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針對(duì)長(zhǎng)期服役在高溫高壓高轉(zhuǎn)速下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心渦輪葉片，常使用擾流柱結(jié)構(gòu)來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)葉片氣冷結(jié)構(gòu)，提高渦輪葉片的承溫能力。某型心渦輪葉片采用等軸晶K465合金鑄造。K465合金是一種等軸晶鎳基鑄造高溫合金，W、Mo、Nb等難溶元素含量高，具有較高的承溫能力、高強(qiáng)度和耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制造。K465合金渦輪葉片、導(dǎo)向葉片等航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件，受制備與鑄造工藝，以及熱處理工藝等因素影響，會(huì)存在殘余應(yīng)力甚至出現(xiàn)裂紋等缺陷。

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件， 常采用射線檢測(cè)和滲透檢測(cè)對(duì)渦輪葉片內(nèi)部和外表面進(jìn)行質(zhì)量控制。擾流柱結(jié)構(gòu)存在于葉片內(nèi)腔中，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受空心結(jié)構(gòu)、滲透液施加方法等因素的影響，擾流柱周圍會(huì)截留滲透液，造成熒光背景干擾。對(duì)此，中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院的研究人員對(duì)某型K465高溫合金渦輪葉片進(jìn)行了滲透檢測(cè)，并利用體視顯微鏡和掃描電鏡等方法對(duì)擾流柱熒光顯示進(jìn)行了分析，探討了滲透檢測(cè)對(duì)擾流柱缺陷檢測(cè)的可行性，為該型渦輪葉片生產(chǎn)研制和使用過(guò)程中的缺陷檢測(cè)及其檢測(cè)工藝的制定奠定了基礎(chǔ)。

試驗(yàn)材料與方法

選用帶有熒光顯示的擾流柱報(bào)廢葉片進(jìn)行試驗(yàn)，使用后乳化三級(jí)靈敏度滲透液對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)，使用丙酮擦拭后確定顯示位置；后對(duì)有顯示部位進(jìn)行兩次機(jī)加工切割，再次檢測(cè)確定其是否為非相關(guān)顯示；使用體視顯微鏡對(duì)擾流柱缺陷位置和特征進(jìn)行宏觀形貌分析；在掃描電子顯微鏡下分別對(duì)擾流柱缺陷特征進(jìn)行微觀分析。擾流柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 擾流柱結(jié)構(gòu)示意

滲透檢測(cè)試驗(yàn)

選用的葉片為K465等軸高溫合金毛坯鑄件，表面平整且有空心內(nèi)腔，滲透檢測(cè)工藝應(yīng)選用靜電噴涂方法施加高靈敏度型后乳化熒光滲透液，選擇I類D法。預(yù)清洗采用水基清洗劑，超聲波震蕩清洗10分鐘；采用靜電噴涂法施加ZL-27A型滲透液，滲透時(shí)間為20分鐘；之后采用去離子水去除滲透液，水壓為0.25 MPa；乳化采用ZR-10B型乳化劑，乳化時(shí)間為1分鐘；在55 ℃烘箱烘干20分鐘；采用ZP-4B干粉顯像30分鐘；在黑光燈下檢驗(yàn)，38 cm處黑光強(qiáng)度>1500 μW·cm-2。

干粉顯像結(jié)束后，在黑光燈下觀察發(fā)現(xiàn)擾流柱上有大量熒光顯示，由于葉尖至顯示位置距離約為3 cm，無(wú)法使用毛刷等常用工具對(duì)其進(jìn)行有效擦拭，為對(duì)顯示進(jìn)行進(jìn)一步判斷，故對(duì)葉尖進(jìn)行線切割，使擾流柱位于葉尖下方1 cm處。使用酒精-丙酮混合液對(duì)零件進(jìn)行超聲波清洗，確保將內(nèi)腔的殘留油污去除，再次使用上述工藝對(duì)零件進(jìn)行滲透檢測(cè)，線切割后的滲透檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 葉片零件線切割后的滲透檢測(cè)結(jié)果

去除葉尖和榫頭多余部分后再次進(jìn)行滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)擾流柱顯示位置和大小和原始狀態(tài)保持一致，即線切割并沒(méi)有干擾擾流柱表面狀態(tài)，擾流柱上的缺陷沒(méi)有發(fā)生變化。

分析圖2(a)和(c)發(fā)現(xiàn)，對(duì)葉尖熒光顯示擦拭后，在擾流柱和葉片連接處仍然有點(diǎn)狀顯示，可以確定為缺陷；但是靠近進(jìn)氣邊的擾流柱仍然有顯示，無(wú)法判斷是否為相關(guān)顯示，下層擾流柱的熒光顯示仍會(huì)影響判斷。

