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航空工业无损检测的应用与需求
徐可北
中国一航北京航空材料研究院前 言
无损检测（或无损探伤，或无损评价）是基于材料的物理性质或制件的使用性能因有缺陷而发 生变化这一事实，在不改变、不损害材料和工件状态和使用性能的前提下，对其质量进行测试，从 而判断材料或制件符合性的技术。就是说，无损检测是利用材料内部组织结构异常引起物理量变化 的原理，反过来用物理量的变化来推断材料内部组织的异常。它既是一门区别于设计、材料、工艺 和使用的相对独立的技术，又是一门贯穿于产品设计、研制、生产和使用全过程的综合技术。在设 计阶段，用于支持损伤容限设计；在研制阶段，用于剔除不合格的原材料、坏料、工序不合格品和 改进制造工艺；在成品检测中，用于判定产品对验收标准的符合性；在在役检测中，用于监测产品 结构和状态的变化，确保产品运行的安全可靠。根据物理原理的不同，无损检测方法多种多样。在 工业应用中最普遍采用的有射线照相检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测，通称五大 常规无损检测方法；其中，射线照相检测和超声检测主要用于内部缺陷检测，而磁粉检测、渗透检 测和涡流检测只能检测表面和近表面缺陷。此外还有声发射检测、激光全息检测、红外检测、计算 机层析成象检测、泄漏检测、微波检测和错位散斑干涉检测等多种新的无损检测方法。
航空产品高可靠、重复使用的特性决定了无损检测在航空工业领域研究与应用的必要性和重要 性。本文就无损检测在航空产品设计、材料研制、生产、使用及维修等各阶段的应用状况和发展需 求作一简要的介绍。无损检测在航空产品设计与材料研制中的应用
在飞机设计的早期，人们以材料是无缺陷的连续均匀介质为前提来计算构件的承载能力，并作 为产品设计的依据，结构的唯一强度标准是静力强度。设计人员承认在零件中可能存在宏观缺陷，但认为这可通过无损检测予以确定，当时对无损检测的要求也只是把有缺陷的材料或零件分选出来。
二次大战后，飞机结构设计采用了安全寿命的概念，要求设计的飞机除了静强度外，还必须满 足疲劳寿命要求。通过对材料、部件和全尺寸飞机的试验决定结构的疲劳寿命，再除以安全系数作 为飞机的安全寿命。这种安全寿命设计不考虑材料和构件在初始状态时可能带有冶金或加工缺陷，也不考虑构件在服役过程中因环境或过载等可产生腐蚀或裂纹的事实，因而也就不能从设计上有效 保证构件在寿命期内的安全性。材料工程专家认识到材料或零件中细小的冶金或加工缺陷往往就是 疲劳源，而使用中疲劳损伤是较难探测的。因此，对无损检测提出了提高检测灵敏度和研究疲劳损 伤检测方法的要求。世纪 70 年代，破损安全设计概念建立并得到试验的支持。70 年代中后期，基于断裂力学理 论进行损伤容限设计和对无损检测可靠性进行定量评定的要求几乎同时形成。损伤容限设计的基本
1思想是：（1）对不可检结构给出最大允许初始缺陷尺寸（损伤容限）；（2）对可检构件给出最大允许 初始缺陷并给出检修周期，以保证结构在给定的使用期限内不致由于缺陷的扩展而出现灾难性事故。显然，损伤容限设计的实施必须取得无损检测的密切配合，最大允许初始缺陷尺寸（ａNDT）的确立、使用期间缺陷的是否萌生和对缺陷发展到何种程度的了解，均取决于无损检测的检出能力与可靠性。
无损检测的可靠性是指具体无损检测方法对缺陷的检出能力，是对用该方法检出特定类型、特 定尺寸缺陷有效性所作出的一种定量度量。由于很多因素影响着缺陷是否能被检出，完成检测工作 时，仅仅根据检测结果并不能说某一特定零件是完全没有缺陷的，而只能断言该零件有一定的可能 性不含有那些特定类型、特定尺寸的缺陷。这种可能性愈大，检测的可靠性就愈高。人们用在一定 置信度（confidence level;CL）下缺陷的检出概率（probability of detection，POD）来对可靠性作出表 述，显然，POD 是缺陷尺寸（a）的函数。
