微小缺陷的液體滲透檢測(cè)

黃 磊，莫瑕琳，朱莉君，楊社民

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077；2.西安西航集團(tuán)萊特航空制造技術(shù)有限公司，西安 710016；3.中國(guó)石油集團(tuán)東南亞管道有限公司，北京 100028；4.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101）

滲透檢測(cè)廣泛應(yīng)用于宇航、造船、原子能、石油天然氣等工業(yè)領(lǐng)域。新材料的不斷出現(xiàn)使液體滲透檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。隨著國(guó)際冶金技術(shù)的不斷優(yōu)化和提高，外貿(mào)宇航零部件的滲透檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求也越來(lái)越高。許多宇航關(guān)鍵件的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求不允許有任何缺陷顯示。常規(guī)的液體滲透檢測(cè)工藝能否滿足日益提高的宇航產(chǎn)品驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求，成為大家關(guān)注的目標(biāo)。筆者從滲透檢測(cè)方法原理、滲透液的物理性能、干粉顯像劑的顯像特性、微小缺陷的檢出能力和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工藝實(shí)施可行性等方面進(jìn)行論證，探討微小缺陷的液體滲透檢測(cè)的可行性。

1 液體滲透檢測(cè)原理

1.1 潤(rùn)濕現(xiàn)象

液體要滲到微小缺陷中的先決條件是它能潤(rùn)濕零件表面。當(dāng)液體與固體相接觸時(shí)，形成一層與固體接觸的液體附著層。若附著層內(nèi)分子分布比液體內(nèi)部更密，分子間距小，附著層內(nèi)就出現(xiàn)相互推斥的力，這時(shí)液體跟固體的接觸面積就有擴(kuò)大的趨勢(shì)，形成潤(rùn)濕現(xiàn)象［1］。

1.2 缺陷內(nèi)毛細(xì)現(xiàn)象

滲透過(guò)程中，滲透液對(duì)受檢表面開口缺陷進(jìn)行的滲透作用；顯像過(guò)程中，滲透液從缺陷中回滲到顯像劑中形成缺陷顯示痕跡等，都是液體的毛細(xì)作用。

滲透液對(duì)表面點(diǎn)狀缺陷（如氣孔、沙眼等）的滲透類似于滲透液在毛細(xì)管內(nèi)的毛細(xì)作用。滲透液對(duì)表面條狀缺陷（如裂紋、夾渣和分層等）的滲透類似于滲透液在間距很小的兩平行板間的毛細(xì)作用。

對(duì)于工件中的微小缺陷（假定為非貫穿性的微小裂紋），可認(rèn)為是兩平行板間的毛細(xì)現(xiàn)象，故形成柱形液面。當(dāng)滲透液施加于表面開口裂紋的零件表面時(shí)，具有足夠潤(rùn)濕能力的滲透劑將潤(rùn)濕裂紋內(nèi)表面，裂紋內(nèi)將形成像液體內(nèi)凹陷的彎曲液面，并在彎曲凹面上產(chǎn)生指向液體外部（裂紋）的附加壓強(qiáng)。滲透液不斷往下滲，裂紋寬度越小，附加壓強(qiáng)越大，缺陷中的氣體產(chǎn)生的反壓強(qiáng)將會(huì)越來(lái)越大（如圖1所示），使液面的滲入深度受到限制。當(dāng)裂紋寬度很小時(shí)，重力可以忽略不計(jì)，則缺陷內(nèi)受壓的氣體產(chǎn)生的反壓強(qiáng)Pg等于大氣壓強(qiáng)P0與柱形液面所引起的附加壓強(qiáng)P之和。即：

圖1 滲透液在裂紋模型中的滲透

根據(jù)波義耳－馬略特定律，即當(dāng)溫度一定時(shí)，一定質(zhì)量的氣體體積與其壓力之積為常數(shù)，可得：

又因

把式（2）和式（3）代入式（1），整理后可得出滲透液滲入缺陷的深度h為［1］：

式中：h為滲透液在缺陷中的滲入深度，m；b為缺陷深度，m；d為缺陷寬度，m；α為液體表面張力系數(shù)，N／m；θ為接觸角，（°）。

由上式可知：對(duì)于非貫穿性缺陷，滲透液滲入缺陷的深度h與缺陷自身的深度b成正比，與大氣壓強(qiáng)P0和缺陷寬度d成反比，與αcosθ成正比［2］。

那么要提高檢測(cè)靈敏度，增加滲透液滲入缺陷的高度，可通過(guò)以下兩種方法：

（1）真空滲透檢測(cè)：通過(guò)減小大氣壓P0來(lái)增加滲透液滲入缺陷的高度h。該方法實(shí)施的可行性不強(qiáng)，絕大多數(shù)工廠不具備該能力。

