(yán)格控制在0.005～0.01 mm，既可以使缺陷充分暴露，又能確保檢測(cè)結(jié)果可靠。

3.2 酸洗后熒光缺陷尺寸的變化趨勢(shì)

分別對(duì)經(jīng)過(guò)3次酸洗和5次酸洗后，熒光滲透檢測(cè)的缺陷熒光顯示尺寸變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。圖8,9分別為經(jīng)過(guò)酸洗后1#試樣和2#試樣缺陷的尺寸增大的趨勢(shì)曲線，實(shí)際缺陷尺寸變化趨勢(shì)與類型Ⅱ相符，酸洗后熒光顯示新缺陷或缺陷熒光顯示尺寸變大。

圖8 1#試樣酸洗后缺陷熒光顯示尺寸增大的趨勢(shì)曲線

圖9 2#試樣酸洗后缺陷熒光顯示尺寸增大的趨勢(shì)曲線

圖10，11分別為1#試樣和2#試樣缺陷熒光顯示尺寸減小的趨勢(shì)曲線，實(shí)際缺陷尺寸變化趨勢(shì)與類型Ⅰ相符，酸洗后表面缺陷熒光顯示消失或尺寸減小。

圖10 1#試樣酸洗后缺陷熒光顯示尺寸減小的趨勢(shì)曲線

圖11 2#試樣酸洗后缺陷熒光顯示尺寸減小的趨勢(shì)曲線

圖12為1#試樣缺陷熒光顯示尺寸先增大后減小的趨勢(shì)曲線，實(shí)際缺陷尺寸變化趨勢(shì)與類型Ⅳ相符，酸洗后表面缺陷熒光顯示的尺寸先變大后變小。

圖12 1#試樣酸洗后缺陷尺寸先增大后減小的趨勢(shì)曲線

4 結(jié)論

(1) 熒光滲透檢測(cè)時(shí)，表面缺陷的熒光顯示有4種類型：表面缺陷熒光顯示消失或尺寸減小、缺陷尺寸變大、產(chǎn)生新顯示以及顯示尺寸先增大后減小。

(2) 通過(guò)分析相同位置缺陷的熒光顯示，酸洗對(duì)鑄件表面缺陷熒光顯示的尺寸有影響。經(jīng)過(guò)多次酸洗之后，開口寬而淺的缺陷不顯示或顯示尺寸變

小。增加酸洗次數(shù)后，某些內(nèi)部缺陷開口暴露至零件表面，產(chǎn)生新的熒光顯示，或缺陷寬度同步增大，導(dǎo)致缺陷尺寸變大，熒光顯示更加清晰。

(3) 酸洗量直接影響熒光滲透檢測(cè)的結(jié)果。酸洗可以充分暴露表面缺陷，有利于缺陷的檢出。鈦合金鑄件制造過(guò)程中，在不影響鑄件結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，熒光滲透檢測(cè)前可以安排一次酸洗，酸洗量控制在0.005～0.01 mm，可使表面缺陷充分暴露，確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性。