表面状态对钛合金铸件荧光渗透检测结果的影响

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(1.中航工业北京航空材料研究院,航空材料检测与评价北京市重点实验室,材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095；2.北京百慕航材高科股份有限公司，北京 100094)

表面状态对钛合金铸件荧光渗透检测结果的影响

王树志1,刘广华1,王本志2,叶冠霆1,贾玉军1

(1.中航工业北京航空材料研究院,航空材料检测与评价北京市重点实验室,材料检测与评价航空科技重点实验室，北京100095；2.北京百慕航材高科股份有限公司，北京100094)

制作了钛合金疲劳裂纹试样，然后对试样进行吹砂、打磨、酸洗、真空热处理以及喷丸等以获得不同的表面状态。最后对不同状态的试样进行荧光渗透检测和扫描电镜检查，进而得出不同的表面状态对钛合金铸件表面缺陷荧光渗透检测结果的影响情况。试验结果表明：吹砂和喷丸处理较容易造成裂纹缺陷堵塞且喷丸造成的裂纹堵塞尤为严重，影响缺陷的检出；打磨和真空热处理不会造成明显的缺陷开口的堵塞；而酸洗处理会充分暴露缺陷，利于缺陷的检出。

钛合金；吹砂；打磨；喷丸；渗透检测

钛合金因具有密度低(如Ti-6A1-4V钛合金密度为4.5 g·cm-3，是低碳钢的57%)、比强度高、耐蚀性好、弹性模量低、导热系数小、屈强比高(成形回弹大)、无毒无磁性、耐热性好、抗低温脆性好、可焊接、生物相容性好、表面活性大、表面可装饰性强等特性而被广泛应用于多个工业领域[1-3]。

钛合金铸造毛坯件在进行荧光渗透检测之前一般采用吹砂方式或者吹砂和酸洗方式以去除零件表面氧化皮、油污、涂料等影响荧光渗透检测的表面附着物，同时使零件表面更为均匀以形成较好的荧光背景显示[4-6]。在荧光渗透检测过程中所发现的超标缺陷在其余量范围内可以通过打磨方式去除，且打磨后的非关键件还可以通过补焊方式修复，修复后的零件要经过热处理。为了提高最终成型零件的疲劳寿命，在一些受力关键区域要进行喷丸强化。然而,吹砂、打磨处理、酸洗、热处理以及喷丸会对钛合金铸件冶金缺陷的荧光渗透检测灵敏度产生影响[7-12]，笔者将通过对预制裂纹缺陷试样进行不同方式的表面处理，比对其荧光渗透检测结果，并辅以微观检查得出不同表面处理工艺对荧光渗透检测的影响情况，以为钛合金铸件的荧光渗透检测工序安排以及质量的控制提供有效的数据支撑，同时为荧光渗透检测标准的制定提出参考依据。

1 试验材料和方法

试验采用ZTC4铸造钛合金材料，铸造成平板试样，然后机加工为如图1所示的疲劳试样，在图1所示的位置制作出疲劳裂纹。共制作裂纹试样5个，编号分别为1号，2号，3号，6号，7号。针对5个试样制定试验流程，如图2所示。

图1 表面裂纹试样制作示例(方形试样)

图2 各个试样对应的试验流程

采用二级灵敏度水洗型荧光渗透液对每个试样的试验流程中的各个工序状态进行检测，渗透时间30 min，烘干时间15 min，干粉显像，显像时间30 min。同时对每个试样的试验流程中的各个工序状态进行微观检测，记录缺陷照片。最后汇总所有试验数据并进行比对分析。

2 试验结果

5个机加工表面状态试样的荧光渗透检测结果如图3所示，可见每个试样上各发现1条裂纹荧光痕迹显示，裂纹荧光痕迹显示呈连续线性，但从宏观上看裂纹显示宽窄不一且弯弯曲曲。采用扫描电镜方法对5个试样裂纹处进行微观观察，结果如图4所示。由图4可见：试样上裂纹大部分已经开口于表面，但仍有部分位置未开口，因此整个裂纹为断续分布状态，而且呈弯曲分布，裂纹的最大宽度约8 μm，最小宽度约为2 μm。

