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專題 | 飛機外場腐蝕損傷檢測方法研究

2018-01-03 10:39:49 作者：張幸何衛平 ( 中國特種飛行器研究所湖北荊門 448 來源：《腐蝕防護之友》分享至：

飛機在服役環境下的腐蝕損傷會引起機體材料靜強度和疲勞強度的削弱，直接影響著飛機的使用壽命和安全可靠性[1] 。對飛機結構件腐蝕損傷的檢測和早期預報，是實現飛機結構日歷壽命體系評定的重要手段，對有效提高飛機在使用維護中的安全性、經濟性，延長飛機的使用壽命具有重要意義[2,3] 。

但是，傳統的無損檢測技術如超聲波檢測，渦流檢測及滲透檢測均存在明顯的不足 [4,5] 。如：①超聲波檢測對小、薄、復雜零件難以檢測，需耦合劑耦合，檢測時間長，存在盲區，對近表面的檢測能力差；②渦流檢測信號受探頭提離效應影響較大，對零件幾何形狀、突變引起的邊緣效應敏感，對檢測人員要求較高，容易造成漏判和誤判；③滲透檢測不能檢測表面多孔材料，不能檢測隱蔽腐蝕和裂紋。可以說，這些方法都不是十分有效可靠的腐蝕損傷檢測方法，無法及時地檢測出剛剛發生的腐蝕。同時，上述傳統的無損檢測方式也無法滿足飛機外場對檢測靈活性，可操作性的要求。

近年快速發展起來的一些先進無損檢測技術如 CR（ComputedRadiography）數字成像技術、DR（DigitalRadiography）數字直接成像技術及紅外熱波檢測技術對腐蝕檢測起到了很大的推動作用[6-12] 。相比于傳統檢測方法，這些新型檢測技術具有檢測速度快，成像質量高，操作簡單方便等一系列優勢，適合用于外場檢測、現場應用和在線、在役檢測[13-16] 。本文結合某型飛機鋁合金和結構鋼的腐蝕損傷特點，選取 X 射線 CR、X 射線 DR、紅外熱波檢測三種無損檢測方法對其典型腐蝕損傷件進行檢測，分析各檢測方式的成像特點和檢測性能，選定適于外場使用的腐蝕損傷檢測方法，為飛機外場腐蝕損傷檢測和維修提供技術支持。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為某型飛機用高強度鋁合金（2024）和結構鋼（30CrMnSiA），結合飛機在服役時的腐蝕損傷特點，分別進行以下三類腐蝕損傷件的制備：

① A 類—平板腐蝕損傷件

A 類腐蝕損傷件為平板腐蝕件，尺寸為 100×60×3mm 的薄板，試驗件材料、損傷類型和損傷制備方式等見表 1。

② B 類—腐蝕 / 裂紋損傷件

B 類腐蝕損傷件為夾層腐蝕 / 裂紋損傷件，由 3 塊尺寸均為 100×60×3mm 的平板件雙剪螺接形成，試驗件材料、損傷類型和損傷制備方式等見表 2。

③ C 類—腐蝕損傷件C 類腐蝕損傷件為夾層腐蝕損傷件，由 3 塊平板件螺接形成。試驗件材料、規格和損傷類型和損傷制備方式等見表 3。

1.2 腐蝕損傷的檢測方法

分別采用 X 射線 CR、X 射線 DR、紅外熱波檢測三種無損檢測方法對 2.1 中所預制的腐蝕損傷進行檢測，所采用的檢測設備及檢測工藝參數如下：

① X 射線 CR 成像

采用射線機和 VMI NDT CR 無損檢測系統（尺寸：130×68×37cm；重量：40kg）對預制腐蝕損傷試樣進行檢測。其中，CR 成像系統的主要裝置包括影像采集部分（IP 板）、影像掃描部分（激光掃描儀）及影像后處理和記錄部分（成像軟件），具體試驗參數如表 4 所示。

② X 射線 DR 成像

采用 V-RX 便攜式 X 射線 DR 成像系統（尺寸：80×45×30cm；重量：34kg）對預制腐蝕損傷試樣進行檢測。所采用的射線機為連續射線機，焦點尺寸為 0.4mm，成像板分辨率為 3.5lp/mm，動態范圍為 14 位。試驗采用高電壓、低電流和低曝光時間，具體的試驗參數如表 5 所示。