材料的无损表征是指用无损方法就材料化学成分、组织结构、力学性能、弥散的不连续性和缺 陷群等对材料的制备和使用有重要意义的特征作出表述。材料的无损表征或评价的有效性，关键在 于选择合适的无损检测的方法测量出表征材料的上述某一项或多项性能的特性参量，并建立起材料 工艺参量与材料性能之间的对应关系。
例如，Ni3Al 具有很高的硬度，是一种可用于航空发动机关键零件制造的选用材料，其缺点是脆 性过大。材料研究发现，在 Ni3Al 材料中均匀地加入适量的 B 元素可大大增强其韧性，成为兼有良 好硬度和韧性的材料。由于没有一种可以测试和评价 B 元素在 Ni3Al 材料中分布均匀性的无损检测 方法，这种性能优良的材料一直没有得到工程上的应用。GH169 是一种用于飞机发动机热端部件的 高温合金材料，该材料在冶炼过程中可能出现铌元素在局部区域的富集和“贫瘠”。破坏试验结果表 明：GH169 合金的这种铌偏析现象是不可避免的，而严重偏析是材料应用所不允许的，因此，采用 有效的检测方法对合金中铌偏析的定量评价成为 GH169 材料无损检测方法与技术研究的目标和关 键。
新材料研制过程中新工艺的采用，使避免材料中产生宏观和微观缺陷成为可能，面对不断出现 的新材料，无损检测在材料研制中如何充分发挥作用，这是从事无损检测技术研究人员必须考虑的 问题。要解决材料的无损评价问题，首先要找准影响材料性能的关键因素，其次是寻求适用的无损 评价方法和检测技术，最后还要确定无损检测响应与关键影响因素和材料性能之间的对应关系。
目前，国内在航空新材料研究过程中，纯粹针对影响材料性能的因素开展无损检测的研究还比 较少，主要还是针对原材料初级产品，特别是现有无损检测标准方法未覆盖的特殊规格的型材，如 薄规格钛合金、铝合金板材（δ=0.1mm~6mm）、小直径钛合金棒材（Φ≤6mm）、铝合金管材（Φ ≤38mm）等等，开展无损检测可适用方法和提高原材料检测有效性与可靠性的研究。
自上个世纪 80 年代，先进复合材料在航空产品上的应用比例迅速提高，目前某些新型直升机的 复合材料用量可达到 80%~90%，先进歼击机和大型民用客机的复合材料用量可达到 20%~25%。航 空用复合材料的材料种类主要有：碳纤维增强塑料（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GFRP）、聚芳酰 胺纤维增强塑料（KFRP）、Nomex 蜂窝等；结构形式主要有：层板、板板胶接结构、蜂窝夹层结构
2等。不同于金属材料的研究与应用，一方面，复合材料制件往往是一次成型，因此材料与制件二者 的状态难以截然分开；另一方面，复合材料及其制件存在显著的非均质性和各向异性。
针对航空用复合材料及制件的上述特征，无损检测技术的发展与应用呈现出多种方法与技术综 合应用、新方法和新技术不断出现的特点，如激光超声、泄漏兰姆波、红外热像、激光错位散斑等。无损检测在航空产品研制与生产中的应用
无损检测在航空产品研制与生产阶段的应用目标各有侧重。在航空产品研制阶段，无损检测技 术的应用主要任务包括以下两个方面：
（1）确定无损检测方法和技术实施的可行性。如果根据设计图纸研制的产品因结构、工艺等限 制无法有效地实施无损检测，新产品的质量符合性就无从得到确认，因此任何先进的结构设计和新 制造工艺的应用，都要通过无损检测的前期介入来保证产品的可检性。
（2）通过无损检测的参与及其结果的反馈，提高航空产品的设计质量和完善制造工艺。无损检 测的有效参与可以发现因模具设计不合理出现的冶金缺陷多发区（如冷隔、气孔密集）、同类缺陷重 复出现（如未焊透、焊接或淬火裂纹）等，通过无损检测结果反馈，通过对设计及工艺加以分析，提出改进模具浇冒口数量与位置、焊接保温或淬火速度控制等新的更加合理的产品研制方案。
