浅谈无损检测在航空维修中的应用及发展

第1页共12页1浅谈无损检测在航空维修中的应用及发展摘要无损检测（Non-destructiveTesting，NDT），又称无损探伤，是指在不损伤被检测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等物理量的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷。[1]无损检测被广泛用于金属材料、非金属材料、复合材料及其制品以及一些电子元器件的检测。航空航天材料和工艺的发展与无损检测有密切的关系。20世纪30年代初磁粉探伤用以检验航空钢零件。后来，超音速飞机和空间技术迅速发展，大量新材料用于飞行器，促进了激光全息、红外线、声发射等新的无损检测技术。无损检测技术对航空工业具有极其重要的作用,各种最先进的无损检测技术,其首先应用的领域基本都是航空工业。可以毫不夸张地说,航空工业的安危系于无损检测。[9]本文介绍了射线探伤、超声检测、声发射检测、渗透探伤、磁粉探伤等几种现在较为成熟的航空无损检测技术，并分别分析其优缺点。随后简要介绍了无损检测的最新进展，并列举了X射线计算机层析技术、磁记忆检测技术、利用材料自身特性的探伤技术、记忆效应探伤技术、光导纤维探伤技术等先进的无损检测新技术，并对无损检测的未来发展方向做了简要分析展望。关键字：无损检测NDT航空工业飞机维修第2页共12页2目录1无损检测概述32无损检测在航空维修中的应用42.1概述42.2射线探伤42.3射线探伤52.4声发射检测62.5渗透探伤72.6磁粉探伤83无损检测技术的最新进展83.1X射线计算机层析技术93.2磁记忆检测技术93.3利用材料自身特性的探伤技术103.4利用形状记忆效应的探伤技术103.5利用光导纤维的探伤技术114无损探伤的发展方向11参考文献12第3页共12页31无损检测概述无损检测，是用非破坏方法检查材料、毛坯和零件的内部或表面缺陷并评价其整体质量的技术，又称无损探伤。它的英文名称是NondestructiveTesting，简称为NDT。通过使用NDT，能发现材料或工件内部和表面所存在的缺欠，能测量工件的几何特征和尺寸，能测定材料或工件的内部组成、结构、物理性能和状态等。NDT能应用于产品设计、材料选择、加工制造、成品检验、在役检查（维修保养）等多方面，在质量控制与降低成本之间能起最优化作用。NDT还有助于保证产品的安全运行和（或）有效使用。由于各种NDT方法，都各有其适用范围和局限性，因此新的NDT方法一直在不断地被开发和应用。通常，只要符合NDT的基本定义，任何一种物理的、化学的或其他可能的技术手段，都可能被开发成一种NDT方法。在我国，无损检测一词最早被称之为探伤或无损探伤，其不同的方法也同样被称之为探伤，如射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤等等。这一称法或写法广为流传，并一直沿用至今，其使用率并不亚于无损检测一词。在国外，无损检测一词相对应的英文词，除了该词的前半部分——即non-destructive的写法大多相同外，其后半部分的写法就各异了。如日本习惯写作inspection，欧洲不少国家过去曾写作flawdetection、现在则统一使用testing，美国除了也使用testing外，似乎更喜欢写作examination和evaluation。这些词与前半部分结合后，形成的缩略语则分别是NDI、NDT和NDE，翻译成中文就出现了无损探伤、无损检查（非破坏检查）、无损检验、无损检测、无损评价等不同术语形式和写法。实际上，这些不同的英文及其相应的中文术语，它们具有的意义相同，都是同义词。为此，国际标准化组织无损检测技术委员会（ISO/TC135）制定并发布了一项新的国际标准（ISO/TS18173:2005），旨在将这些不同形式和写法的术语统一起来，明确它们是有一个相同定义的术语、都是同义词，即等同于无损检测（non-destryctivetesting）。而不同的写法，仅仅是由于语言习惯不同而已。