高溫合金作為高端設(shè)備的主要材料，其產(chǎn)品成分和內(nèi)部損傷會(huì)對(duì)設(shè)備的使用產(chǎn)生至關(guān)主要的影響。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)高溫合金的工藝和原料研究比較多，對(duì)檢測(cè)的研究報(bào)道比較少。雖然化學(xué)成分分析和無(wú)損檢測(cè)取得了一定的成績(jī)，但是還需要投入更多的時(shí)間和精力。

高溫合金的化學(xué)成分檢測(cè)

    眾所周知，航空發(fā)動(dòng)機(jī)、超臨界燃?xì)鈾C(jī)組等高端裝備中使用的高溫合金化學(xué)成分異常復(fù)雜，除了基體和主要合金元素外，還存在有意添加、原材料中帶入以及冶煉中混雜的各種微量元素，一個(gè)牌號(hào)的高溫合金甚至可以含有20多種元素，其典型合金元素的作用如表[1]。

    事實(shí)上，高溫合金中各成分含量變化能直接影響材料的各項(xiàng)性能，甚至某些關(guān)鍵微量元素含量的細(xì)微變化，將會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生非常大的影響，因此需要對(duì)此進(jìn)行有效的利用或嚴(yán)格的控制。這不僅給材料冶煉提出了很高的要求，同時(shí)對(duì)成分分析技術(shù)和分析方法也是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，采用先進(jìn)的化學(xué)成分分析技術(shù)或分析方法標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確測(cè)定合金化學(xué)成分及夾雜物含量對(duì)于改善高溫合金的制備冶煉工藝、凈化制備過(guò)程中混入的夾雜物、提高材料的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)材料部件使用壽命，具有重要意義。

    高溫合金化學(xué)成分分析方法主要包括經(jīng)典化學(xué)法和儀器分析法。經(jīng)典化學(xué)法包括容量法（滴定法）、重量法、光度法和電化學(xué)分析法，是高溫合金化學(xué)成分分析技術(shù)中使用最早、選擇性好，靈敏度和理論準(zhǔn)確度較高、且具有中國(guó)特色的分析技術(shù)。但是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、材料研制進(jìn)程的加快及人們環(huán)保意識(shí)的提高，使得化學(xué)分析方法在使用過(guò)程中的缺點(diǎn)逐漸暴露出來(lái)，如實(shí)驗(yàn)分析步驟較為繁瑣、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、易玷污和損失、污染環(huán)境等，無(wú)法滿足高溫合金化學(xué)成分快速的分析要求[1]。

    為了滿足材料研制過(guò)程中對(duì)檢測(cè)進(jìn)度及化學(xué)成分控制的嚴(yán)格要求，一些新的測(cè)定高溫合金化學(xué)成分的儀器分析技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，分析方法呈現(xiàn)多樣性，分析方法的靈敏度與選擇性也越來(lái)越高。高溫合金化學(xué)成分測(cè)定用儀器分析法包括吸收光譜法、發(fā)射光譜法、質(zhì)譜法和紅外/熱導(dǎo)法。

    吸收光譜法主要包括石墨爐原子吸收光譜法（GF-AAS）、火焰原子吸收光譜法（FAAS）、電熱原子吸收光譜法（ET-AAS）、氫化物發(fā)生—原子吸收光譜法（HG-AAS）及流動(dòng)注射（FI）—原子吸收光譜法等，具有高選擇性、高度自動(dòng)化和智能化、干擾少等特點(diǎn)，目前已廣泛用于金屬材料中微量、痕量元素的分析中。

    發(fā)射光譜法主要包括空心陰極原子發(fā)射光譜法、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICPAES）、氫化物發(fā)生—原子熒光光譜法（HGAFS），X射線熒光光譜法和火花源光電直讀光譜法，因其測(cè)定靈敏度高，有較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍，良好的精密度和重復(fù)性，可實(shí)現(xiàn)多元素同時(shí)分析等特點(diǎn)，非常適合于高溫合金中化學(xué)成分的分析。

    質(zhì)譜法中最常使用的是電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）和輝光放電質(zhì)譜法（GDMS），由于其具有譜圖簡(jiǎn)單、靈敏度高、選擇性好、檢出限低、線性動(dòng)態(tài)范圍寬、可多元素同時(shí)快速分析等特點(diǎn)，同時(shí)可與同位素比例和同位素稀釋法、多種分離技術(shù)及進(jìn)樣方式相結(jié)合，非常適合高溫合金復(fù)雜體系的超痕量元素分析中，但此方面的研究主要集中在國(guó)外，在我國(guó)則開(kāi)展的相對(duì)較少。紅外吸收光譜法在鎳基合金分析中的應(yīng)用主要是碳和硫的分析測(cè)定，測(cè)定操作簡(jiǎn)單，易于掌握，確保結(jié)果的快速、準(zhǔn)確。