（2）振動(dòng)：式（4）中的平衡是不穩(wěn)定的，一旦外界稍有擾動(dòng)，缺陷內(nèi)的氣體就會(huì)外逸。振動(dòng)可使缺陷內(nèi)的氣體不斷外逸，從而使Pg下降，h增高，達(dá)到提高檢測(cè)靈敏度的目的。所以可以提高檢測(cè)的可靠性，適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)在檢測(cè)微小缺陷時(shí)有可行性。

2 滲透液的物理性能

2.1 臨界厚度

滲透液的臨界厚度通常采用黑點(diǎn)試驗(yàn)法測(cè)量。黑點(diǎn)試驗(yàn)是測(cè)定熒光滲透液發(fā)光強(qiáng)度的試驗(yàn)，也是評(píng)價(jià)熒光滲透液靈敏度的一種方法。選擇超高靈敏度的滲透液，對(duì)微小缺陷滲透檢測(cè)有利。

2.2 熒光強(qiáng)度

熒光強(qiáng)度實(shí)際上是缺陷內(nèi)被吸附出來(lái)的一定數(shù)量的滲透液在顯像后顯示色澤的能力。熒光強(qiáng)度不但與熒光染料的種類及染料在滲透液中的溶解度有關(guān)，還與入射的紫外線強(qiáng)度有關(guān)。不同物質(zhì)的熒光強(qiáng)度不同，同一熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度與溶液濃度密切相關(guān)。在較稀的溶液中熒光強(qiáng)度隨溶液的濃度增加；對(duì)于較濃的溶液，熒光強(qiáng)度不僅不隨濃度增大而增大，且常常隨濃度增大而下降，這是因?yàn)闊晒庥凶韵绾蛢?nèi)濾作用。自熄滅是指熒光物質(zhì)的溶液濃度超過(guò)某值時(shí)會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)生的熒光不甚強(qiáng)烈的現(xiàn)象。內(nèi)濾是指溶液中如有雜質(zhì)存在，雜質(zhì)對(duì)入射光和溶液熒光產(chǎn)生吸收，從而導(dǎo)致溶液的熒光強(qiáng)度降低。溫度對(duì)熒光強(qiáng)度也有明顯影響，一般熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度隨著溶液溫度的降低而增大。

通過(guò)以上分析，為得到良好的滲透液熒光強(qiáng)度，確保微小缺陷的檢出，除了購(gòu)買品質(zhì)良好的滲透液外，最終的烘干溫度也不宜過(guò)高［2］。

3 干粉顯像劑的顯像特性

3.1 干粉顯像劑的顯像功能

顯像是利用顯像劑吸附從缺陷中回滲到受檢表面的滲透液而形成的缺陷顯示。顯像劑中的白色粉末構(gòu)成毛細(xì)管，產(chǎn)生毛細(xì)作用。

顯像劑通常有3個(gè)基本功能：① 吸附足量的從缺陷中回滲到零件表面的滲透液。② 通過(guò)毛細(xì)作用將滲透液在零件表面橫向擴(kuò)展，將缺陷顯示放大到足以用肉眼觀察到。③ 提供與缺陷顯示有較大反差的背景，從而達(dá)到提高檢測(cè)靈敏度的目的。

3.2 缺陷的顯示尺寸

缺陷容積越大，容納的滲透液就越多，留在缺陷中的可供回滲的滲透液就越多，缺陷顯示就越明顯。顯像劑顯示的缺陷圖像比缺陷的實(shí)際尺寸要大。

4 微小缺陷的檢出能力

微小缺陷的檢出能力是相對(duì)于背景及外部光源等條件，缺陷內(nèi)的滲透液能形成可用肉眼直接觀察裂紋缺陷顯示的能力。

滲透液中染料種類及濃度將影響微小缺陷檢出能力，滲透液被化學(xué)藥品污染，熒光液長(zhǎng)時(shí)間受紫外燈照射，將降低微小缺陷的檢出能力。先浸后滴落的施加滲透液方法，可使?jié)B透液中的大量揮發(fā)物質(zhì)揮發(fā)掉，而留下更多粘度較大的組分，染料的濃度相對(duì)于原滲透液中的濃度更高。適當(dāng)增加滴落時(shí)間，可提高微小缺陷的檢出能力。

5 檢測(cè)工藝方法

通過(guò)以上分析，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)批量宇航關(guān)鍵產(chǎn)品時(shí)，選擇后乳化熒光滲透檢測(cè)和干粉顯像粉顯像，靈敏度等級(jí)為超高靈敏度；試件為條紋對(duì)比試塊；試塊型號(hào)為TP－10；其中預(yù)制裂紋寬度為0.5μm，深度為9.9μm；滲透劑為RC－77（SHERWIN）；乳化劑為 ER－83A （SHERWIN）；顯像劑為D－90G（SHERWIN）。

5.1 工藝流程

滲透檢測(cè)工藝流程為：清洗→烘干→滲透→預(yù)水洗→乳化→終水洗→干燥→顯像→檢測(cè)并照相→后清洗。

5.2 常規(guī)工藝參數(shù)

