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1 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。

2 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。

20 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。

3 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。