，，，，

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；3.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

由于鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐熱腐蝕、穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要承力部件的重要應(yīng)用材料[1-3]。

鑄造鈦合金中介機(jī)匣屬于大型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件，受力狀態(tài)復(fù)雜，可為發(fā)動(dòng)機(jī)提供結(jié)構(gòu)支撐[4]。同時(shí)，為了控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，非承力部位采取大面積薄壁結(jié)構(gòu)。中介機(jī)匣復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體精密鑄造技術(shù)難度較大,在鑄造過程中，鈦合金活性高、熔模及型芯表面不連續(xù)、型芯脫落等會(huì)在機(jī)匣表面形成微孔洞、裂紋、夾渣等缺陷[5]。

滲透檢測(cè)技術(shù)是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)，用于檢測(cè)非疏孔性金屬和非金屬試件表面開口缺陷的無損檢測(cè)方法[6]；是檢測(cè)鑄件表面缺陷最有效、且靈敏度很高的方法之一，能直觀顯示缺陷的表面輪廓與位置。

對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)匣鑄件，表面缺陷的檢測(cè)范圍與可靠性同樣受限于其多環(huán)、多空心、多凸臺(tái)等結(jié)構(gòu)特征。

滲透檢測(cè)時(shí)，靜電噴涂法的使用可防止?jié)B透液在機(jī)匣復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位的淤積，減少清洗過程的反復(fù)操作，降低過清洗風(fēng)險(xiǎn)。檢測(cè)中結(jié)合黑光光源,使用工業(yè)內(nèi)窺鏡可以拓寬滲透檢測(cè)過程中人眼目視可達(dá)的區(qū)域范圍，減少檢測(cè)盲區(qū)。

筆者對(duì)靜電噴涂法和內(nèi)窺鏡在滲透檢測(cè)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)匣鑄件中的適用性及可靠性進(jìn)行了研究。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

選取直徑為1 400 mm的某民機(jī)大型復(fù)雜鈦合金ZTC4機(jī)匣局部解剖件為樣件，在典型位置預(yù)制人工缺陷后采用滲透檢測(cè)方法處理。

在施加滲透液階段，對(duì)靜電噴涂方法在內(nèi)腔等部位的可達(dá)性進(jìn)行驗(yàn)證；在檢驗(yàn)階段，將正常黑光燈目視觀察結(jié)果與帶紫外光源的工業(yè)內(nèi)窺鏡觀察結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從而研究靜電噴涂法和工業(yè)內(nèi)窺鏡在民機(jī)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)匣滲透檢測(cè)檢驗(yàn)過程中的適用性。

1.1 人工缺陷制作

為了研究滲透檢測(cè)工藝的適用性及對(duì)特定部位缺陷的檢出能力，在包含兩個(gè)支板的剖切件上，選擇轉(zhuǎn)角區(qū)、內(nèi)腔表面、耳片背后等鑄造中易產(chǎn)生缺陷或目視不可達(dá)的位置制造補(bǔ)焊焊接缺陷，這些位置的照片如圖1～3所示。

圖1 轉(zhuǎn)角區(qū)照片

圖2 耳片背后照片

圖3 支板內(nèi)腔表面照片

缺陷制作完成后，進(jìn)行表面吹砂及堿洗處理，去除焊接殘?jiān)瓤赡苡绊憹B透液進(jìn)入缺陷的污物，使機(jī)匣剖切件表面狀態(tài)符合滲透檢測(cè)要求。

1.2 浸漬法滲透檢測(cè)試驗(yàn)方法

將前期試驗(yàn)研究結(jié)果、試樣表面狀態(tài)、預(yù)期檢出缺陷等因素綜合考慮，選擇滲透檢測(cè)Ⅰ類A法三級(jí)，高靈敏度水洗法，滲透液型號(hào)為ZL67。對(duì)含有預(yù)制缺陷的剖切件進(jìn)行浸漬法滲透檢測(cè)工藝試驗(yàn)，滲透材料與主要工藝參數(shù)見表1。

表1 浸漬法試驗(yàn)參數(shù)

