基于熱電效應(yīng)的滲鋁層無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

關(guān)曉全 徐德才 桂敏

摘要：針對(duì)當(dāng)前在滲鋁層檢測(cè)領(lǐng)域沒(méi)有快速可靠的無(wú)損檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的問(wèn)題，本文分析了K403材料渦輪葉片基體和滲鋁層組織成分的差異，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于熱電效應(yīng)原理利用滲鋁層與基體材料的電勢(shì)差來(lái)識(shí)別葉片表面是否存在滲鋁層的可能性，并研制檢測(cè)設(shè)備投入工程化應(yīng)用，達(dá)到了無(wú)損、快速、準(zhǔn)確檢測(cè)葉片表面有無(wú)滲鋁層的目的。

關(guān)鍵詞：滲鋁層；無(wú)損檢測(cè)；熱電效應(yīng)；K403

Keywords：aluminized coating；nondestructive testing；pyroelectric effect；K403

0 引言

金屬部件由于抗磨損、抗腐蝕等性能不足，常需要在其表面滲入其他金屬元素來(lái)提高性能[1]。新金屬元素引入后，上述性能會(huì)得到提升，但是同時(shí)會(huì)造成其他方面的性能下降。例如，某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)K403材料渦輪葉片圖紙要求葉冠、葉身表面滲鋁，但榫頭卻是非滲鋁部位。這是因?yàn)殚绢^部位工作時(shí)溫度較低，抗腐蝕處理的作用不明顯，相反如榫頭存在滲鋁層，一方面會(huì)影響其尺寸大小，造成嵌套部位過(guò)盈配合，導(dǎo)致微動(dòng)磨損加劇，降低疲勞壽命；另一方面，滲鋁層表面偏脆硬，受應(yīng)力集中容易發(fā)生脆斷[2]。因此，在對(duì)葉片滲鋁處理時(shí)，榫頭部位通常采取保護(hù)措施，以防止該部位表面有鋁元素滲入。

某批次葉片部分榫頭部位被誤滲鋁，現(xiàn)行的滲鋁層檢測(cè)方法只能通過(guò)金相法、腐蝕法等進(jìn)行破壞性檢測(cè)，為避免該批次葉片全部報(bào)廢，迫切需要一種無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行篩選。

1 滲鋁層檢測(cè)現(xiàn)狀

隨著材料工藝技術(shù)的發(fā)展，表面涂滲層工藝的成分、層次、排布越來(lái)越復(fù)雜，現(xiàn)有的很多無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)無(wú)法滿足測(cè)試需求，如對(duì)于滲鋁等擴(kuò)散型滲層結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，目前市場(chǎng)上較為成熟的磁性測(cè)量法、電渦流測(cè)量法、超聲波測(cè)量法等測(cè)試手段均無(wú)法滿足測(cè)試要求。其中，磁性測(cè)厚法只適用于測(cè)量導(dǎo)磁材料上非導(dǎo)磁材料的涂層厚度，高溫合金基體及其表面滲層都是導(dǎo)磁材料，磁通率差異不大，所以該方法不能應(yīng)用于滲鋁層的檢測(cè)。渦流測(cè)量法適用于測(cè)量導(dǎo)電金屬表面的非導(dǎo)電材料，不適用于高溫合金滲鋁層的檢測(cè)；而高溫合金滲鋁層與基體沒(méi)有明顯分界面，所以超聲波測(cè)厚法也同樣不適用于高溫合金滲鋁層的檢測(cè)。

2 滲鋁層組織成分分析

滲鋁是在一定溫度下將鋁原子滲入工件表面的一種化學(xué)熱處理工藝，即鋁在金屬或合金表面擴(kuò)散滲入的過(guò)程[3]。對(duì)K403材料滲鋁時(shí)，鎳原子向外、鋁原子向內(nèi)擴(kuò)散，鋁含量逐漸降低，形成滲鋁層。根據(jù)滲鋁層金相圖，滲鋁層分為內(nèi)外兩層，外層主要為δ相（Ni2Al3）、β相（NiAl），鋁元素含量高，約25%左右，向內(nèi)的鋁含量逐步減?。粌?nèi)層主要為γ′（Ni3Al）相，鋁含量低，逐步與基體材料一致。如圖1所示。

葉片基體材料K403屬于鎳基高溫合金，經(jīng)查閱材料手冊(cè)，其主要成分為γ相、γ′相、γ-γ′相、MC碳化物。其中，γ′相是合金強(qiáng)化相，占比最大，約為總成分的58%至59%[4]。

通過(guò)對(duì)比，葉片基體K403和滲鋁層外層在組織成分上存在差異，滲鋁層外層主要為δ相和β相，K403主要為γ′相。這為無(wú)損檢測(cè)方法的應(yīng)用建立了物理基礎(chǔ)。

3 熱電效應(yīng)原理及應(yīng)用

3.1 熱電效應(yīng)原理

滲鋁層的存在改變了基體材料表面的電學(xué)性能。滲鋁層和基體材料的費(fèi)米能級(jí)不同，熱電子逃逸功不同，如將其構(gòu)成閉合回路，將產(chǎn)生接觸電勢(shì)，這一電勢(shì)同時(shí)受溫度和材料影響，遵循熱電第一效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）和熱電第二效應(yīng)（帕爾貼效應(yīng)）原理。

熱電第一效應(yīng)是指兩種金屬接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，電勢(shì)差取決于兩種金屬中電子逃逸功及電子濃度。如果使兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度不同，將在回路中產(chǎn)生熱電流，其方向遵循下列規(guī)律：Bi→Ni→Pd→U→Cu→……Sb→Te→Al→……當(dāng)序列中任意兩種金屬組成閉合回路時(shí)，電流將從排序較前的流向較后的。