分析圖2(b)和(d)發(fā)現(xiàn)，對(duì)榫頭熒光顯示擦拭后，擾流柱有線性顯示，可以確定為缺陷，但是無(wú)法對(duì)該線性顯示進(jìn)行定性判斷，需要借助體視顯微鏡和電子顯微鏡進(jìn)行進(jìn)一步的觀察分析。

為了進(jìn)行體式觀察，將擾流柱進(jìn)行二次切割，對(duì)切割后的零件進(jìn)行滲透檢測(cè)，擦拭掉擾流柱上的多余滲透液后可以清晰看見(jiàn)點(diǎn)狀顯示和線性顯示，切割后的滲透檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 擾流柱二次切割后的滲透檢測(cè)結(jié)果

針對(duì)不確定的熒光顯示，常采用酒精或丙酮擦拭的方法，若擦拭后仍然有反滲現(xiàn)象，則判斷該顯示為缺陷。常用的擦拭工具有棉球、毛刷等。

棉球常用于擦拭表面滲透劑，由于棉花的松散特性，其附著的丙酮少，可以獲得良好的背景，缺點(diǎn)是只能對(duì)平整表面進(jìn)行擦拭，無(wú)法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行擦拭。

毛刷蘸取丙酮可以對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行擦拭，其缺點(diǎn)是難以控制丙酮的蘸取量，且丙酮被污染后會(huì)出現(xiàn)熒光背景干擾。

由于擾流柱位于葉片內(nèi)部，研究人員采用的是描金筆中灌入丙酮的擦拭工具。描金筆筆頭長(zhǎng)度為3 cm，可以深入復(fù)雜結(jié)構(gòu)中進(jìn)行擦拭，筆頭的書寫方式控制了每次擦拭時(shí)丙酮的溢出量，可以做到擦拭后具有良好的熒光背景。

缺陷形貌觀察分析

根據(jù)滲透檢測(cè)結(jié)果對(duì)含有缺陷的擾流柱進(jìn)行分析，在體視顯微鏡下觀察擾流柱轉(zhuǎn)角處有熒光顯示的區(qū)域，其檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，可以觀察到擾流柱上布滿不規(guī)則凸起和凹坑， 同時(shí)可以觀察到裂紋和孔洞的形貌，裂紋長(zhǎng)度約為0.5 mm。

圖4 擾流柱熒光顯示區(qū)域體視顯微鏡檢測(cè)結(jié)果

開口顯示區(qū)電子顯微鏡掃描結(jié)果如圖5所示，打開具有缺陷的擾流柱斷口，將開口放大可見(jiàn)缺陷顯示開口，可見(jiàn)靠近柱體表面熒光顯示部分為不規(guī)則的孔洞，孔洞表面為熔融特征，未見(jiàn)斷裂痕跡，判斷熒光顯示原因?yàn)榭锥闯霈F(xiàn)在零件表面。

圖5 擾流柱開口顯示區(qū)電子顯微鏡掃描結(jié)果

內(nèi)部斷口電子顯微鏡掃描結(jié)果如圖6所示，可見(jiàn)擾流柱內(nèi)部斷口大部分區(qū)域?yàn)檠刂嗔鸭安糠植灰?guī)則孔洞，孔洞表面形貌與表面熒光顯示處孔洞的一致，認(rèn)為該不規(guī)則孔洞為鑄造缺陷。而K465高溫合金鑄件采用的是鋁基型芯澆筑的方法，會(huì)使得擾流柱產(chǎn)生較大的鑄造應(yīng)力，分析開口顯示區(qū)和斷口特性，可知鑄造缺陷為疏松和裂紋。

圖6 擾流柱內(nèi)部斷口電子顯微鏡掃描結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某型號(hào)空心渦輪葉片葉尖和榫齒外側(cè)擾流柱表面有熒光顯示的問(wèn)題，首先對(duì)其滲透檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，然后采用掃描電鏡觀察其微觀形貌進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)K465等軸高溫合金渦輪葉片擾流柱上的熒光顯示，部分為擾流柱結(jié)構(gòu)造成的非相關(guān)顯示，也有缺陷帶來(lái)的真實(shí)顯示，需要使用合適的擦拭手段對(duì)顯示進(jìn)行判斷。對(duì)比幾種擦拭方法得出結(jié)論，使用丙酮擦拭筆對(duì)擾流柱顯示進(jìn)行擦拭可以獲得良好的背景，同時(shí)能明顯觀察到缺陷處的反滲現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)果表明，此型號(hào)高溫合金葉片擾流柱表面大面積熒光顯示主要是鑄造工藝造成的表面不連續(xù)，圓形顯示為疏松，線性顯示為裂紋。對(duì)于空心渦輪葉片擾流柱等內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的熒光滲透檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)有熒光顯示，應(yīng)進(jìn)行擦拭后再判斷，避免缺陷的漏檢。