試件整體浸漬10 min，所有表面可完全覆蓋滲透液，在滴落過程中翻動(dòng)零件，使支板等腔體內(nèi)的多余滲透液減少淤積。

1.3 靜電噴涂法滲透檢測(cè)試驗(yàn)方法

選用相同靈敏度級(jí)別的滲透液，利用Ardrox EG4A靜電噴涂系統(tǒng)在機(jī)匣表面施加滲透液，驗(yàn)證復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位的滲透液的可達(dá)性。靜電噴涂法試驗(yàn)參數(shù)見表2，靜電噴涂系統(tǒng)調(diào)控面板外觀見圖4。在設(shè)備廠商推薦及試驗(yàn)驗(yàn)證下，系統(tǒng)電壓設(shè)為10 kV，噴槍壓力約0.25 MPa。

為了驗(yàn)證靜電噴涂法中滲透液在支板內(nèi)腔擋板背部、耳片背部等位置的可達(dá)性和靜電吸附性，噴涂前將位于內(nèi)涵流道內(nèi)壁的支板工藝孔用紙膠帶密封(見圖5)，模擬盲孔狀態(tài)。將剖切件置于工作轉(zhuǎn)臺(tái)后開始噴涂，并在黑光燈下檢查噴涂效果，對(duì)支板內(nèi)腔進(jìn)行補(bǔ)充噴涂，直到滲透液在零件表面形成均勻薄膜。

表2 靜電噴涂法試驗(yàn)參數(shù)

圖4 Ardrox EG4A靜電噴涂系統(tǒng)調(diào)控面板外觀

圖5 噴涂前密封的工藝孔

1.4 內(nèi)窺鏡檢驗(yàn)觀察

對(duì)支板內(nèi)腔較深處、耳片后等目視不可達(dá)位置的缺陷，需要用內(nèi)窺鏡或檢修鏡輔助觀察。為了驗(yàn)證內(nèi)窺鏡對(duì)中介機(jī)匣缺陷檢驗(yàn)的可靠性，使用內(nèi)窺鏡觀察試驗(yàn)中目視可見區(qū)域出現(xiàn)的典型顯示(見圖6，7)。由此可知，裂紋缺陷在內(nèi)窺鏡下可清晰顯示，但由于光照度、探頭分辨率等多種原因，內(nèi)窺鏡顯示的亮度、清晰度均低于直觀觀察的。

圖6 支板內(nèi)腔位置內(nèi)窺鏡顯示與直接觀察結(jié)果

圖7 耳片位置裂紋內(nèi)窺鏡顯示與直接觀察結(jié)果

國(guó)內(nèi)外滲透檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及部分航空公司程序文件等均對(duì)內(nèi)窺鏡檢驗(yàn)時(shí)的光照度有要求。一般要求檢驗(yàn)臺(tái)距黑光燈濾光片380 mm或者待檢表面的黑光輻射照度應(yīng)不低于1 000 μW·cm-2，環(huán)境白光不超過20 lx。內(nèi)窺鏡在實(shí)際測(cè)量?jī)?nèi)腔時(shí)，腔體尺寸一般較小，因此探頭距待測(cè)表面近，不會(huì)達(dá)到380 mm。采用數(shù)字式黑白光照度計(jì)測(cè)量了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的4種探頭在不同測(cè)量距離上的黑白光輻照度，并分析數(shù)據(jù)變化特征對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 浸漬法試驗(yàn)結(jié)果

按照表1的工藝流程完成顯像工序后，在黑光燈下觀察，隨件PSM-5試塊4點(diǎn)顯示清晰，吹砂面背景良好，試驗(yàn)過程工藝可靠，零件背景呈藍(lán)紫色，無多余熒光點(diǎn)顯示。在圖1～3的預(yù)制缺陷典型位置均有明顯的熒光顯示(見圖8～10)。

圖8 轉(zhuǎn)角區(qū)缺陷顯示(浸漬法)

圖9 耳片背后缺陷顯示(浸漬法)

圖10 支板內(nèi)腔缺陷顯示(浸漬法)

2.2 靜電噴涂法試驗(yàn)結(jié)果

靜電噴涂結(jié)束后使用檢修鏡對(duì)內(nèi)腔正面和耳片后等位置進(jìn)行觀察，這些位置均完整涂覆(見圖11)。將內(nèi)涵流道內(nèi)壁的紙膠帶取下觀察，兩個(gè)支板內(nèi)部擋板結(jié)構(gòu)的背面均被滲透液均勻覆蓋，且無淤積(見圖12)。靜電噴涂滲透液的可達(dá)性與吸附性良好。

