现场金相复型技术浅析

2021-03-18肖冬飞韦中悬刘芝花

理化检验(物理分册) 2021年1期

肖冬飞,2, 王瑄,2, 韦中悬, 刘芝花,2

(1.广东省特种设备检测研究院东莞检测院, 东莞 523120；2.东莞市特种设备检测与节能技术服务中心有限公司, 东莞 523120)

随着国内社会经济的快速发展，锅炉、压力容器等承压特种设备在石油、化工、电力、燃气、供热等领域的应用越来越广泛。由于使用环境复杂，受温度、压力、介质等因素的影响，承压特种设备用材料的力学性能、安全状态、使用寿命均会随着时间的增加而变化。为保证设备的安全运行，应做好设备制造、安装、运行等各个环节的检验工作。显微组织是力学性能的评价依据，通过金相检验来分析材料显微组织成为评价设备安全状况的重要方法[1-4]。对于不允许破坏性取样的显微组织检验，只能通过现场金相检验的方法[5-11]，利用便携式金相显微镜或金相复型技术对材料的显微组织进行分析。当检验一些形状复杂、空间位置受限的部件，便携式金相显微镜无法放置使用时，利用金相复型技术进行金相检验就展现出了很好的优势[12-14]。

1 试验原理

金相复型技术也叫金相复膜或复膜金相，其是在透射电镜复型方法的基础上产生的[15-16]。检验时，不是直接观察材料本身，而是借助一种中间媒介物质所制成的材料表面的浮雕，通过对浮雕的观察，间接地了解材料表面的显微组织情况[17]。复型时，先要确定检验部位，然后对确定好的检验部位进行打磨、抛光、浸蚀以得到满足要求的检验面，之后用溶剂将已制好的复型膜片软化使其具有一定的流动性，再将复型膜片与检验面相接触，并加压使复型材料充满在检验面图像的浮雕之间，从而复印出材料的显微组织图像[18-21]。

2 试验方法及注意事项

2.1 复型材料的选择

复型材料的选择应遵循以下几个原则[22-23]：(1)复型材料应是无定型化合物且比较纯净，这样即使是在高倍成像时，也不显示其本身的任何结构细节，不会干扰对材料表面显微组织形貌的观察和分析；(2)复型材料在固化前应具有良好的流动性，能充分填充曲率半径很小的凹凸表面，把组织形貌真实、清晰地复制下来；(3)添加染色料以提高复型观察时的反差，染色料应能完全溶于溶剂且不会明显减弱溶剂的溶解能力。为使复型材料具有流动性并能与检验面紧密贴合，还需选用能快速将其溶解并易于挥发、干燥的溶剂。为了获得良好的复型材料，研究人员做了大量探索。如江子年[24]对硝化纤维素材料做了研究，研究表明以丙酮为溶剂时，硝化纤维素在丙酮中的溶解能力强，流动性好，能真实反映材料表面的显微组织，但复型干燥时间较长。葛观林[25]用彩色聚苯乙烯塑料板复型，获得了高衬度图像，但复型干燥时间需4～6 h，不适合现场快速复型。李兵[26]用有机玻璃和参有苏丹红色料的三氯甲烷在材料表面复型，获得了较好的效果，可用于电厂主蒸汽管道的现场金相检验。毛世璞等[27]指出市售有机玻璃纯度不高，含杂质多，做复型膜片会产生黑色斑点影响对显微组织的判断。李杲[28]用醋酸纤维素做复型材料，操作简便、快捷，5～10 min即可完成复型，且复型所得显微组织形貌清晰。醋酸纤维素(AC纸)+丙酮类材料因其具有现场操作方便、覆膜时间短及效率高等优点，被大量研究并广泛使用。如张晓昱等[29]使用100 mL丙酮、150 mg甲基紫和5～6 g醋酸纤维素等试剂研制了一种金相复膜材料，其制作工艺简单，复膜厚度容易控制，起膜容易。李桦等[30]将二醋酸纤维素、磷酸三苯脂和甲基紫按100…0.1～2.0…0.001～0.002的质量比溶解于300～500质量份丙酮后铺板制成覆膜纸，复型后无需镀铬就能获得较好的成像效果。谢汝良[31]介绍了一种AC纸的制作方法和技巧，其复膜操作过程简单，复型后的显微组织形貌细节清晰，反差适中，衬度较高。CB/T 3694-1995《现场金相复型检验方法》中采用7～10 g醋酸纤维素溶于100 mL的丙酮制备复型薄膜。DL/T 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》中复型材料也推荐使用醋酸纤维素薄膜。为了便于现场复型操作，一般需要将复型材料制成薄厚均匀的膜片，并裁成小片，用洁净的容器密封保存备用。如果膜片厚度不均，会使膜片各部分在溶剂中的溶化能力不同和内应力不同，导致干燥时的收缩变形也不同，从而导致复型后的显微组织形貌失真。膜片太薄，在溶化和手指按压时容易出现破损现象；膜片太厚，则膜片太硬，复型时不能与检验面完全贴合，影响显微组织的清晰、真实显示。AC纸厚度一般要求30～100 μm。膜片应裁剪成合适大小，太小则可观察和分析的区域太小，太大则不易贴平，且取下后容易卷曲，一般剪成边长为10～20 mm的小片。常用的AC纸如图1所示。

