航空装备检测

浅析中美航空装备无损检测技术摘要：本文主要介绍了我国当前航空装备无损检测技术研究的现状以及主要成就，并介绍了美国在装备无损检测技术方面的应用及其主要的检测技术方法，并通过对比提出一些装备无损检测技术的发展方向。关键字：航空装备、无损检测、美国延长包括飞机在内的航空装备的安全使用期是现代航空装备的发展趋势。无损检测（NDT）或无损评价（NDE）技术在航空装备的全寿命过程中起着极其重要的作用，它对保证飞行安全、延长飞机寿命都具有非常重要的意义。随着在航空技术中采用损伤容限理论替代过去的安全寿命设计理论，无损检测技术在航空装备中的应用观点也发生了根本性的变化，这就是无损检测技术应当对装备的全寿命（从摇篮到坟墓）负责，它不但应当能（实现传统意义下的）检测出已经存在的缺陷或裂纹，还应当能对裂纹发展规律进行预测，以保证损伤容限理论的正确实施。无损检测技术是一项典型的具有低投入、高产出特点的工程应用技术。我们很难找到其他任何一个应用学科分支，其涵盖的技术知识之渊博、覆盖的基本研究领域之众多、所涉及的应用领域之广泛能与无损检测相比。1982年10月，时任美国总统的里根在发给美国无损检测学会(ASNT)成立20周年的贺电中曾说过，（无损检测）能给飞机和空间飞行器、发电厂、船舶、汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性，没有无损检测（美国）就不可能享有目前在飞机、船舶和汽车等众多领域和其他领域的领先地位。作为一门应用性极强的技术，只有与国家大型工程项目结合，解决国家大型和重点工程项目中急需解决的安全保障问题，无损检测技术才能有用武之地和广阔的发展空间。航空装备的无损检测涉及面很广，它包括航空材料的检测、航空结构件制造过程的检测和在役设备（飞机）的检测等，虽然都属无损检测，但其检测重点和涵盖的领域有着很大差别。本文在论及航空装备无损检测技术的时候，重点将放在在役装备的检测上。一、我国航空装备无损检测工作现状我国航空领域的无损检测总体上位列世界先进水平，其研究和技术人员能自行解决和攻克航空领域面临的各类复杂的技术疑难问题。摩擦焊是一种新的固相焊接技术，在航空制造上有重要应用，因焊缝区缺陷紧贴、细微，焊缝区冶金组织与母材接近，采用常规针对熔焊缝的X射线或超声波检测方法难以解决摩擦焊检测问题。刘松平等利用入射声波在焊缝区产生的反射/散射/衍射等综合信息进行焊缝缺陷的判别和识别，取得了良好的检测效果。在利用常规TOFD技术的基础上，提出利用L-TOFD和P-扫等技术综合检测搅拌摩擦焊焊接质量，该研究方法可以替代传统的X射线检测法并克服其难以检测焊缝纵向裂纹的缺点，为保证搅拌摩擦焊焊接质量发挥了作用。刘松平等对于复合材料缺陷的检测也进行了具有创新意义的研究，研制成功的CUS-6000复合材料高效超声自动化扫描成像检测设备已达到工业应用级水平，直接可为复合材料制造服务。该研究小组研制的超声显微成像技术可以精确判断各复合材料铺层的缺陷情况，未来可对提高复合材料的制造质量发挥重要作用。耿荣生等在2004~2011年长达8年的时间内，跟踪监测了2类三代机在全机疲劳试验中的损伤发展情况，首次建立了以声发射技术为中心的综合裂纹监控技术，保证了试验的顺利进行，2种机型的寿命均得到50%以上的提高。其课题组发展了一套较为完整的声发射信号处理和预报方法，在充分研究并获得了无裂纹情况下背景声发射信号的统计平均特性后，采用了基于统计分析原理的趋势分析技术，基于时间、基于空间、基于幅度和基于能量的滤波技术，基于声发射信号幅度分布特征研究的信号处理方式，以及采用多参数综合识别技术获得疲劳裂纹萌生和扩展的声发射特征等。他们发展了一套独有的将监测到的声发射信号拆分成不同的时间序列，再利用统计平均参数的相关性等特征量的趋势变化实施监测，取得了明显效果。以2004~2008年对某型号飞机的监测为例，在整个试验过程中，在几乎未出现误报的情况下，成功预报和发现了38条关键裂纹，发现了100多条一般裂纹，这在全尺寸飞机疲劳试验裂纹监测史上是一个奇迹。