馬海全 ， 甘 勇 ， 張 衛(wèi) ， 白召凈 ，李秋生 ， 方占華

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)材料檢測與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.材料檢測與評價航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

0 引言

被稱為飛機(jī)“心臟”的航空發(fā)動機(jī)，其質(zhì)量直接影響到飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能、機(jī)動性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等[1-3]。在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，渦輪葉片在材料上通常采用高溫合金如鎳基、鐵基、鈷基合金以提高其承溫能力。在熔模精密鑄造過程中，高效氣冷空心葉片內(nèi)部形狀復(fù)雜、曲折迂回的冷卻通道，需采用形狀復(fù)雜的預(yù)制陶瓷型芯形成[4-6]。

國內(nèi)外關(guān)于鑄造高溫合金空心葉片的內(nèi)部質(zhì)量檢測方法主要采用射線檢測。射線底片上存在常見的氣孔、夾雜、疏松等缺陷顯示，根據(jù)顯示形態(tài)能夠準(zhǔn)確判斷缺陷性質(zhì)和缺陷形成的原因，對于存在的異常顯示，如黑白線和衍射斑紋顯示，需要復(fù)檢進(jìn)行確認(rèn)。張麗輝等[7]提出通過選擇合適的工業(yè)氧化鋁填料以及加強(qiáng)壓芯工藝參數(shù)和修芯工藝過程控制，提高型芯表面質(zhì)量和高溫強(qiáng)度，可明顯減少甚至消除X 射線底片黑白線顯示。劉慶珍[8]認(rèn)為，黑線可能是由于鑄造時氧化鋁基陶瓷型芯表面的錯位所致，型芯表面的不連續(xù)性可能導(dǎo)致脫芯后金屬表面的不連續(xù)性。上述文獻(xiàn)僅通過解剖分析確認(rèn)黑白線產(chǎn)生的根本原因，未對黑白線隨射線束透照角度的變化關(guān)系和衍射斑紋的產(chǎn)生原因及確認(rèn)方法進(jìn)行研究。

本研究分析鑄造高溫合金葉片常見缺陷及射線底片形態(tài)，對射線底片中的異常顯示，即黑白線顯示和衍射斑紋進(jìn)行深入分析研究，提出黑白線的確認(rèn)方法、黑白線隨射線束透照角度的變化關(guān)系、黑白線如何定性的建議、衍射斑紋產(chǎn)生原因及確認(rèn)方法，為高溫合金葉片底片評定過程中缺陷顯示準(zhǔn)確定性和確定是否符合設(shè)計規(guī)范要求提供依據(jù)。

1 鑄造高溫合金葉片典型缺陷及射線底片影像特征

高溫合金葉片鑄造常用熔模鑄造工藝方法，用蠟料做模樣時，熔模鑄造又稱為“失蠟鑄造”[9-12]，該方法具有尺寸精度高、金屬材料利用率高、結(jié)構(gòu)設(shè)計方便、生產(chǎn)靈活性高等優(yōu)點(diǎn)；但在高溫合金鑄造過程中，由于高溫合金成分中活性元素較多，對雜質(zhì)要求嚴(yán)格；因此，高溫合金鑄件比其他金屬鑄件更容易產(chǎn)生各種冶金缺陷，常見的缺陷有氣孔、疏松、夾雜、裂紋、多余金屬，其在射線底片呈現(xiàn)的影像特點(diǎn)不同。

1）氣孔：氣孔是熔化的合金中的氣體未能逸出，凝固過程中在鑄件內(nèi)部形成的孔洞。氣孔在射線底片上的影像顯示形態(tài)多樣，多以單個或密集的圓形暗斑顯示，少數(shù)以梨形或橢圓形暗斑顯示，輪廓圓滑，底片影像的黑度較大。

2）疏松：合金溶液在冷卻和凝固過程中將發(fā)生收縮，由于鑄件的特點(diǎn)、鑄型設(shè)計存在的不足或澆鑄操作不當(dāng)?shù)?，造成補(bǔ)縮不足。分散而細(xì)小的孔洞稱為疏松，集中的大空洞稱為縮孔，縮孔屬嚴(yán)重的疏松，疏松在底片上呈現(xiàn)顯示為黑度不一致的模糊暗斑。

3）夾雜：夾雜缺陷是原材料中存在或鑄造操作不當(dāng)導(dǎo)致在鑄件內(nèi)部存在的與基體成分不同的金屬或非金屬異物，在高溫合金葉片射線底片上多呈現(xiàn)形狀極不規(guī)則、尖銳，影像黑度高于或低于基體部位黑度。

4）裂紋：合金溶液在冷卻過程中，其收縮可能受到一定程度的阻礙，當(dāng)這些阻礙產(chǎn)生的應(yīng)力超過金屬當(dāng)時的強(qiáng)度時將引起開裂，產(chǎn)生裂紋缺陷。高溫合金葉片常見的裂紋主要出現(xiàn)在葉片截面厚度突變位置和最后凝固處。底片影像為不規(guī)則的黑線狀影像，黑線一般為波折狀，伴有分叉。