在航空产品的批量生产阶段，无损检测技术的应用主要任务是：从原材料入厂复验、毛坯生产 阶段、精加工阶段到成品交付阶段整个过程，通过无损检测工序的合理安排和方法与技术的正确选 择，可以有效地发现在航空产品各生产阶段可能存在或出现的缺陷，从而剔除不合格品。
航空发动机是飞行动力的提供者，无论是飞机的安全性，还是其自身极端苛刻的工作状态（高 温、高压及高载荷），都给发动机各部件的品质提出了严格要求，因此，航空发动机的重要、关键部 件都必须经过可靠的无损检测。
对于发动机叶片，特别是无余量精铸空心涡轮叶片，一般需要进行缺陷的检测和型面与尺寸的 精确测量。缺陷检测采用的手段主要有 X 射线照相、射线实时成象、荧光渗透检测，型面尺寸（包 括空心叶片壁厚、热障涂层厚度）测量应用的技术主要有激光型面跟踪测量、工业计算机层析成像（即工业 CT）、超声测厚、涡流测厚等。
发动机上的另一类关键重要部件是涡轮盘，一般采用高温合金锻造、粉末热等静压、喷射成形 等工艺研制或生产出毛坯，再经过精细加工而成。从原材料、坯料到成品的各个阶段，均需要进行 无损检测。对于组织致密的涡轮盘材料或制件，一般采用超声方法对其内部缺陷进行检测。高温合 金涡轮盘验收标准等级非常高，通常不允许存在几百微米、甚至几十微米大小的缺陷，因此高频超 声 C 扫描检测技术成为航空发动机涡轮盘检测首选的有效方法，这其中涉及高频聚焦、高速采样与 成像处理、分区聚焦、精密机械扫描、控制与成像软件等方面的技术。
航空发动机上的重要部件还有机匣，一般采用钛合金材料精密铸造而成。先进发动机日益提高 的“功率/重量”比要求大型、复杂且薄壁的机匣采用一次铸造而成，代替了过去由若干个形状相对 简单的部件焊接而成的工艺方法。这种采用新工艺研制的新结构产品给无损检测的方法与技术研究
3提出了新的任务，目前采用的无损检测技术主要包括 X 射线照相、大型工业 CT、X 射线实时成象、带紫外光源内窥镜与荧光渗透技术综合应用等。
虽然飞机机体材料或结构件的质量要求一般要低于发动机材料或部件的验收标准，但机体的材 料种类或结构件规格均远远多于发动机。机身大型构件，如框架、蒙皮等较多采用铝合金材料，包 括各种棒材、锻件、型材、板材，超声接触技术和水浸或喷水超声自动扫描检测技术被广泛应用。由于铝合金材料经热处理后其硬度与电导率之间存在良好的对应关系，因此涡流电导率测试技术在 飞机制造业中有着广泛的应用。飞机上大量的非铁磁性零件在交付安装前一般采用荧光渗透方法进 行表面质量检测，而极少采用着色渗透检测方法。对于尺寸在数米或十几米的大型零件，一般采用 静电喷涂的荧光渗透检测技术；对于中、小尺寸规格的零件，基本上已采用荧光渗透的自动流水线 设备进行检测。至于选用自乳化水洗型还是后乳化溶剂去除型等渗透材料和检测工艺，则是根据被 检测零件的具体材料和结构复杂性而定。
飞机起落架、主传动部件仍然采用高强度的具有铁磁性的结构钢材料。采用磁粉方法实施检测 时，首先要确定磁化规范，而磁化规范的制定是根据磁性材料的磁化特性（主要是磁滞回线）而定。近年来，随着新型结构材料的成功研制与投入使用，在按照方法标准规定的磁化规范实施磁化和磁 粉检验时，多次发现零件表面出现许多磁痕显示。当采用目视、渗透和涡流方法进行复验时，均未 得到可重复出现的缺陷显示，这是一个值得深入分析和研究的问题。无损检测在航空产品使用与维修过程中的应用
航空产品使用与维修过程中无损检测的应用，更多的是集中在民航的维修基地和空军部队的修 理厂。飞机大修中分解零件在检修部门所采用的无损检测方法和技术，与航空制造过程所应用的方 法与技术大体相同，所不同的是：（1）要增加褪漆、除油等一些预处理；（2）无损检测验收标准有所不同，一般要松于制造过程的质量标准要求；（3）由于使用过程中不可能出现夹杂、气孔类的内 部缺陷，而更多的是疲劳裂纹、腐蚀类的表面缺陷，因此渗透、磁粉、涡流方法应用得更为普遍。
在役飞机的原位探伤是航空产品使用与维修过程中无损检测应用的主要形式之一，主要有以下 几个方面的特点：
