鑄造閉式葉輪內(nèi)型面熒光滲透檢測(cè)

蘇清風(fēng)，習(xí)小文，石 劍，張士晶，金信鴻

(1．中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南株洲412002;

2．無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (南昌航空大學(xué))，南昌330063)

0 引言

葉輪一般是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上高速旋轉(zhuǎn)的部件，工作時(shí)葉輪上葉片間的通道是擴(kuò)張形的，在有空氣流過時(shí)，會(huì)對(duì)空氣做功，進(jìn)而增大空氣的流速以提高壓力;閉式葉輪葉片的表面大多數(shù)為自由曲面，扭曲程度大且通道狹小，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、核島反應(yīng)堆循環(huán)冷卻主泵等閉式葉輪的葉片，因此其加工精度一般要求為0．05～0．10 mm，表面粗糙度為 Ra 0．3～0．5 μm，葉片最薄處為 1～2 mm，對(duì)每個(gè)葉片的要求一致。葉輪材料多采用奧氏體不銹鋼，小型發(fā)動(dòng)機(jī)的閉式葉輪采用高溫合金鑄造制成。閉式葉輪結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］。由于封閉式離心葉輪的葉型封閉、長且彎曲，型腔開口尺寸小等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用熒光滲透檢測(cè)時(shí)內(nèi)腔流道面可達(dá)性差，內(nèi)流道面的清理、清洗和觀察評(píng)定均存在困難。本研究采用熒光檢測(cè)線、帶UV光源的柔性紫外線視頻內(nèi)窺鏡及相關(guān)輔助裝置(含清洗、測(cè)量等)，按熒光檢測(cè)規(guī)范要求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠穩(wěn)定的檢查。

圖1 閉式葉輪結(jié)構(gòu)示意圖［1］Fig．1 Schematic diagram of structure ofenclosed impeller

1 熒光滲透檢測(cè)分析

熒光滲透檢測(cè)是將液體滲透劑施加于零件表面上，在毛細(xì)現(xiàn)象的作用下，滲透劑可以滲入到零件表面開口的缺陷中，經(jīng)過適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r(shí)間后去除附著于零件表面上的多余滲透劑，經(jīng)干燥處理后，再在零件表面施加一層薄且均勻的顯像劑，則已滲入開口缺陷內(nèi)的滲透劑借助顯像劑毛細(xì)現(xiàn)象的作用被重新吸附到零件表面，在黑光燈下形成可見的熒光顯示，從而檢測(cè)出缺陷的形貌及分布狀態(tài)。熒光滲透檢測(cè)主要檢測(cè)非多孔性材料和零件表面開口缺陷，是無損檢測(cè)中常規(guī)的一種檢測(cè)方法。

熒光滲透檢測(cè)操作快速、簡(jiǎn)便，一次即可檢出各方向的缺陷。具有較高的檢測(cè)靈敏度，可清晰地顯示長約 1 mm、寬 0．5 μm、深 10 μm 的表面裂紋，尤其適用于檢測(cè)各種非多孔性材料表面的開口缺陷，如裂紋、氣孔、冷隔和疏松等。因此，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制和生產(chǎn)中廣泛使用熒光滲透檢測(cè)檢查鑄件表面缺陷，能夠有效發(fā)現(xiàn)鑄造高溫合金表面夾渣、疏松、裂紋等缺陷［2－13］。根據(jù)鑄件檢測(cè)要求(GJB2367A)，閉式葉輪滲透檢測(cè)采用靈敏度最高的后乳化熒光滲透檢測(cè)，滲透液的施加方法一般為液浸法，檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 閉式葉輪熒光滲透檢測(cè)流程Fig．2 Flow chart offluorescence penetration inspection for enclosed impeller

研究采用液浸法實(shí)施鑄造高溫合金閉式葉輪檢測(cè)，檢測(cè)工藝如表1所示。后乳化滲透劑為Ardrox9814，乳化劑為 Ardrox9881。

閉式葉輪液浸法檢測(cè)中容易造成滲透液淤積腔體內(nèi)，帶來清洗困難，對(duì)清洗工藝要求較高［5-6，14-15］;同時(shí)，由于內(nèi)型面復(fù)雜，用帶 UV 光源的柔性紫外線視頻內(nèi)窺鏡觀察存在缺陷觀察和尺寸測(cè)量的困難［4］。針對(duì)以上2個(gè)難點(diǎn)，需要對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行必要的改進(jìn)。

2 檢測(cè)方法改進(jìn)

針對(duì)液浸法容易造成滲透液淤積腔體內(nèi)，帶來清洗困難問題，制作補(bǔ)充水洗專用工裝，如圖3a所示。采用熒光檢測(cè)常用的塑料軟管(可避免對(duì)流道面產(chǎn)生碰劃傷問題)連接終水洗水槍，保證水洗壓力為0．2 MPa，將出水口進(jìn)行堵塞，出口端進(jìn)行環(huán)形走向的打孔(孔直徑為1 mm，打孔長度為50 mm，30°均布)，以保證流道面各方向均勻清洗(圖3b)。

