改善某機渦輪葉片熒光滲透檢測背景過度的試驗

徐亞亞，劉興勇，曾慶川，田錦娟

(中國航發動力股份有限公司 無損檢測中心， 西安 710021)

飛機發動機中渦輪葉片的工作條件非常惡劣，在服役過程中，既要承受復雜的應力，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，設計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，最終可能導致缺陷漏檢。筆者采用理論和工藝試驗相結合的方法，分析了熒光背景過度產生的原因，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

某機葉片材料為高溫合金，形狀較為復雜，為了獲得相對準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械加工兩個階段。眾所周知，鑄造工藝和機械加工工藝通常會產生表面缺陷，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量，按照設計圖紙要求，分別在零件的鑄造和機械加工階段各設置了兩次FPI[3]。

然而，實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，使得后續的熒光檢測無法進行，甚至嚴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

由于該零件屬于關鍵重要件，設計圖紙要求對其進行高靈敏度的FPI。

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

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

圖2 零件在白光下的狀態

3 成因分析

依據理論知識及現場工作經驗可知，熒光滲透檢測時，影響零件產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生的環節，筆者進行了以下的測試工作。

首先，由于對該零件進行熒光滲透檢測前需采用水基清洗的方式對工件進行清洗，所以針對影響因素①，先從預清洗工藝著手，復查了該零件熒光滲透檢測前的預清洗工藝程序。為此，相關人員對出現問題的該批零件重新進行了徹底清洗，在保證清洗工藝合格的情況下，再次對其進行熒光滲透檢測工藝處理。但對于經過該工藝處理后的工件，在暗室下未發現與初次檢驗相同的背景，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，相關人員復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-切割與打刻標記-初檢-化學除芯-吹砂-力學性能檢測-打磨修整-吹砂-表面檢查-內腔檢查-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-尺寸檢驗-吹砂-冷腐蝕-熒光滲透檢查-入庫)，經過全面的流程復核后發現，在零件鑄造過程中沒有任何會產生涂層或鍍層的表面處理工藝。

由于該零件在進行熒光滲透檢測前需要進行“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行了重點分析。

熒光滲透檢測前安排“腐蝕”工序的原因為：熒光滲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)，在現實中缺陷的開口會因各種原因被堵塞，致使滲透液無法通過滲透工序進入缺陷，最終導致缺陷無法被檢出。因此，為給滲透檢測提供清潔、有效的“表面開口”，使滲透液能最大程度地進入缺陷，特別是對于某些關鍵零件，或者對于設計圖紙要求較高檢測靈敏度的零部件，一般要求在進行熒光滲透檢測前安排腐蝕工序。

3.1 腐蝕工藝

復查該葉片的腐蝕工藝發現該零件在鑄造階段共經歷過2次腐蝕工序，其區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備的冷腐蝕。

進一步復查該葉片晶粒度腐蝕與冷腐蝕工藝的具體工藝參數(見表1)，比較兩者的工藝參數可知，所用溶液的名稱及濃度(配比)相同，其不同點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

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，表面狀態較冷腐蝕的相對較差。

依此推斷：該零件批次性出現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 試驗驗證

將和被檢測葉片表面狀態相同的報廢葉片按照正常葉片的晶粒度腐蝕工藝參數進行處理，且進行熒光滲透檢測工藝處理后，在暗室黑光下觀察時，發現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相同的另外一些報廢葉片按照正常葉片的冷腐蝕工藝參數進行處理后，進行熒光滲透檢測處理操作，在暗室黑光下觀察時，發現葉片表面呈現良好的深藍紫色背景(見圖4)。

圖4 黑光下葉片深藍紫色檢測背景

試驗結果表明：將冷腐蝕后的葉片進行熒光滲透檢測時背景良好；而對晶粒度腐蝕后的葉片進行熒光滲透檢測時，葉片呈現過度的熒光背景(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規范規定：當采用吹砂的方法對零件表面進行預處理時，如果采用的砂粒足夠細(粒度150目或更細)，則吹砂可作為一種合格的滲透檢測前的預處理方法。

針對該問題批葉片，采用吹砂的方法來改善其表面狀態，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、細致的“麻面”。此“麻面”在進行熒光滲透檢測時可得到良好的檢測背景。

相關規范還規定，在鑄件的鑄造階段，應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量。

經過前期的試驗和分析，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)，因此該葉片的鑄造工藝可調整為：熔煉與澆注-脫殼-切割與打刻標記-初檢-化學除芯-吹砂-力學性能檢測-打磨修整-吹砂-表面檢查-內腔檢查-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-尺寸檢驗-吹砂-冷腐蝕-熒光滲透檢測-入庫)。經過以上分析，調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，能保證其檢測質量。

4 效果驗證

在制定了以上改進措施后，對現場出現過重熒光背景的葉片增加吹砂的方法進行返修，返修后重新進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良好的深藍紫色背景。為了進一步驗證改進效果，相關人員對調整工藝流程后的后續葉片的相同熒光滲透檢測工序進行了跟蹤(結果見表2)，結果表明，通過此工藝流程的調整，相同的問題再未發生。

表2 葉片檢測情況

5 結語

對某機渦輪葉片進行熒光滲透檢測時出現的熒光背景過度的原因進行了分析，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。