（1）所使用的仪器设备轻巧、便携，换能器多种多样，以适应检测现场有限的空间和各式各样 复杂的零件型面与工况；对于渗透检测方法而言，更多的是采用着色渗透检测；
（2）检测人员的专业分工不象飞机制造厂那样细，往往要求无损检测人员掌握多种方法与技术，以便对异常信号显示做出快速、正确地判定；
（3）相对而言，在役原位检测的自动化程度较低，更多的是采用手工操作方式。
航空产品使用与维修过程无损检测的实施一般是严格执行由航空器制造商提供的维修检测手 册，因此，航空工业部门必须研究飞机在役使用过程中的无损检测技术，并针对各零部件的承载状 况、使用环境等因素在维修手册中提出科学、合理的检测方法与检修周期。5 目前航空工业发展对无损检测技术的主要需求
“十五”以来，国家加强了国防科技工业的建设与发展，近期又提出了“强化基础、提高能力、军民结合、跨越发展”的基础能力发展战略方针，作为国防科技工业技术基础重要组成部分的无损 检测专业，航空工业无损检测技术的研究与发展面临着难得的机遇和严峻的挑战，需要发挥国内、外高校和研究机构有志于我国航空工业发展、无损检测事业进步的所有科研技术人员的聪明才智和 力量，当然高等院校的教师、研究生正是这支队伍中的生力军。
“十一五”及今后十五年，航空工业对于无损检测技术研究与发展的需求主要有以下几个方面：（1）无损检测新技术、新方法的基础研究与应用。主要包括：红外热像检测技术、激光错位散 斑检测技术、超声相控阵检测应用技术、激光超声检测技术、阵列涡流检测应用技术等。
（2）新材料、新工艺、新结构的无损检测技术研究。新材料包括先进树脂基纤维增强型复合材 料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、单晶高温合金、铝锂合金、耐高温钛合金；新工艺包括精 密铸造、电子束焊、钎焊、热等静压、喷射成形、等离子喷涂、气相沉积等；新结构包括大型复杂 薄壁铸件、叶片与涡轮盘整体铸造叶轮、空心无余量叶片、热障涂层、双曲度座舱盖等。要解决上 述新材料、新工艺、新结构的质量检测问题，不仅需要研究新的无损检测原理与方法，也包括对常 规无损检测方法在具体应用中的技术创新研究。
（3）无损检测相关技术的研究。无损检测是一项综合利用声学、光学、电学、磁学、辐射学等 多项学科领域知识的应用技术，其应用依赖于机械设计与制造、电子线路、计算机软硬件、自动控 制、信号分析与图像处理等学科技术的发展。航空无损检测专用设备研发是一个具有巨大现实需求 的市场，而目前航空用无损检测主要设备还多依赖于进口，这主要在于目前国内尚没有形成具有集 无损检测技术研究和相关支持技术开发于一身，并按照科工贸一体化模式经营的专业化、产业化机 构。
（4）无损检测器材与检测结果可靠性评价技术研究。无损检测仪器、标准（对比）试块、消耗 材料与辅助材料等器材性能的优劣直接影响着无损检测结果的正确性和可靠性，开展无损检测仪器 校准、标准（对比）试块检定、消耗材料与辅助材料性能评价方法与装置系统的研究，是一项发展 航空无损检测技术的紧迫任务。无损检测能力与检测结果的可靠性是航空产品设计采用先进的损伤 容限设计思想的基本前提，近年来，不论是飞机还是航空发动机的设计部门，都多次提出了开展无 损检测可靠性研究的需求。结束语
航空产品的高可靠性要求是无损检测技术研究与发展的原动力，近年来国防科技工业“强化基 础、提高能力、军民结合、跨越发展”的基础能力发展战略方针，为航空无损检测技术的研究与发 展提供了前所未有的机遇，不仅是航空新材料、新工艺、新结构的研究与应用，还是无损检测发展 对相关支持技术的依赖，以及设计部门对无损检测能力的可靠性评价要求和制造部门对高质量无损 检测器材的需求，都从不同的方面给无损检测技术研究提出了大量的课题。
5中国一航北京航空材料研究院真诚希望在无损检测专业领域与国内高校、科研院所和企业开展 多方位、不同层次、多种形式的合作研究，为促进我国航空工业无损检测技术的发展作出积极的贡 献。