表1 熒光滲透檢測(cè)工藝Table 1 Process parameters of fluorescence penetration inspection

圖3 補(bǔ)充水洗專用工裝Fig．3 Special supplementary cleaning tooling

通過增加流道面補(bǔ)充水洗工藝，并進(jìn)行后續(xù)的熒光滲透檢測(cè)工藝后，使離心葉輪整體和流道面較強(qiáng)的熒光背景顯示得到了很好地控制，補(bǔ)充水洗后熒光顯示如圖4所示。

圖4 流道面補(bǔ)充水洗后熒光顯示Fig．4 Fluorescent display of flow passage surface after supplementary cleaning

在離心葉輪熒光滲透檢測(cè)試驗(yàn)過程中，將5個(gè)試塊放置到型腔內(nèi)部，經(jīng)過補(bǔ)充清洗后，滲透顯示出5個(gè)點(diǎn)，屬于4級(jí)靈敏度，保證了系統(tǒng)靈敏度達(dá)到工藝檢測(cè)要求。

針對(duì)UV光源的柔性紫外線視頻內(nèi)窺鏡觀察存在缺陷觀察和尺寸測(cè)量難題，研究?jī)?nèi)窺鏡雙目測(cè)量時(shí)，內(nèi)窺鏡與缺陷平面法線夾角對(duì)尺寸測(cè)量的影響。內(nèi)窺鏡與缺陷平面法線夾角分別為10°、20°和45°時(shí)，測(cè)量寬度為 2．93 mm 的符號(hào)“》”，測(cè)量結(jié)果如表2、圖5。由表2、圖5可知，隨著測(cè)量夾角的增大，測(cè)量誤差增大，內(nèi)窺鏡與缺陷平面法線夾角為45°時(shí)誤差率可達(dá)38．1%。因此，在測(cè)量缺陷平面的法線與內(nèi)窺鏡鏡頭平面法線夾角應(yīng)該≤20°，可使誤差較小，測(cè)量精度滿足±0．2mm要求。

表2 內(nèi)窺鏡測(cè)量角度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響Table 2 Influence of endoscopic measurement angle on measurement results

圖5 內(nèi)窺鏡位置對(duì)缺陷尺寸測(cè)量的影響Fig．5 Influence of endoscope position on defect dimensional measurement

3 實(shí)際鑄件檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)過熒光滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，有效顯示的鑄造閉式葉輪的零件解剖外觀如圖6所示。熒光顯示主要集中在流道面的轉(zhuǎn)接R處(圖7)，主要呈現(xiàn)片狀分布，少數(shù)有線狀顯示。

圖6 鑄造閉式葉輪外觀Fig．6 Appearance of casting enclosed impeller

選擇線狀熒光顯示(編號(hào)為3#)，如圖8所示，進(jìn)行雙目測(cè)量和鋼皮尺測(cè)量。雙目測(cè)量值為5．68 mm，鋼皮尺量值為 5．50 mm，測(cè)量誤差為 0．18 mm。金相解剖結(jié)果見圖 9，熒光顯示為鑄造疏松。

圖7 葉輪熒光顯示Fig．7 Fluorescent display of enclosed impeller

圖8 缺陷3#雙目?jī)?nèi)窺鏡觀察及對(duì)應(yīng)的宏觀缺陷Fig．8 Binocular endoscopic inspection results and corresponding defects 3#

選擇片狀熒光顯示(編號(hào)為5#)，如圖10所示，進(jìn)行雙目測(cè)量和解剖測(cè)量。雙目測(cè)量長度為5．11 mm，解剖測(cè)量結(jié)果為 5．00 mm，測(cè)量誤差為0．11 mm。金相解剖結(jié)果如圖11所示。

圖9 缺陷3#顯示對(duì)應(yīng)的金相解剖照片F(xiàn)ig．9 Metallographic anatomic photographs for defect 3#displays

圖10 缺陷5#雙目?jī)?nèi)窺鏡觀察及對(duì)應(yīng)的宏觀缺陷Fig．10 Binocular endoscopic inspection results and corresponding defects 5#

圖11 缺陷5#顯示對(duì)應(yīng)的金相解剖照片F(xiàn)ig．11 Metallographic anatomic photographs for defect 5#displays

在閉式葉輪上(圖7)發(fā)現(xiàn)18處熒光有效顯示，解剖結(jié)果均為疏松(枝晶間疏松)。

4 結(jié)論

1)在鑄造閉式葉輪液浸法熒光滲透檢測(cè)中，通過改進(jìn)補(bǔ)充清洗工裝，能夠有效降低背景顯示。

2)利用帶UV光源的柔性紫外線視頻內(nèi)窺鏡能夠較好觀察存在的熒光顯示。

3)內(nèi)窺鏡雙目測(cè)量中，在內(nèi)窺鏡軸向與顯示平面法線夾角＜20°條件下，熒光尺寸顯示的測(cè)量誤差在±0．2 mm，研究結(jié)果具有較好的實(shí)用價(jià)值。