Введение

Основными показателями конкурентоспособности авиационной продукции являются ее качество, надежность и рабочий ресурс. Неразрушающий контроль – один из основных инструментов оценки качества выпускаемой продукции. Массовое использование авиационной техники в производстве требует постоянного контроля качества деталей [1–4]. Капиллярная дефектоскопия является широко применяемым и самым чувствительным методом неразрушающего контроля для выявления поверхностных дефектов. Высокая чувствительность метода дает возможность находить дефекты с шириной раскрытия у выхода на поверхность не менее 0,001 мм, глубиной от 0,01 мм и длиной >0,1 мм. Достоинством капиллярной дефектоскопии является то, что она точно фиксирует расположение поверхностного дефекта и его геометрические размеры. В основе данного метода лежит явление заполнения капилляра пенетрантом, обладающим высокой проникающей способностью, с последующей регистрацией образующихся индикаторных рисунков в месте расположения дефекта [5–7].

Основной параметр эффективности капиллярного метода – его высокая чувствительность. При этом важно учитывать, что данный условный параметр контроля напрямую связан со степенью заполнения полости поверхностного дефекта пенетрантом, что, в свою очередь, зависит от физико-химических свойств используемого набора дефектоскопических материалов – плотности, вязкости, поверхностного натяжения и т. д. [8]. Чувствительность капиллярного метода зависит также от условий проведения контроля и качества используемых материалов (пенетранта, очистителя, проявителя).

При внедрении на различные предприятия новых современных дефектоскопических материалов, соответствующих требованиям отечественных и зарубежных стандартов, в паспортах качества и сертификатах необходимо обеспечить наличие расширенного списка исследуемых физико-химических параметров, а потребителю для наиболее достоверной оценки качества материала выбрать оптимальный набор методов его исследования с целью контроля выбранных параметров.

Материалы и методы

Современные дефектоскопические материалы представляют собой смеси органических растворителей, красителей, поверхностно-активных веществ и т. д., относятся к 3–4 классу опасности (в соответствии с ГОСТ 12.1.007–76) и имеют температуру вспышки не менее 93 °С.

При анализе научно-технической литературы установлено, что работы по исследованию свойств дефектоскопических материалов можно разделить на следующие направления:

– моделирование физических процессов, происходящих при капиллярном контроле, с целью получения основных физических параметров материалов, оказывающих влияние на процесс контроля. Так, например, в статье [9] рассмотрено моделирование процесса заполнения пенетрантом капилляров, определены его основные параметры ‒ вязкость и плотность, влияющие на заполнение полости капилляра жидкостью. В работе [10] представлены результаты моделирования процесса проникновения пенетранта в полимерные пористые материалы, имитирующие поверхностные дефекты. Основные параметры моделирования – поверхностное натяжение и угол смачивания. В работе [11] проведено математическое моделирование процесса экстракции порошковым проявителем пенетранта из полости поверхностного дефекта, определены значения минимальной ширины дефекта для оптимизации процесса экстракции и продолжительность данного процесса, рассмотрено влияние характеристик порошкового материала (гранулометрического состава) и начального количества пенетранта в полости дефекта на процесс экстракции;

– изучение капиллярных свойств пенетрантов. Наибольший интерес в этом направлении представляет работа [12], где отмечается, что вязкость полярных жидкостей в капиллярах и на межфазной поверхности «жидкость–твердое тело» значительно увеличивается. Считается, что в капилляре полярная жидкость находится в особом фазовом состоянии, так как молекулы жидкости существуют в более упорядоченном состоянии, чем в объеме жидкой фазы, причем степень упорядоченности полярной жидкости снижается с увеличением расстояния от межфазной границы. В работе сравниваются наборы ЛЮМ-9 (водная основа), АЭРО-12А (основа – этанол) и ЛЮМ-1 (основа – трет-бутиловый спирт). Для набора ЛЮМ-9, содержащего воду, эффективная вязкость в капилляре значительно увеличивается с уменьшением диаметра капилляра, в отличие от наборов с другими проникающими жидкостями. Получаемые данные позволяют определять время, необходимое для заполнения капилляра проникающей жидкостью. В работе [13] рассмотрена взаимосвязь между параметрами процесса адсорбции и свойствами пенетранта (капиллярный эффект, краевой угол смачивания), поскольку известно, что капиллярный эффект зависит от вязкости жидкой фазы и поверхностного натяжения.

Таким образом, из данных, представленных в научно-технической литературе, можно сделать вывод, что необходимо контролировать значение таких физико-химических параметров дефектоскопических материалов, как плотность, вязкость, краевой угол смачиваемости, растекаемость и гранулометрический состав. Отклонение этих параметров от значений, указанных производителем, может значительно снизить чувствительность капиллярного контроля.

