DD5單晶合金葉片熒光滲透檢測缺陷評價

葛子亮，王樹志，葉冠霆，張 儉

（中航工業(yè)北京航空材料研究院 航空材料檢測與評價北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100095）

單晶高溫合金在航空發(fā)動機(jī)、航天發(fā)動機(jī)和燃?xì)鉁u輪機(jī)熱端部件中廣泛應(yīng)用，由于它消除了所有晶界從而去除了多數(shù)可能的裂紋源，因此具有持久壽命、蠕變速率低和良好的抗熱疲勞性能［1－3］。在單晶高溫合金鑄件凝固過程中，如合金成分、工藝條件及參數(shù)不合理等均可造成夾雜、疏松、氣孔和裂紋等缺陷的產(chǎn)生［4－5］。這些缺陷的存在將會造成零件的提前失效，因此需要對單晶高溫合金零件進(jìn)行無損檢測以保證零件質(zhì)量。而熒光滲透檢測則是保證單晶高溫合金鑄件表面質(zhì)量的最為重要的無損檢測方法。其原理是帶有熒光染料的滲透劑通過毛細(xì)作用滲入到開口于零件表面的缺陷中，去除表面多余的滲透劑而使缺陷中的滲透劑得以保留，最后經(jīng)過顯像工序?qū)⑷毕葜械臐B透劑返滲出零件表面，因此零件表面的缺陷則在黑光燈下顯現(xiàn)出發(fā)熒光，缺陷得以檢出［6－7］。

筆者針對DD5單晶高溫合金葉片在進(jìn)行熒光滲透檢測過程中除了發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔和疏松等常規(guī)缺陷，還發(fā)現(xiàn)了大面積彌散的點(diǎn)狀熒光顯示缺陷。針對該類現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并結(jié)合制作人工缺陷試樣和微觀分析等手段確認(rèn)了缺陷的性質(zhì)以及熒光滲透檢測的靈敏度情況，為單晶高溫合金航空葉片等關(guān)鍵件的質(zhì)量控制和發(fā)動機(jī)的安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持和保障。

1 試驗材料與方法

試驗材料選用DD5單晶高溫合金，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為7%Cr，7.5%Co，5.0%W，6.2%A1，6.5%Ta，1.5%Mo，3.0%Re，0.15%Hf，0.05%CNi，其余為鎳。鑄造出渦輪導(dǎo)向葉片及工作葉片零件，然后按照工藝流程對其進(jìn)行熒光滲透檢測。另外鑄造出尺寸為100mm×28mm×12mm的試塊，從試塊上取樣制作出尺寸為70mm×28mm×6mm的小試塊，采用超快激光加工技術(shù)在試塊上制作出不同直徑和深度陣列分布的人工盲孔缺陷。如圖1所示為人工盲孔缺陷試塊上不同直徑和深度缺陷的排列情況。然后對人工缺陷試塊進(jìn)行滲透檢測，分析不同尺寸盲孔缺陷的熒光顯示靈敏度情況。測量出熒光顯示的尺寸，然后使用掃描電鏡測出人工缺陷的直徑作為實(shí)際的缺陷直徑尺寸。最后連同缺陷深度參數(shù)一起分析缺陷尺寸與熒光顯示的相關(guān)性。

圖1 試塊缺陷排列情況

2 試驗結(jié)果與分析

使用三級靈敏度乳化滲透劑對葉片進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖2所示。可見葉片表面存在大面積的彌散的點(diǎn)狀顯示。熒光顯示的缺陷直徑基本上在0.3～0.5mm之間，擦拭后返滲不明顯，與氣孔或疏松顯示特點(diǎn)不同。為了驗證缺陷的性質(zhì)，使用掃描電鏡對葉片上有顯示部位進(jìn)行檢查，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)葉片表面有較多坑洞，直徑在15～50μm之間，坑的底部可見其沿著枝晶間的腐蝕痕跡，可以說明該類熒光顯示是腐蝕造成的。單晶高溫合金葉片在鑄造完成后為了查看其鑄造表面的完整性需要對所有葉片進(jìn)行腐蝕處理，而腐蝕工藝又不可避免地在葉片表面腐蝕出腐蝕坑，由于材料的均勻性其腐蝕坑的分布也較為均勻的分布于零件各個部位，造成了大面積彌散的點(diǎn)狀熒光顯示。