[1]目前用于无损检测的方法很多。除了5种常规（射线、超声、磁粉、渗透和涡流）方法外，还有红外、激光、声发射、微波，工业CT等。下面是一些常见的无损检测的方法：1、射线探伤(radiographictesting)。利用X射线或γ射线在穿透被检物各部分时强度衰减的不同，检测被检物的缺陷。若将受到不同程度吸收的射线投射到X射线胶片上，经显影后可得到显示物体厚度变化和内部缺陷情况的照片。如用荧光屏代替胶片，可直接观察被检物体的内部情况。2、超声检测(ultrasonictesting)。利用物体自身或缺陷的声学特性对超声波传播的影响，来检测物体的缺陷或某些物理特性。在超声检测中常用的超声频率为0.5～5兆赫（MHz）。最常用的超声检测是脉冲探伤。3、声发射检测(acousticemissiontesting)。通过接收和分析材料的声发射信号来评定材料的性能或结构完整性。材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生应力波的现象称为声发射。材料在外部因素作用下产生的声发射，被声传感器接收转换成电信号，经放大后送至信号处理器，从而测量出声发射信号的各种特征参数。第4页共12页44、渗透探伤(penetranttesting)。利用某些液体对狭窄缝隙的渗透性来探测表面缺陷。常用的渗透液为含有有色染料或荧光的液体。5、磁粉探伤(magnetictesting)。通过磁粉在物体缺陷附近漏磁场中的堆积来检测物体表面或近表面处的缺陷，被检测物体必须具有铁磁性。2无损检测在航空维修中的应用2.1概述航空航天材料和工艺的发展与无损检测有密切的关系。20世纪30年代初磁粉探伤用以检验航空钢零件。1935年，X射线开始用于检查飞机木质螺旋桨。在第二次世界大战期间，飞机已经大量使用铝合金和镁合金，为了检查这些非铁磁性材料的表面缺陷，开始使用荧光渗透检验法。后来，超音速飞机和空间技术迅速发展，大量新材料用于飞行器，促进了激光全息、红外线、声发射等新的无损检测技术。用激光全息照相法检查蜂窝结构件和胶接结构件时从全息图中很容易发现脱粘缺陷（见图）。在航天工业中，用声发射技术逐片检查隔热陶瓷瓦，保证了航天飞机的试飞成功。现代航空器和航天器失事，有些就出于材料和工艺的原因。飞行安全问题引起人们越来越大的关注，因而无损检测技术在70年代末得到了很大的发展。飞行器的设计较多地选用高强度和高温高强度材料。这类材料通常断裂韧性（抗裂纹扩展能力）较低，允许的缺陷尺寸很小，因此要求探伤有极高的灵敏度和分辨率。飞机大梁磁粉探伤须使用高灵敏度规范，涡轮轴荧光检查则须使用超高灵敏度的荧光渗透液。为了检查铸造空心叶片的显微疏松,已有微米级焦点X射线探伤机。由于材料制造工艺的改进，宏观缺陷已逐渐减少,而微观缺陷的危害则相应突出。超声衰减和超声显微镜等新技术，已开始试用于检查粉末冶金涡轮盘中原始颗粒边界处的微小氧化物。2.2射线探伤射线探伤是利用X射线或γ射线在穿透被检物各部分时强度衰减的不同，检测被检物中缺陷的一种无损检测方法。被测物体各部分的厚度或密度因缺陷的存在而有所不同。当X射线或γ射线在穿透被检物时,射线被吸收的程度也将不同。若射线的原始强度为I0,通过线吸收系数为μ的材料至距离l后，强度因被吸收而衰减为I，其关系为1130.460.75hhhh（2.1）若将受到不同程度吸收的射线投射在X射线胶片上,经显影后可得到显示物体厚度变化和内部缺陷情况的照片（X射线底片）。这种方法称为X射线照相法（见图）。如用荧光屏代替胶片直接观察被检物体，称为透视法。如用光敏元件逐点测定透过后的射线强度而加以记录或显示，则称为仪器测定法。第5页共12页5图1射线探伤X射线是在高真空状态下用高速电子冲击阳极靶而产生的。γ射线是放射性同位素在原子蜕变过程中放射出来的。两者都是具有高穿透力、波长很短的电磁波。不同厚度的物体需要用不同能量的射线来穿透，因此要分别采用不同的射线源。例如由X射线管发出的X射线（当电子的加速电压为400千伏时），放射性同位素60Co所产生的γ射线和由20兆电子伏直线加速器所产生的X射线，能穿透的最大钢材厚度分别约为90毫米、230毫米和600毫米。