Результаты и обсуждение

Изменение физико-химических свойств дефектоскопических материалов, влияющих на выявляющую способность, может возникать на всех этапах их «жизненного» цикла: при производстве, транспортировке, хранении, применении. Возможны воздействия пониженных и повышенных температур, прямого солнечного и ультрафиолетового излучения. При изготовлении дефектоскопических материалов наблюдаются случаи применения некачественных реактивов. Поэтому оценку качества материалов следует проводить постоянно – как при использовании их новой партии, так и при проверке качества при хранении. В настоящее время оценка качества (производительности) дефектоскопических материалов производится с использованием контрольных образцов с искусственно выращенными дефектами [14], определяется соответствие выбранного набора физико-химических параметров тем значениям, которые представлены в ТУ/паспорте качества производителя материалов. Данный набор параметров, однако, у каждого производителя может быть свой. Дополнительная причина оценки качества дефектоскопических материалов – отследить изменение физико-химических и технологических свойств с течением времени, поскольку данные свойства могут оказывать влияние на чувствительность капиллярного контроля и на его выявляющую способность [15–17].

Для определения качества и работоспособности различных дефектоскопических материалов существует две группы методик [6]: по отдельным физико-химическим свойствам и по суммарному эффекту выявляемости дефектов (класс чувствительности в составе набора таких материалов).

Методики первого направления просты, их критерии (цвет, яркость люминесценции, интенсивность окрашивания, смачивающая способность, вязкость, плотность, температура кипения, токсичность и т. д.) более понятны и удобны для исследования в связи с широким использованием физико-химических методов.

Второе направление – сложнее, однако отражает конечный результат капиллярного контроля. Это направление охватывает оптические и геометрические характеристики получаемых индикаторных рисунков и технологичность всего процесса контроля.

На качество дефектоскопических материалов и их работоспособность влияют температура, вязкость, химический состав и структура смачиваемой поверхности и ее термодинамические характеристики [18–20].

На пенетрант, очиститель и проявитель накладываются еще условия их применимости, к которым относятся: температура вспышки, токсичность, степень взаимодействия с контролируемыми материалами (коррозионная агрессивность, содержание серы и галогенов), температура применения и стабильность при низких и высоких температурах. Из физико-химических параметров и условий применимости пенетранта, очистителя и проявителя складывается чувствительность всего набора дефектоскопических материалов, а из чувствительности и технологических параметров – комплектность и экономическая эффективность. При этом следует отметить, что существующий набор физико-химических параметров, приводимых в паспортах качества продукции различных производителей, обусловлен необходимостью обеспечения контроля состава готовой продукции и не позволяет определить требуемые технологические параметры, такие как стабильность свойств и работоспособность в процессе использования.

С целью стандартизации процедуры исследования качества дефектоскопических материалов за рубежом и в России разработаны соответствующие стандарты, среди которых ASTM E165, ISO 3452-2, ГОСТ Р ИСО 3452-2–2009 «Контроль неразрушающий. Часть 2. Испытания пенетрантов», а также различные стандарты предприятий, занимающихся производством таких материалов [21].

В данной статье представлены сведения о физико-химических свойствах дефектоскопических материалов (и обоснование для их выбора), контроль за которыми необходим для определения качества и соответствия действующим нормативно-техническим документам (см. таблицу). Часть рассматриваемых параметров не указывается производителями данных материалов и не определяется на предприятиях при проведении входного контроля, в процессе их использования и при внедрении новых наборов.

Набор физико-химических параметров,

определяющих работоспособность дефектоскопических материалов (ДМ)

Внешний вид позволяет определить наличие примесей в дефектоскопических материалах. Основные факторы, на которые следует обратить внимание, – это цвет, прозрачность и наличие осадка.

Плотность и вязкость позволяют оценить соответствие компонентного состава рецептуре приготовления, установленной производителем, а также отследить изменение свойств материалов со временем.

Класс чувствительности – основной параметр эффективности капиллярного контроля, определяющий качество готовой продукции и устанавливаемый в технических требованиях на нее.

Температура вспышки позволяет оценить эксплуатационные и технологические свойства, в том числе определяет возможность использования в автоматизированных линиях капиллярного контроля, а также условия хранения проявителей. Значение температуры вспышки проявителя оценивается на соответствие параметрам, приведенным в технических условиях или паспорте на проявитель. При температуре вспышки <66 °С в открытом тигле и <61 °С в закрытом тигле материал относят к классу легковоспламеняющихся жидкостей.

