无损检测技术在航空发动机上的应用研究

无损检测技术在航空发动机上的应用研究

在航空发动机维修方面的应用

无损检测，就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称。常规的用于航空发动机维修方面的无损检测方法主要有超声检测、射线检测、内窥镜检查、磁粉检测、渗透检测、涡流检测等。它们被用于被检物表面缺陷检测和内部缺陷检测。

航空发动机组成零件多，工作环境恶劣且在不断变换的工作状态中工作，对性能要求极为严格，且发动机结构还要不断更新，导致其维修比重加大。同时由于现代设备性能更高级，技术更加综合，结构更加复杂，给航空设备的定期维修、快速维修特别是大修带来很大挑战，因此目前航空发动机的维修装备和手段也在不断发展，推陈出新，使航空发动机的维修手段更加现代化、高科技化。无损检测能在不损坏试件材质、结构的前提下进行检测，对发动机影响最小，使得无损检测技术广泛应用于发动机维修中。

磁粉检测

磁粉检测的基本原理和方法 一、磁粉检测的基本原理

当铁磁性工件被磁化后，如果工件表面或近表面存在缺陷，造成局部磁阻增大，磁力线在缺陷附近弯曲，呈绕行趋势，如图7-12所示。溢出的磁力线叫缺陷漏磁，形成缺陷漏磁场，此漏磁场将吸引、聚集检测过程中，施加在工件表面上的磁粉，形成缺陷显示。

磁化方法

磁化检测第一步是要对被检工件进行磁化。当缺陷方向与在工件上建立的磁场磁力线呈90夹角时，漏磁最严重，缺陷显示的最清晰，当夹角小于45时，灵敏度将明显下降，当方向平行时，缺陷可能不会显示出来。因此，要尽可能选择有利于发现缺陷的方向对工件进行磁化。磁化方法一般分为周向磁化法、轴向（纵向）磁化法和复合磁化法。

（一）周向磁化法

图7-13（a）、（d）示出用电流直接通入工件，或在穿过工件芯棒上通电流，使工件磁化，产生的磁力线绕工件轴线呈圆周形。这种磁化法叫周向磁化法，易发现工件表面或近表面的沿工件轴向的纵向缺陷。

（二）轴向（纵向）磁化法

图7-13中的（b）、（e）、（g），给工件通电流，或通过线圈通电流，使工件磁化，产生沿工件轴向的磁力线，叫轴向磁化法，易发现与工件轴向垂直的周向裂纹。 （三）复合磁化法

在实际中往往不能预料缺陷的方向，这时可以采用互相垂直磁场的复合磁化法。这种磁化法是同时对工件进行周向磁化和轴向磁化。这种情况下，产生的磁场强度，为各方法产生磁场强度的矢量和，利用这种磁化方向法可发现多方向的缺陷。

磁粉检验方法 （一）连续法

在对工件充磁的同时，往工件上喷洒磁粉或磁悬浮液，并进行检查。

这种方法能以较低的磁化电流达到较高的灵敏度，特别适合剩磁磁性低的材料。但操作起来不太方便，检查效率低。 （二）剩磁法

利用工件充磁后的剩磁进行检查。这种方法操作简单方便，效率高，但需要用较大的磁化电流，而且只适用剩磁感应强的材料。

磁粉检测方法的应用和退磁处理 （1）磁粉检测方法的应用

磁粉检测方法用于检测铁磁性材料工件表面或近表面的裂纹，夹杂等缺陷。这种方法操作简单，速度快，灵敏度高，缺陷显示直观，能准确地确定缺陷大小，形状和位置。飞机结构上的铁磁性工件表面或近表面的缺陷都可以用磁粉检测法来检测，检测结果直观而可靠。

磁粉检测法不适用于非铁磁性材料；在检查前必须对被检工件的表面进行清洗，而且，不能检测出缺陷的深度，另外，检测后要对探伤工件进行退磁处理。 （2）退磁处理

若对经过磁粉检测法探伤的工件不进行退磁处理，工件上的剩磁场会对工件以后的加工或工作带来不利影响。

剩磁会影响工件周围某些仪器和仪表的工作精度和功能；剩

磁会吸附磁粉，造成工件的磨损；剩磁会吸附铁屑，破坏工件表面精度，并使刀具钝化；在工件需要电焊时，剩磁会引起电弧的偏吹和游离；会干扰以后的磁粉检测。退磁时，可以让工件在通交流电的线圈中，缓慢而平稳的通过，进行交流电退磁；也可以通过将直流电流换向，并逐渐将电流减少为零，进行直流电退磁。工件退磁后，应用磁场计进行剩磁场测量，剩磁场强度小于一定的数值，退磁工作才能完成。