图3 机加工表面试样荧光渗透检测结果

图4 机加工表面试样裂纹微观照片

图5 吹砂表面1,2号试样荧光渗透检测结果

图6 吹砂表面1,2号试样缺陷处的微观形貌

图7 吹砂2号试样超声波清洗后荧光渗透检测结果

对1号和2号试样进行吹砂后再进行荧光渗透检测，结果如图5所示。由图5可见,裂纹显示变为断续线性荧光痕迹显示，整条裂纹大部分未出现荧光痕迹显示,而另一条裂纹未出现荧光痕迹显示；观察其微观形貌如图6所示，可见大部分裂纹被掩盖。对吹砂状态的2号试样进行超声波清洗后再实施荧光渗透检测，结果如图7所示。由图7可见,2号试样缺陷处裂纹荧光痕迹显示较图5所示的荧光痕迹显示，亮度未见明显增加，返渗显像也不太明显；这说明吹砂后缺陷仍然未暴露于表面，采用超声波清洗并不能改变吹砂造成的裂纹处塑性变形的堵塞。

对1号试样裂纹处进行打磨后再到黑光下观察，结果如图8所示。由图8可见，1号试样裂纹处经打磨后出现了荧光痕迹显示，但荧光痕迹显示的亮度较低且渗透液的返渗不明显，其微观形貌如图9所示。由图9可见，之前吹砂堵塞的裂纹经打磨后又重新暴露于表面。对机加表面3号试样上裂纹荧光痕迹显示进行打磨(打磨深度为0.5 mm)后再到黑光下观察，结果如图10所示。由图10可见：裂纹荧光痕迹显示未发生明显变化，但荧光渗透液的返渗有所减弱，线性显示的宽度有所减小。对该试样缺陷处进行微观检查，其微观形貌如图11所示。由图11可见，裂纹经打磨后开口依然暴露于表面，除局部裂纹开口处出现钛合金毛刺、金属屑和塑性变形以外，未发现明显的开口堵塞情况，但宽度由原来的5 μm缩小至2 μm左右；这说明打磨对缺陷的检出虽有影响但影响的程度并不大。

图8 吹砂后1号试样缺陷处经打磨后的荧光渗透检测结果

图9 吹砂后1号试样缺陷处经打磨后的缺陷微观形貌

图10 机加状态3号试样缺陷处经打磨后的荧光渗透检测结果

图11 机加状态3号试样缺陷处经打磨后的缺陷微观形貌

对吹砂打磨后1号试样和吹砂状态下的2号试样进行酸洗，酸洗去除量为10 μm，然后进行荧光渗透检测，检测结果如图12所示。由图12可见：经过酸洗后，试样的缺陷荧光痕迹显示非常清晰明显，特别是吹砂状态下堵塞的裂纹经酸洗后充分暴露于表面。对酸洗后缺陷处进行微观观察，结果如图13所示，从图中可看到清晰的裂纹形貌。

图12 经酸洗后1,2号试样荧光渗透检测结果

图13 经酸洗后1,2号试样缺陷处的微观形貌

对7号试样进行真空热处理后再进行荧光渗透检测，结果如图14所示，可见经真空热处理后缺陷荧光痕迹显示并无明显变化。对缺陷位置进行微观观察，结果如图15所示，可见缺陷微观形貌与热处理之前相比并无明显变化。

图14 经真空热处理后7号试样荧光渗透检测结果

图15 经真空热处理后7号试样缺陷处的微观形貌

对6号试样进行喷丸后再进行荧光渗透检测，结果如图16所示，可见经喷丸后缺陷荧光痕迹显示基本消失不见。对缺陷位置进行微观观察，结果如图17所示。由图17可见，缺陷微观形貌与喷丸之前相比除仍存在部分裂纹痕迹以外，已基本看不到明显的裂纹开口；由此说明其已经被堵塞，这与渗透检测结果是一致的。