Устойчивость очистителя/пенетранта к воде. На автоматических линиях и при потоковом контроле есть большая вероятность попадания воды на контролируемые детали (конденсат после сушки и т. д.), вследствие чего вода попадает в пенетрант и очиститель. Для оценки влияния воды на их свойства и работоспособность необходимо количественно определить содержание воды в пенетранте и очистителе, которое не ухудшает их рабочие свойства, особенно для липофильных дефектоскопических материалов. Наличие воды влияет на смачивающую/проникающую способность пенетранта и эмульгирующую способность очистителя, что значительно отражается на надежности и качестве капиллярного контроля. Причем для каждого материала существует индивидуальное критическое содержание воды, оказывающее действие на его свойства. Таким образом, важной задачей является определение критического содержания воды для дефектоскопических материалов. Однако данный параметр производители таких материалов не приводят в паспортах качества и рекомендациях по их использованию.

Устойчивость очистителя к пенетранту. Добавление пенетранта в очиститель может приводить к увеличению фоновой индикации при установленных технологических параметрах контроля. Однако данный параметр производители дефектоскопических материалов не приводят в паспортах качества.

Коррозионная агрессивность пенетранта (очистителя, проявителя) по отношению к металлическим материалам. Оценку следует проводить с целью установления соответствия требованиям ГОСТ 18442–80 в части отсутствия влияния дефектоскопических материалов на материал контролируемого изделия. Ее определяют по отношению к типовым сплавам, подвергаемым контролю капиллярным методом: алюминиевому и никелевому сплавам, стали, а также к титановым сплавам с различной стойкостью к коррозии.

Содержание ионов серы и галогенов. Общее содержание массовой доли ионов серы определяет коррозионную агрессивность дефектоскопических материалов по отношению как к материалам контролируемого изделия в процессе проведения контроля, так и к его остаткам в процессе эксплуатации детали.

Стабильность пенетранта при низких и высоких температурах. При хранении и проведении контроля дефектоскопические материалы могут подвергаться воздействию высоких и низких температур. При осуществлении капиллярного контроля используют конвективную сушку контролируемой детали на этапе удаления избытка очистителя с поверхности при нагреве детали до температуры 70 °С в течение до 30 мин. Вследствие этого возможно ухудшение оптических свойств люминесцентного красителя пенетранта. Деградацией материала считают любое ухудшение выявляющей способности или качества индикаций.

Люминесцентная яркость пенетранта оказывает влияние на «видимость» индикаторного рисунка. Уменьшение люминесцентной яркости может стать причиной пропуска дефекта.

Стойкость пенетранта к ультрафиолетовому излучению. Под действием ультрафиолетового излучения часто можно наблюдать фотодеструкцию люминесцентного красителя, что способствует уменьшению люминесцентной яркости пенетранта. Данный параметр производители дефектоскопических материалов не приводят в паспортах качества.

Гранулометрический состав проявителей. Важной характеристикой проявителей для использования их в капиллярной дефектоскопии являются адсорбционные свойства, которые определяются химическим составом, геометрической формой частиц и величиной удельной поверхности. Для более полного извлечения пенетранта из полостей дефектов необходимо достижение максимально возможного химического сродства поверхности адсорбента к пенетранту, превышающего его сродство к поверхности контролируемой детали. Процесс выявления дефектов проявителем зависит от его пористости и способности смачиваться пенетрантом. Пористость порошкового проявителя может быть описана как плотность заполнения поверхности его частицами, зависит от гранулометрического состава проявителя и должна учитываться при выборе новых адсорбентов для капиллярной дефектоскопии [22, 23].

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Заключения

По результатам проведенного обзора научно-технической литературы, документов о качестве дефектоскопических материалов различных производителей и действующих стандартов в области капиллярного контроля определен набор физико-химических параметров, определяющих качество данных материалов для контроля проникающими веществами. Отмечено, что существующий набор физико-химических параметров, приводимых в паспортах качества продукции для различных производителей, обусловлен необходимостью обеспечения контроля состава готовой продукции и не позволяет определить требуемые технологические параметры, такие как стабильность свойств и работоспособность в процессе использования.

Показано, что существующие методики исследования, традиционно применяемые при оценке качества компонентов набора дефектоскопических материалов, направлены на определение параметров (цвет, яркость люминесценции, интенсивность окрашивания, смачивающая способность, вязкость, плотность, температура кипения, токсичность и т. д.), входящих в зависимости, описывающие различные физические процессы межфазного взаимодействия. Однако они не учитывают технологические параметры, как и методики, направленные на определение суммарного эффекта выявляемости дефектов – класс чувствительности в составе набора дефектоскопических материалов. При этом отмечено, что на качество таких материалов и их работоспособность влияют температура, вязкость, химический состав и структура смачиваемой поверхности и ее термодинамические характеристики.

Показано, что такие параметры дефектоскопических материалов, как устойчивость пенетранта к воде, очистителя к пенетранту, очистителя к воде, а также стойкость пенетранта к ультрафиолетовому излучению, его теплостойкость и гранулометрический состав проявителей, могут влиять на чувствительность капиллярного контроля и требуют дополнительных исследований по степени влияния и разработки методик их оценки.