射线照相法已广泛应用于焊缝和铸件的内部质量检验，例如各种受压容器、锅炉、船体、输油和输气管道等的焊缝，各种铸钢阀门、泵体、石油钻探和化工、炼油设备中的受压铸件，精密铸造的透平叶片，航空和汽车工业用的各种铝镁合金铸件等。透视法的灵敏度较低，仪器测定法操作比较麻烦，两者均应用不多。射线照相法能较直观地显示工件内部缺陷的大小和形状,因而易于判定缺陷的性质,射线底片可作为检验的原始记录供多方研究并作长期保存。但这种方法耗用的X射线胶片等器材费用较高,检验速度较慢，只宜探查气孔、夹渣、缩孔、疏松等体积性缺陷，而不易发现间隙很小的裂纹和未熔合等缺陷以及锻件和管、棒等型材的内部分层性缺陷。此外，射线对人体有害，需要采取适当的防护措施。[3]2.3射线探伤超声检测是指用超声波来检测材料和工件、并以超声检测仪作为显示方式的一种无损检测方法。超声检测是利用超声波的众多特性（如反射和衍射），通过观察显示在超声检测仪上的有关超声波在被检材料或工件中发生的传播变化，来判定被检材料和工件的内部和表面是否存在缺陷，从而在不破坏或不损害被检材料和工件的情况下，评估其质量和使用价值。超声波是频率高于20千赫的机械波。在超声探伤中常用的频率为0.5-5兆赫。这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射。这种反射现象可被用来进行超声波探伤，最常用的是脉冲回波探伤法探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上（用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件），探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度（与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较），即可测定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，还有用另一探头在工件另一侧接受信号的穿透法。利用超声法检测材料的物理特性时，还经常利用超声波在工件中的声速、衰减和共振等特性。第6页共12页6超声波是频率大于20kHz的一种机械波（相对于频率范围在20Hz-20kHz的声波而言）。超声检测用的超声波，其频率范围一般在0.25MHz-15MHz之间。用于金属材料超声检测的超声波，其频率范围通常在0.5MHz-10MHz之间；而用于普通钢铁材料超声检测的超声波，其频率范围通常为1MHz-5MHz。超声波具有众多与众不同的特性，如：声束指向性好（能量集中）；声压声强大（能量高），传播距离远；穿透能力强；在界面处会产生反射、透射（或折射）和波型转换，以及产生衍射等。图2超声检测--脉冲回波探伤法脉冲回波探伤法通常用于锻件、焊缝及铸件等的检测。可发现工件内部较小的裂纹、夹渣、缩孔、未焊透等缺陷。被探测物要求形状较简单，并有一定的表面光洁度。为了成批地快速检查管材、棒材、钢板等型材，可采用配备有机械传送、自动报警、标记和分选装置的超声探伤系统。除探伤外，超声波还可用于测定材料的厚度,使用较广泛的是数字式超声测厚仪,其原理与脉冲回波探伤法相同，可用来测定化工管道、船体钢板等易腐蚀物件的厚度。利用测定超声波在材料中的声速、衰减或共振频率可测定金属材料的晶粒度、弹性模量(见拉伸试验)、硬度、内应力、钢的淬硬层深度、球墨铸铁的球化程度等。此外，穿透式超声法在检验纤维增强塑料和蜂窝结构材料方面的应用也已日益广泛。超声全息成象技术也在某些方面得到应用。[4]2.4声发射检测材料或构件因受力产生变形或断裂，以弹性波的形式释放出应变能称为声发射。利用接收声发射信号研究材料、动态评价结构的完整性称为声发射检测技术。声发射技术是1950年由德国人凯泽(J.Kaiser)开始研究的，1964年美国应用于检验产品质量，从此获得迅速发展。声发射检测的基本原理见图。材料的范性形变、马氏体相变、裂纹扩展、应力腐蚀以及焊