圖11 耳片背后覆蓋照片

圖12 支板內(nèi)擋板背后覆蓋照片

在滴落15 min后，按照表2中的參數(shù)進(jìn)行工藝操作。手工補(bǔ)充清洗時(shí)間大約為10 min，為浸漬法手工清洗時(shí)間的一半。顯像結(jié)束后在黑光燈下觀察，零件背景良好，無多余熒光顯示，相應(yīng)位置缺陷顯示結(jié)果(見圖13～15)與浸漬法的顯示結(jié)果一致。

圖13 轉(zhuǎn)角區(qū)缺陷顯示(靜電噴涂法)

圖14 耳片背后缺陷顯示(靜電噴涂法)

圖15 支板內(nèi)腔缺陷顯示(靜電噴涂法)

由試驗(yàn)結(jié)果可得，靜電噴涂法可使?jié)B透液覆蓋機(jī)匣的全表面，包括擋板、耳片背后等目視不可達(dá)位置，且無多余滲透液淤積，減少了清洗時(shí)間，背景良好，缺陷顯示結(jié)果可靠。

2.3 內(nèi)窺鏡試驗(yàn)結(jié)果

不同探頭的輻照度分布如表3所示，將數(shù)據(jù)整理后制圖，可觀察到黑光輻照度隨待測(cè)表面距離變化的趨勢(shì)(見圖16)，可以看出：所有探頭的黑光輻照度都隨待測(cè)表面距離的增大而降低；同一類型探頭如前視型探頭，輻照角度小時(shí)能量集中，黑白光輻照度大，60°探頭輻照度高于120°探頭輻照度；前視60°探頭的變化趨勢(shì)最為明顯；側(cè)視型探頭變化趨勢(shì)稍緩和。以輻照度1 000 μW·cm-2為界，與各條曲線相交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)就是各個(gè)探頭滿足光照條件下的最遠(yuǎn)測(cè)量距離。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，應(yīng)根據(jù)待檢內(nèi)腔的大小選擇合適的探頭，在保證測(cè)量光照的條件下，才能得到最清晰的缺陷顯示，提高判定的準(zhǔn)確性與可靠性。

表3 不同探頭的輻照度分布

圖16 不同探頭黑光輻照度與待測(cè)表面距離的變化曲線

2.4 小結(jié)分析

對(duì)于大型中介機(jī)匣的滲透液施加，浸漬法可實(shí)現(xiàn)滲透液的全表面覆蓋，但需要大型場(chǎng)地、滲透槽、清洗槽、烘箱、噴粉柜等相應(yīng)的配套，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線檢測(cè)條件無法滿足時(shí)，一般采用手工刷涂法。經(jīng)試驗(yàn)，完整刷涂一件直徑為1 400 mm的大型機(jī)匣需要大約45 min，各部位表面實(shí)際滲透時(shí)間相差較大，檢測(cè)效率低下且滲透液浪費(fèi)嚴(yán)重。相比而言，在確認(rèn)各部位可完全覆蓋的情況下，靜電噴涂法是一種高效、節(jié)約且可靠的方法。工業(yè)內(nèi)窺鏡拓寬了人眼的可視范圍，但在滲透檢驗(yàn)過程中，需要在滿足黑光條件和內(nèi)窺鏡探頭工作距離的條件下，才能得到可靠的檢驗(yàn)結(jié)果。外接黑光光源燈泡在使用過程中輻照度不斷衰減，應(yīng)定期測(cè)試內(nèi)窺鏡光照條件是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

對(duì)于直徑為1 400 mm的大型鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)匣鑄件，靜電噴涂法可使?jié)B透液覆蓋機(jī)匣全表面，包括擋板、耳片背后等目視不可達(dá)位置，且無多余滲透液淤積，減少了清洗時(shí)間，背景良好，缺陷顯示結(jié)果可靠。大型中介機(jī)匣內(nèi)腔檢驗(yàn)時(shí)，可通過反光檢修鏡或內(nèi)窺鏡輔助觀察到耳片、擋板背后等目視不可達(dá)的位置，檢查滲透液涂覆效果及檢驗(yàn)缺陷。應(yīng)定期測(cè)量?jī)?nèi)窺鏡探頭的有效工作距離，探頭選擇時(shí)根據(jù)腔體大小及缺陷部位，在與待檢表面合適的工作距離下可以保證測(cè)量的光照條件，得到最清晰的缺陷顯示，提高缺陷判定的準(zhǔn)確性與可靠性。