5）冷隔：合金溶液溫度低，鑄件表面激冷過大，充型速率控制不當(dāng)，澆鑄系統(tǒng)不合理等是產(chǎn)生冷隔的主要原因。葉片遠(yuǎn)離澆口的寬大表面處和薄壁處較易出現(xiàn)冷隔缺陷。底片影像常呈現(xiàn)為平滑的線條狀、寬度比較均勻的黑線，典型影像見圖1。

圖1 冷隔典型缺陷形態(tài)Fig.1 Typical coldshut defect

6）多余金屬：在空心葉片鑄造過程中，由于蠟?zāi)；蛐托颈砻嫔系牟贿B續(xù)性，如存在凹孔或凸起，導(dǎo)致葉片內(nèi)表面或外表面附著多余金屬，外表面多余金屬往往目視可見，內(nèi)表面多余金屬主要出現(xiàn)在內(nèi)腔四周邊緣、腔道間豎直隔板、擾流柱等，多以半球形、線形、不規(guī)則堆積物狀顯現(xiàn)。底片上呈現(xiàn)為白色半圓狀、線狀、不規(guī)則散堆狀影像。在底片評定時較易識別，典型缺陷形態(tài)見圖2。

2 射線檢測異常顯示原因及確認(rèn)方法

2.1 黑白線顯示

圖2 多余金屬典型缺陷形態(tài)Fig.2 Typical excess metal defect

圖3 底片上黑白線顯示Fig.3 Display of black and white line in film

在對渦輪空心葉片進(jìn)行X 射線檢測時，底片上存在黑線、白線或黑白線（即白線+黑線）的顯示（圖3）。黑線部分的顯示與典型的裂紋顯示形態(tài)不一致，為確定底片上的黑白線顯示原因，將出現(xiàn)該顯示的葉片改變射線束透照角度重復(fù)進(jìn)行透照，透照角度分別按60°、90°、120°進(jìn)行，透照布置示意圖見圖4。膠片沖洗后對3 個透照角度底片進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)底片影像顯示隨透照角度的變化呈現(xiàn)黑白線或白線不同形態(tài)（圖5）。將葉片進(jìn)行解剖后發(fā)現(xiàn)，葉片內(nèi)腔表面存在具有高度差的臺階（圖6）。經(jīng)對葉片鑄造工藝過程分析，確認(rèn)臺階為葉片鑄造時型芯錯位所致。出現(xiàn)型芯錯位澆鑄的葉片在進(jìn)行射線檢測時，葉片內(nèi)腔由錯位所形成的臺階與射線束角度關(guān)系決定在底片上的顯示形態(tài)。

圖4 黑白線不同角度透照布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of different angles of black and white lines

對渦輪葉片底片評定時出現(xiàn)的白線顯示，通過透照角度變換確認(rèn)顯示原因時，存在白線顯示的形態(tài)不隨透照角度的改變而變化的情況，經(jīng)分析為型芯斷裂引起葉片內(nèi)表面產(chǎn)生凸起形成厚度差異所致。

綜上所述，型芯錯位在射線檢測底片上可能呈現(xiàn)黑線、白線或黑白線；型芯斷裂在底片上呈現(xiàn)白線影像。

圖5 不同角度透照底片顯示Fig.5 Display of black and white line in radiographic films by different angles

圖6 葉片內(nèi)表面臺階Fig.6 Step of blade inner surface

為確定底片上黑線、白線或黑白線的顯示原因，可通過改變射線束透照角度進(jìn)行確認(rèn)，具體方法為：

1）若底片顯示為黑線或黑白線，通過改變射線束透照角度，根據(jù)原顯示的黑度變化情況加以確認(rèn)，如果影像黑度發(fā)生改變，則存在型芯錯位；若影像黑度未發(fā)生變化，則需通過其它方法確認(rèn)零件表面是否存在凹槽或凹槽與凸起并存。

2）若底片顯示為白線，變換射線束透照角度。若影像黑度未發(fā)生變化，則為型芯斷裂；若黑度存在變化，則為型芯錯位。

2.2 衍射斑紋

對高溫合金葉片進(jìn)行射線檢測時，底片上會存在衍射斑紋，這些影像是高溫合金內(nèi)部組織晶體結(jié)構(gòu)對X 射線衍射形成的，尤其是在等軸晶葉片壁厚較小的部位。一般來說，衍射斑紋影像形狀不規(guī)則，影像邊緣比較模糊，且細(xì)節(jié)影像存在黑白斑點(diǎn)狀特征。少數(shù)的底片衍射斑紋與內(nèi)部疏松或夾雜缺陷影像極為相似，很容易導(dǎo)致混淆，造成錯判、誤判。為避免該問題的發(fā)生，可使用改變射線束透照方向和透照電壓重新透照，若影像的形狀或位置發(fā)生較大變化則為衍射斑紋。等軸晶葉片邊緣存在衍射斑紋和夾雜缺陷影像（圖7a），通過改變射線束透照角度和提高透照電壓可以發(fā)現(xiàn)，衍射斑紋的影像形狀發(fā)生變化，夾雜缺陷影像并未受射線束透照角度和電壓的變化發(fā)生變化（圖7b、圖7c）。