（1）清洗 選擇條紋試塊，放入裝有丙酮的超聲波清洗槽中，清洗時(shí)間為15min。

（2）烘干 溫度62℃，時(shí)間10min，在黑光燈下檢查應(yīng)干凈、無(wú)污染。

（3）滲透 將條紋試塊，放入RC－77滲透劑中滲透，滲透15min；滴落15min。

（4）預(yù)水 洗時(shí)間90s，水壓≤0.2MPa。

（5）乳化 乳化浸漬40s，乳化滴落50s。

（6）終水洗 時(shí)間60s，水壓≤0.2MPa。

（7）手工補(bǔ)洗 時(shí)間小于2min。

（8）烘干 設(shè)定溫度62℃，用壓縮空氣吹去表面多余水分，距離大于30cm。

（9）顯像 時(shí)間15min，顯像完用壓縮空氣吹去多余顯像粉。

（10）檢測(cè)并照相 暗室適應(yīng)1min。

（11）后清洗同步驟（1）。

以上參數(shù)下的試驗(yàn)照片如圖2所示。從圖2試驗(yàn)結(jié)果可知：條紋缺陷無(wú)熒光顯示，以上檢測(cè)工藝和方法無(wú)法滿足對(duì)微小缺陷的檢測(cè)。

圖2 常規(guī)檢測(cè)參數(shù)的試驗(yàn)照片（顯像時(shí)間15min）

5.3 改變工藝參數(shù)

改變檢測(cè)工藝為增加滲透和顯像時(shí)間；滲透時(shí)適當(dāng)?shù)脑黾虞p微振動(dòng)。滲透時(shí)間15min，滴落30min。顯像時(shí)間分別為30min，1.5h，2h。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)、增加滲透滴落時(shí)間和延長(zhǎng)的顯像時(shí)間，使對(duì)微小缺陷的檢測(cè)成為了可行。圖3（a）所示，顯示較清晰、分辨率好，但有些條紋缺陷無(wú)顯示；如圖3（b）所示，照片分辨率不如圖3（a）但條紋顯示多于；如圖3（c）照片所示，分辨率和熒光亮度均不如圖3（a）和（b），但條紋缺陷在黑光燈下全部顯示出來(lái)。

圖3 改變工藝參數(shù)后不同顯像時(shí)間的顯示照片

圖4 人工缺陷面朝下時(shí)不同顯像時(shí)間的顯示照片

考慮到該試片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常規(guī)定的終水洗時(shí)間會(huì)引起過(guò)水洗，在后一輪試驗(yàn)中，使有缺陷的面朝下，以減小對(duì)缺陷面的過(guò)度沖洗，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4試驗(yàn)滲透時(shí)間15min，滴落時(shí)間30min，顯像時(shí)間在30min～1h范圍內(nèi)。在半自動(dòng)水洗槽終水洗時(shí)，把有人工缺陷的面朝下。這次試驗(yàn)結(jié)果好的主要原因是對(duì)微小人工缺陷未產(chǎn)生過(guò)水洗現(xiàn)象。

圖2和3缺陷顯示效果不好的主要原因是過(guò)水洗。在采用了適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)、增加滲透滴落時(shí)間和延長(zhǎng)顯像時(shí)間后，缺陷可清晰顯示出來(lái)。

實(shí)際探傷時(shí)，宇航零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，表面光潔度好，在檢測(cè)過(guò)程中，局部有可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)水洗的情況，因此如果按照常規(guī)規(guī)定的，10min的顯像時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

大多數(shù)宇航供應(yīng)商滲透檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，顯像時(shí)間為10min～3h?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探傷時(shí)，顯像時(shí)間大于10min就行，對(duì)于一般類型的缺陷，該顯像時(shí)間的熒光強(qiáng)度可達(dá)到最佳狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

關(guān)鍵宇航件的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求不允許有缺陷顯示，針對(duì)要求嚴(yán)格、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面光潔度好的宇航件，要檢測(cè)微小缺陷，終水洗是值得關(guān)注和控制的一個(gè)要點(diǎn)。在選擇后乳化超高靈敏度檢測(cè)方法，只要調(diào)整工藝參數(shù)，常規(guī)檢測(cè)方法可滿足其檢測(cè)要求。

適當(dāng)增加滲透滴落時(shí)間和延長(zhǎng)顯像時(shí)間，必要時(shí)增加振動(dòng)、防止過(guò)水洗，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小缺陷的液體滲透檢測(cè)，保證了關(guān)鍵宇航件液體滲透檢測(cè)的質(zhì)量要求。

［1］ 國(guó)防科技工業(yè)無(wú)損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材編審委員會(huì).滲透檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 李平利，黃磊.影響液體滲透檢測(cè)靈敏度的因素［J］.無(wú)損探傷，2004（6）：40－42.