基于熱電效應的滲鋁層無損檢測技術研究與應用

關曉全 徐德才 桂敏

摘要：針對當前在滲鋁層檢測領域沒有快速可靠的無損檢測方法實現工程化應用的問題，本文分析了K403材料渦輪葉片基體和滲鋁層組織成分的差異，通過實驗驗證了基于熱電效應原理利用滲鋁層與基體材料的電勢差來識別葉片表面是否存在滲鋁層的可能性，并研制檢測設備投入工程化應用，達到了無損、快速、準確檢測葉片表面有無滲鋁層的目的。

關鍵詞：滲鋁層；無損檢測；熱電效應；K403

Keywords：aluminized coating；nondestructive testing；pyroelectric effect；K403

0 引言

金屬部件由于抗磨損、抗腐蝕等性能不足，常需要在其表面滲入其他金屬元素來提高性能[1]。新金屬元素引入后，上述性能會得到提升，但是同時會造成其他方面的性能下降。例如，某型航空發動機K403材料渦輪葉片圖紙要求葉冠、葉身表面滲鋁，但榫頭卻是非滲鋁部位。這是因為榫頭部位工作時溫度較低，抗腐蝕處理的作用不明顯，相反如榫頭存在滲鋁層，一方面會影響其尺寸大小，造成嵌套部位過盈配合，導致微動磨損加劇，降低疲勞壽命；另一方面，滲鋁層表面偏脆硬，受應力集中容易發生脆斷[2]。因此，在對葉片滲鋁處理時，榫頭部位通常采取保護措施，以防止該部位表面有鋁元素滲入。

某批次葉片部分榫頭部位被誤滲鋁，現行的滲鋁層檢測方法只能通過金相法、腐蝕法等進行破壞性檢測，為避免該批次葉片全部報廢，迫切需要一種無損檢測方法進行篩選。

1 滲鋁層檢測現狀

隨著材料工藝技術的發展，表面涂滲層工藝的成分、層次、排布越來越復雜，現有的很多無損檢測技術和設備已經無法滿足測試需求，如對于滲鋁等擴散型滲層結構來說，目前市場上較為成熟的磁性測量法、電渦流測量法、超聲波測量法等測試手段均無法滿足測試要求。其中，磁性測厚法只適用于測量導磁材料上非導磁材料的涂層厚度，高溫合金基體及其表面滲層都是導磁材料，磁通率差異不大，所以該方法不能應用于滲鋁層的檢測。渦流測量法適用于測量導電金屬表面的非導電材料，不適用于高溫合金滲鋁層的檢測；而高溫合金滲鋁層與基體沒有明顯分界面，所以超聲波測厚法也同樣不適用于高溫合金滲鋁層的檢測。

2 滲鋁層組織成分分析

滲鋁是在一定溫度下將鋁原子滲入工件表面的一種化學熱處理工藝，即鋁在金屬或合金表面擴散滲入的過程[3]。對K403材料滲鋁時，鎳原子向外、鋁原子向內擴散，鋁含量逐漸降低，形成滲鋁層。根據滲鋁層金相圖，滲鋁層分為內外兩層，外層主要為δ相（Ni2Al3）、β相（NiAl），鋁元素含量高，約25%左右，向內的鋁含量逐步減小；內層主要為γ′（Ni3Al）相，鋁含量低，逐步與基體材料一致。如圖1所示。

葉片基體材料K403屬于鎳基高溫合金，經查閱材料手冊，其主要成分為γ相、γ′相、γ-γ′相、MC碳化物。其中，γ′相是合金強化相，占比最大，約為總成分的58%至59%[4]。

通過對比，葉片基體K403和滲鋁層外層在組織成分上存在差異，滲鋁層外層主要為δ相和β相，K403主要為γ′相。這為無損檢測方法的應用建立了物理基礎。

3 熱電效應原理及應用

3.1 熱電效應原理

滲鋁層的存在改變了基體材料表面的電學性能。滲鋁層和基體材料的費米能級不同，熱電子逃逸功不同，如將其構成閉合回路，將產生接觸電勢，這一電勢同時受溫度和材料影響，遵循熱電第一效應（塞貝克效應）和熱電第二效應（帕爾貼效應）原理。