    綜上所述，高溫合金中化學(xué)成分的分析方法正在逐漸從經(jīng)典化學(xué)分析法及單一的元素分析不斷向儀器分析法及多元素同時(shí)分析的方向發(fā)展，從而將高溫合金中化學(xué)元素的分析推進(jìn)到更新更高的水平。

高溫合金的無(wú)損檢測(cè)

    此外，作為高端裝備的關(guān)鍵部件，高溫合金的應(yīng)用從原材料、坯料到成品的各個(gè)階段，均需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，由于超聲檢測(cè)具有方便、安全、快捷和可靠性的特點(diǎn)，超聲檢測(cè)在高溫合金領(lǐng)域得到了廣泛使用。高溫合金的無(wú)損檢測(cè)在高端設(shè)備檢測(cè)上占有重要的地位，無(wú)損檢測(cè)貫穿著結(jié)構(gòu)件制備的全工程，從原材料到制造過(guò)程再到在役檢測(cè)。常用的無(wú)損檢測(cè)方法有超聲檢測(cè)和熒光檢測(cè)兩種[2]。

    下面將以渦輪盤(pán)為例介紹粉末高溫合金的無(wú)損檢測(cè)方法。

    粉末高溫合金特點(diǎn)為晶粒細(xì)小、組織均勻、無(wú)宏觀偏析、合金化程度高、屈服強(qiáng)度高、疲勞性好是制造高推比新型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)、篦齒盤(pán)最佳材料，我國(guó)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)就用到了粉末材料。渦輪盤(pán)是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件，在高溫工作環(huán)境下承受更高的載荷，工作條件十分苛刻，同時(shí)粉末盤(pán)的特點(diǎn)是導(dǎo)致疲勞斷裂的臨界缺陷尺寸微小，也就是說(shuō)微小缺陷也將嚴(yán)重影響零件的使用性能，甚至造成災(zāi)難性的后果。因此采用新建的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)尤為的重要。

    粉末高溫合金中的缺陷有三種，原始顆粒邊界、熱誘導(dǎo)孔洞和非金屬夾雜物，其中原始顆粒邊界和熱誘導(dǎo)孔洞可通過(guò)改進(jìn)工藝得到解決，但夾雜物通過(guò)現(xiàn)有的粉末制造和處理工藝不能完全消除，因此需要采用無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行控制，即要求無(wú)損檢測(cè)技術(shù)將驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的缺陷可靠地檢測(cè)出來(lái)。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是建立在損傷容限理論基礎(chǔ)上，損傷容限理論認(rèn)為任何結(jié)構(gòu)都存在缺陷，只要這些缺陷不超過(guò)某一容許尺寸，結(jié)構(gòu)就是安全的[3]。

    超聲檢測(cè)

    超聲檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)的常規(guī)方法之一，具有穿透能力強(qiáng)，靈敏度和分辨率高是利用超聲波穿透材料時(shí)的變化檢測(cè)、可定位和定量檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

    超聲檢測(cè)方法按照原理分主要有：脈沖反射法、衍射時(shí)差法、穿透法和共振法等，應(yīng)用最廣泛的是脈沖反射法。脈沖發(fā)射法通過(guò)探頭產(chǎn)生脈沖到工件，根據(jù)來(lái)自工件的反射波情況來(lái)檢測(cè)缺陷。

      超聲波探傷儀是超聲檢測(cè)的主要設(shè)備，通過(guò)發(fā)射電路產(chǎn)生高壓電脈沖，激勵(lì)晶片產(chǎn)生振動(dòng)，藕合到工件中產(chǎn)生發(fā)射超聲波動(dòng)，接收來(lái)自工件的反射波，經(jīng)過(guò)放大、檢波等處理后進(jìn)行顯示。顯示方式有A, B, C, D等，A型顯示是一種波形顯示，橫坐標(biāo)一般代表的是聲波的傳播時(shí)間（或距離），縱坐標(biāo)代表反射波的幅度。根據(jù)波形的形狀來(lái)確定材料中是否有缺陷，缺陷的大小及形狀。B, C, D顯示都是表示的某一截面的灰度圖[5]。

    對(duì)待檢工件進(jìn)行掃查時(shí)，如工件內(nèi)有界面或者存在缺陷時(shí)，在始波和底波之間便會(huì)存在界面波或者缺陷波，如圖就是對(duì)巴氏合金的A掃波形圖，在始波和底波之間的就是復(fù)合層界面波。