圖7 改變射線束透照角度和電壓衍射斑紋影像變化Fig.7 Diffraction images with the variation of angle and voltage

3 分析與討論

通過改變透照角度的方法對射線底片黑白線顯示進(jìn)行分析，能夠?qū)Φ灼诎拙€顯示準(zhǔn)確定性，確保符合設(shè)計規(guī)范中對內(nèi)部冶金缺陷的要求，為后續(xù)葉片裝機(jī)使用提供安全保障。通過改變射線束透照角度和提高透照電壓的方法對底片上的衍射斑紋影像進(jìn)行甄別，避免將偽缺陷誤判為內(nèi)部冶金缺陷，避免可能對葉片強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響的修復(fù)，造成人力、物力和財力的浪費(fèi)。更為重要的是避免將內(nèi)部冶金缺陷誤判為衍射斑紋影像，從而將不合格葉片當(dāng)作合格葉片裝機(jī)使用，造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重后果。能夠正確識別葉片底片黑白線顯示和衍射斑紋影像，可避免缺陷的漏判和影像的誤判，正確、真實(shí)表征內(nèi)部冶金缺陷，減少損失。

3.1 黑白線顯示

針對上述試驗(yàn)分析，確定射線底片上黑白線或白線顯示的形成原因?yàn)榕_階狀錯芯與射線束透照角度共同導(dǎo)致。從理論上分析，厚度較大部位上下壁疊加在一起雙壁透照時在底片上顯示白線（圖8a）；厚度較大部位和較小部位上下壁疊加在一起雙壁透照時在底片上無顯示（圖8b）；厚度較小部位上下壁疊加在一起雙壁透照時在底片上顯示黑線（圖8c）。由于錯芯在垂直于葉片截面方向上存在一定長度的延伸，在不同的截面上可能呈現(xiàn)黑線或白線不同的顯示；因此，在錯芯射線檢測時可能同時出現(xiàn)黑白線，即黑線和白線同時出現(xiàn)的底片顯示。

圖8 錯芯在底片上的影像顯示機(jī)理Fig.8 Display mechanism of core dislocation

對于斷芯情況，葉片澆鑄過程中，金屬液流入到型芯斷裂處，在葉片內(nèi)腔表面形成線性凸起。射線雙壁透照時，在型芯斷裂處的壁厚較大，因此在底片上形成白線影像，不受射線束方向的影響（圖9）。

對于錯芯和斷芯使得葉片表面狀態(tài)發(fā)生變化，在進(jìn)行射線檢測時底片呈現(xiàn)白線、黑線、黑白線不同顯示?？紤]到表面狀態(tài)發(fā)生變化影響葉片的使用性能，建議將存在顯示的葉片報廢，將白線、黑線或黑白線顯示統(tǒng)一定性為型芯不連續(xù)。

圖9 斷芯處底片上形成白線顯示Fig.9 White line display of core fracture

3.2 衍射斑紋

衍射斑紋的產(chǎn)生規(guī)律可以通過布拉格方程解釋，布拉格父子研究衍射照片之后，類比光柵對電磁波的作用與晶體對X 射線的衍射，提出衍射是晶格面對入射X 射線的反射產(chǎn)生的，并采用云母片進(jìn)行試驗(yàn)，得出今天廣泛應(yīng)用的布拉格方程，即

式中：d 為晶面間距；θ 為透照X 射線與晶面的夾角，即布拉格角；λ 為透照X 射線的波長；n=0，±1，±2，…。

從布拉格方程可以得出，如果入射射線波長、布拉格角、晶面間距滿足布拉格方程，就會在底片上形成衍射波紋。這也是對于出現(xiàn)衍射斑紋后，往往可以通過改變電壓或改變射線束透照角度進(jìn)一步驗(yàn)證的理論依據(jù)。

4 結(jié)論

1）鑄造高溫合金空心葉片型芯錯位在射線檢測底片上可能呈現(xiàn)黑線、白線或黑白線顯示；型芯斷裂在底片上呈現(xiàn)白線顯示。

2）可通過改變射線束透照角度對底片上黑線、白線或黑白線的顯示原因進(jìn)行確認(rèn)，底片顯示發(fā)生變化的為型芯錯位，顯示不變化的為型芯斷裂。

3）可通過改變透照電壓或射線束透照角度對射線底片衍射斑紋進(jìn)行驗(yàn)證，若影像狀態(tài)或位置發(fā)生變化則為衍射斑紋。