由于实施了全程监测、检测（以及针对性的耐久修理），使得该机群的飞行寿命增加量达到50%。上述方法在2009年之后也应用到另一机种飞机的全尺寸疲劳试验中并取得成功。二、美军航空装备无损检测工作状况根据美国空军发动机损伤容限要求，80年代初美国空军提出的新型航空发动机设计及选材标准，要求发动机关键部件必须具有优良的损伤容限特性。以涡轮盘为例，已由强度为标准设计进入以低周疲劳为依据进而又以裂纹da/dN为依据的损伤容限设计。近年在粉末盘中又引入了以夹杂物大小和分布为重要依据的统计力学和概率方法。因此对于发动机进行风险评估至关重要。在美军的装备检测中其传统的三类五种检测方法仍是航空发动机无损检测的主流航空发动机有三类无损检测方法：表面、表面/近表面、表面以下。常用的五大检测方法（超声、X射线、涡流、磁粉、渗透）适用于发动机的不同部件。（1）涡流及磁粉检验是主气流通道零部件广泛应用高度可靠的方法通用的表面无损检测法有：表面观察、表面平滑度测量、显微镜法（根据可撕下的塑料薄膜）以及着色渗透检验（特别是与表面相连的不连续性如铸件缩孔、裂纹等）。对表面以及近表面深度（例如0.125mm）检查的方法，涡流检验法是主气流通道零件广泛应用的、高度可靠的方法。磁粉检验是磁性材料如轴承、齿轮及轴的磁场破坏的非常有效的方法。（2）X射线检验法是大多数转动件及静子件皮下检验最有效的方法X射线检验是用作表皮以下检验的原始的但有效的方法。大多数铸造转动件及静子件均用X射线来检验疏松及其他密度受破坏的缺陷。空心叶片孔道的定位也可用X射线检验。（3）超声检验是所有方法中经济可靠的安全检验方法超声检验可检查表皮下的缺陷。尽管应用成本高，但由于可以延长在机上的时间并确保零件的安全和设计寿命，因而经济效益高。例如所有的盘在最后切削加工前均要用切取的方形（声形）标样进行超声检验。超声在改进安全性及成本最低化方面功不可没。同时，美军还会使用一些新技术来进行研究。例如，传统的超生检测方法在航空发动机用树脂基复合材料、涡轮叶片测厚、热障涂层测厚以及焊接结构的无损检测中发挥了重要作用。该类技术近年取得了诸多进展。重要的有超声相控阵检测和声光成像技术等。（1）相控阵超声检测相控阵超声检验与传统超声检验相比，改进了探测的概率，并明显加快了检验速度。后者要用多个不同的探头来做综合性的体积分析，而相控阵检验用一个多元探头即可完成同样的结果，合成的超声束的入射角及焦点深度均可变化，速度比传统方法快得多。GE检测技术公司开发了复合材料检测用的相控阵技术，采用UTxx先进缺陷探测器，该探测器采用NuScan成像软件包。UTxx相控阵机有128个元素探头，扫描速度达到20平方米每小时。超声相控阵技术最初因系统的复杂性及成本高等原因（价格达10万美元），在工业无损检测中的应用受到限制，近年情况大有改观。动态聚焦相控阵系统、二维阵列自适应聚焦相控阵系统、表面波及板波相控阵换能器和基于相控阵的数字成像系统等的研制、开发、应用及完善已成为研究重点。（2）声光成像技术在航空复合材料结构制造及使用中，常用超声来进行无损检验，但它与X射线检验不同，X射线可一次进行大面积的检验，而超声检验时需对结构进行逐点扫描，费工费时。现行的超声检验速度慢，因此大多需要有复杂的多轴机械扫描装置来精确记录换能器的位置数据。现行的超声系统十分昂贵，这是因为需有专门化的设施和受过高度培训的人员来操作及诠释数据。虽然对大型、中度特型结构来说，使用这种超声系统还是合算的，但对较小的以及几何形状复杂的结构来说，成本仍嫌过高。如果用下一代的声成像技术来对复合材料结构进行超声检验，则可像实时的X射线成像技术那样对大面积进行检验。声光成像的核心是它的新颖的、超高分辨率的、有专利权的声光（AO）传感器，该传感器可将超声直接转化成可视图像，声光成像技术分为穿透式及单面式两种。（3）空气耦合超声波技术对于不能暴露在水环境中的复合材料，如C/C及陶瓷基复合材料，采用以空气作耦合剂的超声检验。