熱電第一效應是指兩種金屬接觸時會產生接觸電勢差，電勢差取決于兩種金屬中電子逃逸功及電子濃度。如果使兩個接觸點溫度不同，將在回路中產生熱電流，其方向遵循下列規律：Bi→Ni→Pd→U→Cu→……Sb→Te→Al→……當序列中任意兩種金屬組成閉合回路時，電流將從排序較前的流向較后的。

熱電第二效應是指兩種不同金屬構成閉環回路，當回路中存在直流電流時，兩個接頭之間將產生溫差。熱電第二效應是第一效應的逆效應。

因此，可以利用滲鋁層引起的基體材料電學常數變化來識別材料表面是否存在滲鋁層。根據該理論，以一點作為基準點，另一點作為檢測點，通過比較金屬接觸點之間的電勢差形成對檢測結果的判斷。對滲鋁層（Al）、基體（Ni）、基準探頭（Cu）、檢測探頭（Cu）構成的回路進行電勢分析，存在兩類4種情況。

1）第一類

兩探頭接觸不同成分區域，有兩種情況（見圖2）。

● 檢測探頭接觸位置有滲層，基準探頭接觸位置無滲層。

△E=-（檢測探頭→滲鋁層）-（無滲層→基準探頭）<0

● 檢測探頭接觸位置無滲層，基準探頭接觸位置有滲層

△E=（無滲層→檢測探頭）+（基準探頭→滲鋁層）>0

2）第二類

兩探頭接觸相同成分區域，有兩種情況（見圖3），此種情況下需在檢測探頭上設計加熱線圈，以加大溢出功，與基準探頭處形成電勢差。

● 檢測探頭、基準探頭接觸位置均有滲層

△E=-（檢測探頭→滲鋁層）（加熱）+（基準探頭→滲鋁層）<0

● 檢測探頭、基準探頭接觸位置均無滲層

△E=（無滲層→檢測探頭）（加熱）-（無滲層→基準探頭）>0

綜合分析以上兩類四種情況：當△E<0時，檢測探頭接觸位置有滲層；當△E>0時，檢測探頭接觸位置無滲層。

3.2 樣機試制及驗證

根據理論分析得出，采用熱電效應原理檢測有無滲鋁層是可行的，因此委托專業廠家設計了滲鋁層檢測儀，原理圖如圖4所示。

檢測儀電器部分主要由4個模塊組成：探頭，包括檢測探頭和基準探頭；溫度補償模塊；判斷電路；顯示輸出模塊。溫度補償模塊對檢測探頭加溫；檢測探頭與判斷電路相連，將探測到的信號傳給判斷電路，判斷電路對信號進行判別，輸出有/無滲層的信號；顯示輸出模塊與判斷電路相連，接收判斷電路輸出的判別信號，并顯示有/無滲層。滲鋁層檢測儀樣機如圖5所示。

3.3 工程化應用

為了驗證滲鋁層檢測儀的檢測準確性，隨機抽取36臺發動機共273片待檢葉片進行檢測。每片葉片榫頭選擇榫齒與伸根段轉接處、第一榫槽R和第二榫槽三個檢測點，共計819個檢測點，檢測點位置分布如圖6所示。

檢測儀能直觀顯示有/無滲鋁層，單點檢測時間不超過3s。檢測完成后，對上述葉片進行剖切，采用金相法驗證檢測儀的檢測準確性，結論完全吻合，檢測準確率達到100%。

4 結論

基于熱電效應原理可檢測K403材料表面是否存在滲鋁層。當前應用該技術可實現定性檢測滲鋁區有效滲鋁和非滲鋁區誤滲的情況。但有關滲層的定量檢測方法還需一步研究，最終實現滲層厚度、質量、組織成分等的無損檢測。

參考文獻

[1]盛常松，晁君瑞，蘇志文.滲鋁、共滲技術及鋼材防腐蝕[M].北京：中國石化出版社，2015.

[2]謝孟云，汪誠，等.復合強化對滲鋁K403合金組織和力學性能的影響[J].中國表面工程，2018（2）：26-31.

[3]齊寶森，王忠誠，李玉婕.化學熱處理技術及應用實例[M].北京：化學工業出版社，2015.

[4]《航空工程材料手冊》編委會.航空工程材料手冊（第二版）[M].北京：中國標準出版社，2002.

作者簡介

關曉全，工程師，主要從事航空修理無損檢測技術工作。