熱電第二效應(yīng)是指兩種不同金屬構(gòu)成閉環(huán)回路，當(dāng)回路中存在直流電流時(shí)，兩個(gè)接頭之間將產(chǎn)生溫差。熱電第二效應(yīng)是第一效應(yīng)的逆效應(yīng)。

因此，可以利用滲鋁層引起的基體材料電學(xué)常數(shù)變化來(lái)識(shí)別材料表面是否存在滲鋁層。根據(jù)該理論，以一點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，另一點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)比較金屬接觸點(diǎn)之間的電勢(shì)差形成對(duì)檢測(cè)結(jié)果的判斷。對(duì)滲鋁層（Al）、基體（Ni）、基準(zhǔn)探頭（Cu）、檢測(cè)探頭（Cu）構(gòu)成的回路進(jìn)行電勢(shì)分析，存在兩類4種情況。

1）第一類

兩探頭接觸不同成分區(qū)域，有兩種情況（見(jiàn)圖2）。

● 檢測(cè)探頭接觸位置有滲層，基準(zhǔn)探頭接觸位置無(wú)滲層。

△E=-（檢測(cè)探頭→滲鋁層）-（無(wú)滲層→基準(zhǔn)探頭）<0

● 檢測(cè)探頭接觸位置無(wú)滲層，基準(zhǔn)探頭接觸位置有滲層

△E=（無(wú)滲層→檢測(cè)探頭）+（基準(zhǔn)探頭→滲鋁層）>0

2）第二類

兩探頭接觸相同成分區(qū)域，有兩種情況（見(jiàn)圖3），此種情況下需在檢測(cè)探頭上設(shè)計(jì)加熱線圈，以加大溢出功，與基準(zhǔn)探頭處形成電勢(shì)差。

● 檢測(cè)探頭、基準(zhǔn)探頭接觸位置均有滲層

△E=-（檢測(cè)探頭→滲鋁層）（加熱）+（基準(zhǔn)探頭→滲鋁層）<0

● 檢測(cè)探頭、基準(zhǔn)探頭接觸位置均無(wú)滲層

△E=（無(wú)滲層→檢測(cè)探頭）（加熱）-（無(wú)滲層→基準(zhǔn)探頭）>0

綜合分析以上兩類四種情況：當(dāng)△E<0時(shí)，檢測(cè)探頭接觸位置有滲層；當(dāng)△E>0時(shí)，檢測(cè)探頭接觸位置無(wú)滲層。

3.2 樣機(jī)試制及驗(yàn)證

根據(jù)理論分析得出，采用熱電效應(yīng)原理檢測(cè)有無(wú)滲鋁層是可行的，因此委托專業(yè)廠家設(shè)計(jì)了滲鋁層檢測(cè)儀，原理圖如圖4所示。

檢測(cè)儀電器部分主要由4個(gè)模塊組成：探頭，包括檢測(cè)探頭和基準(zhǔn)探頭；溫度補(bǔ)償模塊；判斷電路；顯示輸出模塊。溫度補(bǔ)償模塊對(duì)檢測(cè)探頭加溫；檢測(cè)探頭與判斷電路相連，將探測(cè)到的信號(hào)傳給判斷電路，判斷電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行判別，輸出有/無(wú)滲層的信號(hào)；顯示輸出模塊與判斷電路相連，接收判斷電路輸出的判別信號(hào)，并顯示有/無(wú)滲層。滲鋁層檢測(cè)儀樣機(jī)如圖5所示。

3.3 工程化應(yīng)用

為了驗(yàn)證滲鋁層檢測(cè)儀的檢測(cè)準(zhǔn)確性，隨機(jī)抽取36臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)共273片待檢葉片進(jìn)行檢測(cè)。每片葉片榫頭選擇榫齒與伸根段轉(zhuǎn)接處、第一榫槽R和第二榫槽三個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，共計(jì)819個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)位置分布如圖6所示。

檢測(cè)儀能直觀顯示有/無(wú)滲鋁層，單點(diǎn)檢測(cè)時(shí)間不超過(guò)3s。檢測(cè)完成后，對(duì)上述葉片進(jìn)行剖切，采用金相法驗(yàn)證檢測(cè)儀的檢測(cè)準(zhǔn)確性，結(jié)論完全吻合，檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

4 結(jié)論

基于熱電效應(yīng)原理可檢測(cè)K403材料表面是否存在滲鋁層。當(dāng)前應(yīng)用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)定性檢測(cè)滲鋁區(qū)有效滲鋁和非滲鋁區(qū)誤滲的情況。但有關(guān)滲層的定量檢測(cè)方法還需一步研究，最終實(shí)現(xiàn)滲層厚度、質(zhì)量、組織成分等的無(wú)損檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1]盛常松，晁君瑞，蘇志文.滲鋁、共滲技術(shù)及鋼材防腐蝕[M].北京：中國(guó)石化出版社，2015.

[2]謝孟云，汪誠(chéng)，等.復(fù)合強(qiáng)化對(duì)滲鋁K403合金組織和力學(xué)性能的影響[J].中國(guó)表面工程，2018（2）：26-31.

[3]齊寶森，王忠誠(chéng)，李玉婕.化學(xué)熱處理技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[4]《航空工程材料手冊(cè)》編委會(huì).航空工程材料手冊(cè)（第二版）[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介

關(guān)曉全，工程師，主要從事航空修理無(wú)損檢測(cè)技術(shù)工作。