③紅外熱波檢測

采用 Thermoscope Ⅱ便攜式脈沖加熱紅外熱成像無損檢測系統對對預制腐蝕損傷試樣進行檢測。該系統由脈沖熱源、紅外熱像儀（尺寸：22×14×13cm；重量：3.2kg）和計算機圖像處理系統（尺寸：40×30×15cm；重量：10kg）三部分組成。根據鋁合金和結構鋼腐蝕損傷試件的表面狀況，在其表面刷涂水溶性黑漆進行表面處理，以提高檢測表面的發射率。實驗在室溫下進行，根據被測試件的導熱特性和實驗所要達到的目的，選擇的具體參數為：閃光燈能量：9.8KJ；采集頻率： 60HZ；探測時間： 15s。

2 結果與討論

2.1 X射線CR技術檢測結果

X 射線 CR 便攜式數字成像系統對鋁合金和結構鋼腐蝕損傷件進行檢測，其檢測結果見圖 1（b）～圖 6（b）和表 7。3mm 厚鋁合金和結構鋼平板件預腐蝕后的宏觀形貌和 CR 成像照片如圖1和2中的（a）和（b）所示（腐蝕缺陷見箭頭標記處）。由圖和表可知，X 射線 CR 設備可檢測到 3mm 厚的鋁合金（從缺陷正面檢測）和結構鋼（從缺陷反面檢測）平板件上的腐蝕（箭頭標記處），檢測鋁合金板腐蝕的靈敏度≤ 2.7%，檢測結構鋼板腐蝕的靈敏度≤ 7.9%，結果表明采用 X 射線從試件正面和反面檢測腐蝕缺陷的效果相似。由圖3（b）～圖6（b）可知，X 射線 CR 設備可檢測到 9mm 厚的鋁合金和結構鋼連接件夾層中間和邊緣的裂紋，螺栓孔邊裂紋不明顯，檢測裂紋的靈敏度≤ 2.2%；無法檢測 9mm 厚鋁合金和結構鋼連接件夾層中的腐蝕，其可能原因是腐蝕缺陷不夠深，缺陷與試件總厚度之比太小。

2.2 X射線DR技術檢測結果

采用 X 射線 DR 便攜式無損檢測系統對腐蝕損傷件進行檢測，其檢測結果如圖 1 ～圖 6 中（c）和表 7 所示（腐蝕缺陷見箭頭標記處）。對于 3mm 厚的鋁合金平板件，將 DR 系統的銳化、灰度調節后，可看出鋁板上的腐蝕（圖 1（c）），檢測鋁合金板腐蝕的靈敏度≤ 2.7%。圖 2（c）是 DR 系統的二維浮雕效果圖，對于3mm厚的結構鋼平板件，將DR系統的銳化、灰度調節后，可清晰、直觀地看出鋼板上的腐蝕，檢測結構鋼板腐蝕的靈敏度≤ 7.9%。由圖 3（c）～圖 6（c）可知，對于 9mm 厚的鋁合金和結構鋼連接件，可檢測到夾層中間和邊緣的裂紋，檢測裂紋的靈敏度≤ 2.2%；無法檢測夾層中腐蝕和孔邊裂紋，其可能原因是腐蝕缺陷深度不夠，缺陷與試件總厚度之比太小，孔邊預制裂紋太短，被螺帽遮擋，增加了檢測難度。

2.3 紅外熱波檢測結果

采用某型便攜式紅外熱波檢測系統對腐蝕損傷件進行檢測，其檢測結果如圖 1（d）～圖 6（d）和表 7 所示。由圖 1（d）和圖 2（d）可知，對于 3mm 厚的鋁合金和結構鋼平板件，可從缺陷正面檢測到腐蝕，檢測鋁合金板腐蝕的靈敏度≤2.7%，檢測結構鋼板腐蝕的靈敏度≤7.9%。由圖3（d）～圖6（d）可知，對于 9mm 厚的鋁合金和結構鋼連接件，無法檢測到夾層中的腐蝕和夾層中間、邊緣以及孔邊裂紋，可能是由于缺陷的寬深比和面積未達到設備的檢測靈敏度。