图1 AC纸示意图Fig.1 Diagram of AC paper

2.2 检验面的准备

2.2.1 确定检验部位

现场金相复型无需破坏取样，只需按要求在设备部件表面选取检验部位。检验部位应根据检验目的确定，选取的侧重点应在那些容易出现或已经出现问题的部位，选取原则为[7]：(1)在设备缺陷处取点以分析缺陷成因，如表面裂纹处[如图2a)所示]；(2)在设备温度、压力较高的部位取点以分析材料是否劣化，如锅炉高温过热器管、集箱、主蒸汽阀门等部位[如图2b),c),d)所示]；(3)在设备应力集中部位取点以了解是否存在疲劳和裂纹，如主蒸汽管弯头背弧面处[如图2e)所示]；(4)在硬度值反常部位取点以检查是否存在淬硬组织, 如硬度异常的焊缝[如图2f)所示]；(5)在设备变形较严重的部位取点以观察组织是否变化，如锅筒底部鼓包处[如图2g)所示]；(6)对于装腐蚀性介质的设备，应在腐蚀严重部位取点以检查是否有晶间腐蚀或应力腐蚀裂纹等材料劣化现象，如液化石油气罐腐蚀严重处[如图2h)所示]。

图2 现场金相复型检验常见部位示意图Fig.2 Diagram of common positions of field metallographic replica examination：a) cracks on inner surface of vacuum sterilizer; b) heating surface of high temperature superheater pipe; c) shell of steam header;d) valve body of main steam valve; e) back curved surface position of main steam pipe elbow; f) hardness abnormal position of main steam pipe weld; g) bulge position at the bottom of drum; h) seriously corroded position of liquid petroleum gas tank

承压特种设备运行过程中受温度、压力、腐蚀介质等因素影响，其组织容易劣化出现蠕变变形、裂纹等缺陷，有必要通过金相检验评估其组织状态，因此金相检验一般选在材料相对较差、运行条件相对较恶劣的部位。如TSG G 7002-2015《锅炉定期检验规则》要求对过热器、再热器集箱和集汽集箱、过热器和再热器管、锅炉范围内管道和主要连接管道及阀门等部件的显微组织进行抽检。金相复型技术操作简单、快捷，原则上可在任何需要检验的部位进行，因此获得广泛的应用。如高温过热器管的金相检验，由于过热器管管径较小，管束密集，且位于炉膛内，操作空间受限，积灰多，现场金相显微镜难以摆放固定，且受积灰影响很难观察到清晰、真实的显微组织形貌。但通过金相复型技术就能获得真实的显微组织图像。

2.2.2 检验部位的打磨、抛光

现场检验部位的打磨、抛光宜采用便携式的打磨机，如图3a)所示。先用砂轮片粗磨，将表面的油污、附着物、氧化皮等去除，露出金属基体，并打磨出硬币大小的平面作为检验面。当同时检验焊缝及热影响区时，还应把焊缝余高磨平。粗磨时应注意打磨的深度，打磨太深会损害设备部件，太浅，则无法露出部件真实组织。打磨应以去除表面锈蚀、氧化物、油污等并刚好露出金属基体为标准。

粗磨后为细磨，一般用带黏性的金相砂纸黏在打磨机上进行打磨，并选择不同粒度的砂纸从粗到细进行打磨。每更换一种砂纸，打磨方向应转动90°，以消除上一道砂纸的打磨划痕。最后进行抛光以彻底去除划痕、污染和变形层。现场金相检验多采用机械抛光，涂上金相研磨膏后使用绒布进行抛光。传统磨抛方法是通过频繁更换砂纸来处理检验面，过程繁琐、费时且效率低，传统磨抛耗材如图3b)所示。目前市面上有售特殊磨料制成的打磨头和抛光头，如图3c)所示，只需一次细磨和一次抛光就可以得到满足要求的检验面，整个过程只需1～2 min。对于不锈钢和高合金耐热钢等难以打磨、抛光的金属，采用化学抛光或电解抛光方法效果更好。如在对P91钢进行现场金相检验时，用一种化学抛光试剂进行抛光，其操作简单，制样速度快，抛光后试样表面不易产生变形层[32]。整个磨抛过程应保证检验表面为一个平面，避免出现多个面影响显微组织观察。磨抛过程中还应注意连续磨抛时间和按压力的控制。连续磨抛时间过长会使表面过热，使得组织氧化；按压力太大，会增大划痕深度，进而增加打磨深度和变形层深度。

图3 检验面磨抛工具Fig.3 Tools of grinding and polishing of examination surface:a) portable grinder; b) traditional grinding and polishing consumables; c) new grinding and polishing consumables