图16 经喷丸后6号试样荧光渗透检测结果

图17 经喷丸后6号试样缺陷处的微观形貌

3 分析和讨论

由图3可知，疲劳裂纹缺陷荧光显示特征为线性显示，从荧光痕迹显示很容易判断出缺陷为裂纹显示。由图4所示疲劳裂纹的微观形貌可知，裂纹并不是完全开口于表面，而是断续分布的，而其荧光痕迹显示则为连续的线性显示;可见荧光痕迹显示对缺陷的放大作用使得这种微观的不连续性完全被掩盖，进而形成荧光痕迹显示，即宏观的痕迹显示。

由图5和图6可知，试样表面经过吹砂后其缺陷很容易被堵塞，极易造成缺陷的荧光痕迹显示变弱或者漏检。而由图7可知吹砂表面经过超声波清洗后并无明显促进暴露的趋势，而吹砂是一种塑性变形，超声波清洗只能清洗掉粘附在表面的附着物。

由图8～11可知，打磨后,之前被吹砂处理堵塞的缺陷较容易暴露于表面，然而打磨后缺陷虽然暴露于表面，但由于之前吹砂造成的堵塞严重而使得渗入到缺陷中的荧光渗透液的体积大幅减小，即便打磨后缺陷开口暴露但其渗透液返渗量却依然较少，进而造成荧光痕迹显示亮度较低和返渗不明显等情况，甚至会有完全漏检的情况；这就需要对打磨后的区域重新进行荧光渗透检测，使荧光渗透液充分渗入缺陷中去，提高检测质量。

由图12和图13可知，酸洗能够充分暴露缺陷，利于缺陷的检出。而由图14和图15可知，真空热处理对缺陷荧光渗透检测并无明显影响。但由图16和图17可知，喷丸会完全堵塞缺陷，其较吹砂更易堵塞缺陷，因此对于钛合金铸件，无论在何种情况下，不允许在喷丸后进行荧光渗透检测，或者喷丸后的荧光渗透检测不能作为表面缺陷控制的有效手段。

4 结论

(1) 吹砂和喷丸尤其是喷丸,极易造成钛合金铸件缺陷的堵塞，进而造成荧光渗透检测的漏检。

(2) 钛合金铸件上的缺陷荧光显示经打磨后应该重新进行荧光渗透检测。

(3) 钛合金零件上的疲劳裂纹荧光显示呈线性分布，但其微观形貌则呈断续分布，荧光渗透检测法可发现宽度为1 μm以上的裂纹缺陷。

(4) 真空热处理对缺陷的荧光渗透检测无明显影响。酸洗可充分暴露缺陷，利于荧光渗透检测。

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InfluenceofDifferentSurfaceStatesonFluorescentPenetrantInspectionofTitaniumAlloyCasting

WANGShuzhi1,LIUGuanghua1,WANGBenzhi2,YEGuanting1,JIAYujun1

(1.AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,AVICBeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China；2.BiamtecMaterialCo.,Ltd.,Beijing100094,China)

The fluorescent penetrant inspecting contrastive experimentation is performed on titanium alloy fatigue crack samples of different surface states as treated by the blowing sand, burnish, chemical etching, vacuum heat treatment, shot peening and so on. And the defect areas are inspected by scanning electron microscope，then the result is finally got. The results indicate that the cracks will be easily jammed by blowing sand and especially shot peening resulting in defects undetected. The defects will not obviously be jammed by burnish and vacuum heat treatment. Moreover defects will be exposed richly and shall be easy for the inspection after chemical etching treatment.

titanium alloy; blowing sand; burnish; shot peening; fluorescent penetrant inspecting

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0054-05

2016-11-16

王树志(1980-)，男，主要从事磁粉、渗透等表面无损检测方面的研究

王树志，wsz_000411@qq.com

10.11973/wsjc201710012