2.4 X射線DR檢測方法二次驗證結果

上述試驗結果表明：針對飛機用鋁合金和結構鋼腐蝕 /裂紋損傷，綜合考慮檢測快捷性、檢測有效性和設備便攜性，X 射線 DR 成像檢測方法較佳，可檢測鋁合金和結構鋼單層腐蝕及夾層裂紋，未檢測到鋁合金和結構鋼夾層腐蝕，可能原因是預制腐蝕缺陷深度不夠。為了進一步驗證 X 射線 DR 成像檢測方法對多層腐蝕的檢測能力，制備 C 類腐蝕損傷件進行腐蝕損傷檢測。

C 類腐蝕損傷檢測試驗件有 1、2、3 三層，其腐蝕缺陷示意圖如圖 7 所示。采用便攜式 X 射線 DR 無損檢測系統對腐蝕損傷件進行檢測，檢測試件第二層時，第一層因曝光量相對較大變為不可見，檢測試件第三層時，第一層及第二層因曝光量相對較大變為不可見。對于鋁合金，檢測第一層和第二層時放置球形校準塊和 5mm 鋁板試塊，檢測第三層時放置球形校準塊和 10mm 鋁板試塊，可檢測夾層中的隱蔽腐蝕，其檢測結果如圖 8 和表 8 所示。由圖可知，X 射線 DR 無損檢測系統可檢測單層、雙層、三層鋁合金件中的隱蔽腐蝕損傷，檢測2mm 厚鋁合金板（單層）腐蝕的靈敏度≤ 10%，檢測 4mm 厚鋁合金板（雙層）腐蝕的靈敏度≤ 7.5%，檢測 7mm 厚鋁合金板（三層）腐蝕的靈敏度≤ 7.1%。對于結構鋼，檢測檢測第一層和第二層時放置球形校準塊，檢測第三層時，放置階梯試塊及球形校準塊，可檢測夾層中的隱蔽腐蝕，其檢測結果如圖 9 和表 9 所示。由圖可知，X 射線 DR 無損檢測系統可檢測單層、雙層、三層結構鋼件中的隱蔽腐蝕損傷，檢測1.5mm厚結構鋼板（單層）腐蝕的靈敏度≤ 6.7%，檢測 3mm 厚結構鋼（雙層）腐蝕的靈敏度≤ 10%，檢測 6mm 厚結構鋼板（三層）腐蝕的靈敏度≤ 8.3%。

3 結論

（1）采用 X 射線 CR 數字成像方法可檢測鋁合金和結構鋼單層隱蔽腐蝕損傷和多層隱蔽裂紋，且其需另配 X 射線源使用。

（2）采用 X 射線 DR 檢測方法可檢測鋁合金和結構鋼單層 / 多層隱蔽腐蝕損傷 / 裂紋，（3）采用紅外熱波檢測方法只可檢測鋁合金和結構鋼單層隱蔽腐蝕損傷。

綜上所述：對于飛機鋁合金和結構鋼的腐蝕損傷，X 射線DR 成像方法能夠更可靠、便捷地檢測單層 / 多層結構隱蔽腐蝕 / 裂紋損傷，該便攜式 DR 無損檢測系統尺寸小、重量輕、檢測時間短，更能滿足便攜性和檢測快捷性的特點，特別適于飛機外場使用。

● 作者簡介

張幸，女，1984年11月生，碩士，高級工程師，2010年畢業于西北工業大學材料學專業。工作以來，先后參加了海裝航訂部、飛機辦、空裝、工信部、航空廠所多個型號、項目、課題的腐蝕防護與控制設計、驗證與評價工作，曾擔任“某型機典型防護體系及環境適應性驗證與評估”和“某型機艦上腐蝕損傷安全修理技術”項目負責人，現擔任所內某浮空器型號腐蝕防護專業主任設計師，“水陸兩棲飛機腐蝕防護與控制”子專題負責人和“某型飛機內部結構腐蝕防護與控制技術”項目負責人，獨立/參加編寫各類技術文件（項目建議書、論證報告、合同、研究方案、研究報告等）百余份，榮獲集團公司科技進步三等獎2項，發表核心論文 10 余篇，申報專利 1 項。

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