2.2.3 抛光面的浸蚀

浸蚀前先用经无水乙醇浸泡的棉球将表面清洗干净，避免残留的抛光物质和灰尘影响检验面的均匀蚀刻。现场化学浸蚀时，一般采用擦拭法，用浸有浸蚀剂的脱脂棉球，均匀擦拭检验面。浸蚀时间要比常规金相检验略长，以提高复型衬度，但不能过长，防止浸蚀过度。对于碳钢和低合金耐热钢，使用体积分数为4%的硝酸酒精溶液浸蚀5～15 s。对于不锈钢等难浸蚀材料，使用现场便携式的电解抛光腐蚀装置[33]，可达到良好的抛光和蚀刻效果。浸蚀后应迅速用无水乙醇清洗干净并用洗耳球吹干表面，避免浸蚀液残留导致腐蚀残渣、液渍及灰尘附着。

2.3 复型

复型前应确保检验面干净，为此，可以在检验部位放置一个防尘隔离箱[34]，以避免周围积灰反复掉落的干扰。复型前还需使用乙醇进行清洁并用洗耳球吹干。复型时先在检验面或复型膜片上均匀滴加适量溶剂，并将复型膜片迅速平整地覆盖在检验面上，2～3 s后再用洁净手指轻压膜片使其与检验面紧密贴合，同时将多余的溶剂以及复型里的气泡挤出。注意不要用力过大，否则膜片容易变形过大甚至破损。复型干燥后用镊子夹住复型材料的一角揭起，使之与检验面分离得到金相复型片。揭起过程用力应均匀，且一气呵成，避免停顿使膜片形成折痕。为了便于膜片揭起，复型时可以留一角弯曲，使其不与金属表面黏合。为防止金相复型片变形、污染，可以将其包在镜头纸或夹在干净纸本间，还可以使用特定的复膜样本夹存放[35]。自带黏胶层的醋酸乙烯脂-乙烯醇共聚物复型膜片如图4所示[36-37]，复型后揭下可直接平整地贴在载玻片上，不仅能保护金相复型片，还能提高工作效率。复型时应做好详细记录，任何与复型有关的现场过程和现象都应记录下来，如检验部位名称及编号、打磨及浸蚀程度、几次复型情况、金相复型片唯一性标识等。

图4 带黏胶层的复型膜片Fig.4 Replica diaphragm with adhesive layer

2.4 显微组织观察

金相复型片可以在现场便携式金相显微镜下观察，也可以带回试验室在台式金相显微镜下观察。观察时，复型片应展平，为此，可以把复型片黏贴在玻璃片上，也可以用压平器压到白色橡皮泥上，还可以用辅助观察装置来实现快速、有效的观察[38-39]。观察时，可将金相复型片喷碳、铬、金等材料后再观察，以增大衬度。

2.5 复型过程注意事项

在复型过程中还应注意以下几点[14,21]。

(1) 溶剂滴加要适量。溶剂太少，复型材料不能完全贴合于金属表面，致使金相复型片不平整，无法将显微组织形貌完全复制下来；溶剂太多，会使复型材料溶解过度而损坏，溶剂流淌到附近待贴复型材料处，或在按压膜片时黏连手指，导致复型效果不好，得不到真实的显微组织形貌。

(2) 贴上复型材料后，干燥时间要合适。干燥时间应视环境温度及所用的复型材料而定。如室温下AC纸10 min左右可干透。如果在未干之前揭膜，会把部分复型材料留在材料检测面，观察金相复型片时将看到一个个亮点，照片上则表现为黑色斑点，而不是真实的金属材料显微组织形貌;干燥时间过长，复型片可能会自动从金属材料表面脱落，致使复型片被污染或丢失，导致复型失败，复型片自然脱落后还会弯曲变形，很难平整展开。

(3) 同一检验部位应多次复型，将最初的几个舍去，避免检验面不洁造成误差，将最后几次复型留作观察更为真实、可靠。

(4) 金相复型得到的是材料表面的浮雕，从金相复型片上看到的碳化物颗粒比实际尺寸略大，蠕变孔洞尺寸可能比实际尺寸小，这种尺寸变化在分析、评定时应加以考虑。

(5) 复型后应对检验面进行适当防护。金相复型虽不破坏设备，但也是微创，材料表面的钝化层被打磨掉了，使其容易被氧化和锈蚀，应及时做好防锈、防氧化等处理。

3 金相复型技术的优缺点

金相复型技术在应用中表现出的优点为：(1)可不破坏工件检验；(2)复型材料和设备简单，操作便捷，可在现场制作金相复型膜片；(3)复型不受工件尺寸和形状限制，凡人手可及的部位均可复型；(4)复型可长期保存，不会锈蚀，可重复观察。

同时金相复型技术存在的不足之处为：(1)只能对工件表面的显微组织形貌进行观察，无法观察截面的显微组织形貌，如脱碳层深度测定；(2)复型只能对材料表面凹凸变化的浮雕进行复制，无法对抛光面进行观察，如对浸蚀前抛光面上的非金属夹杂物分析和对灰铸铁及球墨铸铁石墨形态、大小的分析；(3)目前所用复型材料多为有机物，具有一定毒性。