    粉末零件缺陷特點(diǎn)是尺寸小。為了檢測(cè)粉末零件中的微小缺陷，關(guān)鍵是提高小缺陷超聲反射信號(hào)幅度和信噪比。如何實(shí)現(xiàn)既能提高小缺陷反射幅度，同時(shí)又能提高信噪比？采用水浸聚焦探頭、高的檢測(cè)頻率是途徑之一。這是因?yàn)榫劢孤暿诮箙^(qū)能量高度集中，聲壓明顯提高，因而小缺陷反射幅度高；聲束穿過(guò)的基體材料體積較小，相應(yīng)引起的散射噪聲也較小，使得信噪比較好。但不同聚焦探頭參數(shù)不同，為了保證零件全厚度范圍的檢測(cè)靈敏度，超聲檢測(cè)工藝參數(shù)的制訂至關(guān)重要。

    傳統(tǒng)高溫合金超聲波檢測(cè)采用的是單個(gè)水浸聚焦探頭，將探頭焦點(diǎn)落在零件表面或某一深度區(qū)域，而粉末盤(pán)的超聲檢測(cè)采用的是多個(gè)探頭分區(qū)檢測(cè)，即使每一個(gè)探頭焦柱區(qū)落在零件的不同深度，這樣零件全厚度范圍超聲檢測(cè)均具有較高的檢測(cè)靈敏度。

    熒光檢測(cè)

    低周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，粉末零件裂紋起始于表面缺陷的約占25％，起始于近表面缺陷的約占30％，其余起始于內(nèi)部，但近表面缺陷的危害更大。熒光檢測(cè)是檢測(cè)零件的表面開(kāi)口缺陷，針對(duì)粉末零件產(chǎn)生的缺陷小的特點(diǎn)，熒光檢測(cè)的關(guān)鍵是確定發(fā)現(xiàn)微小缺陷的工藝參數(shù)[6]。

    熒光滲透液：

    1：水洗型熒光滲透液

    1）成份：

    溶劑：油基溶劑

    溶質(zhì)：油溶性熒光染料

    2）靈敏度

    低靈敏度：適用于表面粗糙零件，用于輕合金鑄件

    中靈敏度：較難從粗糙表面去除，適用于精密鑄鋼件、焊接件、精密鑄鋁件、輕合金鑄件及機(jī)加工表面

    高靈敏度：難于從粗糙表面上去除，適用于良好加工面，用于精密鑄造渦輪葉片等關(guān)鍵工件

    2： 后乳化型熒光滲透液

    1）成份：

    溶劑：油基溶劑

    溶質(zhì)：油溶性熒光染料

    添加：互溶劑、潤(rùn)濕劑等

    2）靈敏度

    標(biāo)準(zhǔn)靈敏度：適用于變形材料機(jī)加工件

    高靈敏度：適用于要求較高的變形材料機(jī)加工件 超高靈敏度：適用于特殊構(gòu)件，如航空渦輪盤(pán)

    3）分類(lèi)：親水性、親油性

    3：溶劑去除型熒光滲透液

    1）成份：與后乳化型熒光滲透液的成份基本相同

    2）靈敏度等級(jí)：低、中、高、超高靈敏度。

    超高靈敏度后乳化熒光滲透方法對(duì)小缺陷具有最高的檢測(cè)靈敏度，因此熒光檢測(cè)方案確定采用超高靈敏度后乳化熒光滲透工藝。

    要保證粉末盤(pán)中0.2mm的缺陷采用熒光方法能夠可靠地檢測(cè)出來(lái)，后乳化熒光滲透液的選擇及工藝參數(shù)至關(guān)重要。具體選用的熒光滲透劑需要根據(jù)結(jié)構(gòu)件的具體材質(zhì)和損傷情況而定。

    依據(jù)選擇的熒光滲透劑的類(lèi)型，選擇合適的顯像方法，依據(jù)滲透探傷的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探傷測(cè)試，然后依據(jù)熒光檢測(cè)的顯示，采用20倍的雙目放大鏡進(jìn)行觀察。

    雖然高溫合金的無(wú)損檢測(cè)很重要，但是關(guān)于高溫合金的無(wú)損檢測(cè)研究報(bào)道非常少，關(guān)于高溫合金的研究大多集中在制造工藝階段和原材料的研究，無(wú)損檢測(cè)相對(duì)滯后。雖然，超聲檢測(cè)和熒光檢測(cè)也取得了一定的結(jié)果，但是由于種種原因，檢測(cè)步驟繁瑣，和檢測(cè)準(zhǔn)確度相對(duì)不高，無(wú)損檢測(cè)仍需要研究。我們還需要投入更多的時(shí)間和精力在高溫合金的檢測(cè)方面。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：王元

《中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事

投稿聯(lián)系：編輯部

電話：010-62313558-806

郵箱：fsfhzy666@163.com

中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414