斯图加特大学用空气耦合超声波C型检测法对C/SiC材料做了测试,可以清晰地看出其预制的分层缺陷。德宇航院对C/C-SiC材料的前驱体、中间体和成型构件进行了空气耦合超声波和调制加热红外的无损检测。三、航空装备无损检测技术的发展趋势（1）提倡绿色NDT——无损检测技术的发展必须与我国工业发展的总体思路相适应绿色制造，即采用节能、减排技术生产环境友好型机械制造设备，这无疑是机械制造业的发展方向。未来的无损检测设备也应该是绿色的，即环境友好型设备。因此，一些传统的、可能会对环境产生污染的检测方法将会逐步被淘汰，或者被新的方法、新的检测媒介所代替。例如磁粉探伤，随着漏磁检测技术的进步和检测灵敏度的提高，以及后者可能更容易实现智能检测和可视检测，在很多场合,磁粉探伤都有可能会被漏磁检测所替代。另一种已经发生并且加速进行的现象是数字射线检测技术终将代替传统的胶片检测方法。近年来，随着新型数字图像板和新型利用图像荧光存储的CR技术的飞速发展，数字射线的成像效果已完全可与传统胶片相媲美，因此，鉴于其环境友好的特征且能存贮、反复使用和实现远距离传输，代替传统胶片射线检测技术已指日可待。另一方面，随着超声检测技术的进步，例如TOFD技术在焊缝检测中作用的加强和标准的建立，（在焊缝方面）用超声TOFD代替或部分代替射线检测也已成为可能，这也符合绿色检测的理念。航空装备的无损检测需要重视这些新技术的推广应用，这方面的工作任重而道远。（2）智能NDT和信息化NDT——信息化和智能化的无损检测设备目前制造业的一个热门话题是信息制造、智能制造，即制造的机械设备系统能够进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。利用目前已经开发出来的晶片传感器技术，并与微电子学和高性能计算机相结合，生产集成化的（综合）、具有信息系统功能和智能检测的设备应当已具备条件。智能NDT和信息化NDT的一个直接结果是让探伤（无损检测）“变得更加单”。事实上，早在20世纪90年代，空军就在这方面进行了十分有益的探索。外场的一些主要探伤工艺存贮在数字化超声波和涡流探伤设备中，大大简化了外场人员的操作步骤，并提高了外场探伤的可靠性。固化了主要机种外场探伤工艺的KK-30智能型超声波探伤仪和SMART-97智能型涡流探伤仪已具备了智能化仪器的雏型，当然，由于缺少可视化的检测结果且没有自动识别功能，这些仪器的智能化水平仍然较低。目前，图像处理和图像自动识别技术飞速发展，有些已十分成熟，可以与该领域研究人员合作，研究智能化程度很高的无损检测设备。（3）集成和数据融合技术每一种无损检测方法都有其适用范围，因此也很难实现对被检对象的完整评估。为了提高检测的可靠性及效率，降低检测成本，实现检测的完整性，可采用包含多种检测方法的无损检测集成技术，但不同检测方法获得的结果不应当是孤立的，而应当有机联系并综合加权,进而对检测对象进行评价，也就是需要对数据（结果）进行融合。因此，对集成检测仪器的一个最基本要求是能提供有效的数据融合平台，而不是简单地将几种不同检测功能拼凑在一起。在2011年的全球华人无损检测高峰论坛上，林俊明提出了云检测的概念，试图将云计算植入无损检测技术。这一设想有可能颠覆传统的一些无损检测设计理念，尽管目前尚处在探索中，但随着所谓“云技术”峰起云涌式的发展，它会给无损检测的发展带来何种影响，还真的需要特别关注。与集成仪器异曲同工的是面向特定对象的专用检测仪器，这相当于“量体裁衣”和“按需订制”的解决问题的方法，对于航空装备检测而言，这也是一种很有前途的发展方向。可能是因为外场特别需要，空军在这方面有着相对丰富的经验。例如，在对某型发动机低压压缩器一级盘凸台左侧叶片槽进行检测时，将TOFD的一收一发双探头改为一个双晶探头，研制的一级盘叶片槽专用5MHzTOFD探头可有效解决一级盘凸台左侧叶片槽的裂纹检测问题。另外，在对某型发动机二级涡轮叶片叶背裂纹的检测中，空军有关研究单位研制出了专用涡流探头并配发部队，有力地保障了该型发动机的安全。（