圖2 DD5單晶合金葉片熒光滲透檢測結(jié)果

圖3 彌散點(diǎn)狀熒光顯示區(qū)域掃描電鏡圖片

由于DD5單晶高溫合金葉片上的腐蝕坑熒光顯示成均勻的彌散分布，與疏松和氣孔缺陷混在一起給滲透檢測結(jié)果的評判帶來了困難。需要開展腐蝕坑熒光顯示的特點(diǎn)分析，因此需要由點(diǎn)狀顯示擦拭后返滲不明顯以及判斷實(shí)際缺陷的尺寸等方法來對腐蝕坑進(jìn)行分辨?？梢酝ㄟ^制作人工盲孔缺陷來模擬腐蝕坑，其檢測靈敏度對腐蝕坑的滲透檢測靈敏度確定具有一定的代表性。如圖4所示為采用三級靈敏度滲透劑對人工盲孔缺陷試塊進(jìn)行滲透檢測的結(jié)果。而圖5則為使用丙酮擦拭后的熒光顯示情況。

圖4 人工缺陷試塊滲透檢測結(jié)果

如圖4所示，由于試塊表面為磨削加工狀態(tài)，表面存在磨削溝痕滲透液返滲后順著溝痕流淌，因此不同直徑大小的顯示均連成了線狀。

圖5 使用丙酮擦拭后人工缺陷試塊的熒光顯示

由圖4人工缺陷試塊熒光滲透檢測結(jié)果可知，部分淺而寬的盲孔沒有熒光顯示且呈三角形聚集，如圖6所示直角三角形標(biāo)注位置，可見當(dāng)深度小于0.4mm，且直徑大于0.3mm時無熒光顯示。而由圖5可知，當(dāng)對熒光顯示進(jìn)行擦拭后發(fā)現(xiàn)之前無熒光顯示的區(qū)域出現(xiàn)顯示，說明由于無顯示盲孔直徑較大，但無顯示盲孔內(nèi)殘存了部分滲透液，只是沒有返滲出來，因此丙酮擦拭起到了一定的顯像作用。

對試塊進(jìn)行吹砂處理使其表面狀態(tài)均勻后再進(jìn)行滲透檢測，結(jié)果如圖7所示，可見每個盲孔熒光顯示均為圓形，且沒有連成線狀。

圖6 人工缺陷試塊熒光顯示分布情況

圖7 人工缺陷試塊吹砂后滲透檢測結(jié)果

對圖7中每一直徑對應(yīng)的熒光顯示的最大值進(jìn)行測量，由表1可知，擦拭前的熒光顯示尺寸與實(shí)際缺陷尺寸比值在2～15之間，而擦拭后在1～3之間。對于實(shí)際腐蝕坑缺陷而言，熒光顯示的直徑在0.3～0.5mm之間，經(jīng)掃描電鏡觀察其實(shí)際缺陷直徑尺寸在15～50μm之間，因此放大倍數(shù)在10～20倍之間。因此可以說明缺陷尺寸越大其放大倍數(shù)越小，反之亦然。另外由于吹砂處理使得部分盲孔缺陷無熒光顯示，說明吹砂處理會造成缺陷的堵塞。

表1 擦拭前后熒光顯示與實(shí)際缺陷尺寸對比

3 結(jié)論

（1）DD5單晶葉片上大面積彌散點(diǎn)狀顯示主要是由腐蝕造成的。

（2）腐蝕坑直徑尺寸在15～50μm之間，可對其進(jìn)行擦拭后返滲不明顯以及熒光顯示的放大倍數(shù)來綜合判定。

（3）缺陷尺寸越大其熒光顯示對其放大倍數(shù)越小，反之亦然。

（4）表面狀態(tài)特別是機(jī)加刀痕對熒光顯示干擾較大，吹砂處理容易造成部分缺陷的堵塞。

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