渗透检测

渗透检测方法的基本原理和分类 一、渗透检测方法的基本原理

将溶有荧光染料或着色染料的渗透剂，施加在工件的表面上，由于毛细作用，渗透剂可以渗入到表面各种类型的开口细小缺陷中去。清除附着在工件表面上多余的渗透剂，干燥后，再在工件表面涂一层显像剂，缺陷中的渗透剂在毛细作用下，重新被吸附到工件表面上，从而显示出工件表面上的开口缺陷（图7-14）。

渗透检测法的分类和特点

按照渗透检测法所使用的渗透剂中的溶质不同，可将渗透检测法分为着色检测法和荧光检测法，而按照所使用的渗透剂的清洗方法，又可分为水洗型渗透检测、溶剂清洗型检测和后乳化型检测。

着色检测法和荧光检测法

1、着色检测法：使用的渗透剂含有红色染料，施加显像剂以后，重新被吸附到工件表面上的着色渗透剂在白光源下显示红色痕迹，形成颜色较深、鲜艳、边缘不十分清晰的缺陷图像。着色检测法不需要暗室和紫外线光源，操作简单、成本低，但与荧光检测法相比，灵敏度较低。

2、荧光检测法：使用的渗透剂含有荧光物质。缺陷观察采用紫外线光源（也称黑光灯）。施加显像剂以后，重新被吸附到工件表面上的荧光渗透剂在紫外线照射下，呈现出黄绿色荧光。荧光检测法比着色检测法灵敏度高，适用于检测工件表面疲劳等细小裂纹。但需要暗室和紫外线光源，成本较高。水洗型检测、溶剂清洗型检测和后乳化型检测

（1）水洗型检测是直接用水将工件表面剩余的渗透剂清洗掉。在这三种检测方法中，它的灵敏度最低，但适用于检测表面粗糙的工件，清洗方便，也适用于中小型工件的批量检测。

（2）溶剂清洗型检测要用溶剂清洗掉工件表面剩余的渗透剂。在这三种检测方法中，它的灵敏度较高，可对大型工件进行局部检测，适用于检查疲劳等造成的细小裂纹。但它不易操作，成本较高，不适用于表面粗糙的工件和批量工件的检测。

（3）后乳化型检测要在清洗工件表面剩余渗透剂之前，增加一道乳化工序。采用浸渍等方法，在工件表面施加乳化剂，乳化剂扩散并溶解到渗透剂中，便于用水将工件表面渗透剂和乳化剂混合物冲洗掉。使用后乳化型检测，应根据工件表面光洁度，乳化剂的浓度等严格控制乳化剂在工件表面上停留的时间，在乳化剂还没有来得及向缺陷中的渗透剂扩散时，就用水把它冲掉。这样，缺陷中的渗透剂由于还没有被乳化就会被很好的保留下来（图7-15）。在这三种检测方法中，这种检测方法的灵敏度最高。适用于检测精密工件，能探测出极细微的缺陷和宽而浅的缺陷。不适用于检测表面粗糙的工件，而且多一道乳化的工序，应用也受到设备条件的限制。

渗透检测法的操作步骤和渗透检测法的应用 渗透检测法的步骤

被检测工件表面的准备和清洗；

渗透剂的施加和停留（可采用浸、涂、喷、静电喷涂等方式施用渗透剂），渗透剂应在工件表面停留一定的时间，使渗透剂能渗入到工件表面的开口缺陷中去；去除工件表面多余的渗透剂，可采用水洗、溶剂清洗，对后乳化检测应增加乳化工序后，再清洗；干燥处理。可采用擦干、热风吹干或烘干装置进行干燥处理；施加显像剂。可采用浸渍、喷涂、喷粉等方法，若采用湿显示剂还需增加干燥工序；检测并评定显示；检测后处理工作。以上各操作程序均应严格控制时间。 渗透检测法的应用

a.渗透检测法，除了表面多孔性材料外，几乎可以用于各种金属、非金属材料以及磁性和非磁性材料的表面开口缺陷的检测。特点是原理简单、操作容易，而且不受被检工件的几何形状、尺寸大小的影响。一次操作，可同时检测出表面各种开口缺陷，缺陷显示直观，检测灵敏度较高。

b.这种方法的局限性是不能用于多孔材料，只能检测表面开口缺陷，不能测出缺陷的深度、内部的形状和大小，工件表面粗糙度对检测会产生影响。检测前后必须对被检工件表面进行彻底清洁。 涡流检测

涡流检测法的基本原理和检测方法 一、涡流检测法的基本原理

涡流检测法是以电磁感应原理为基础的。在检测线圈上通交变电流（即激励电流），会在线圈的周围产生一个交变的磁场（初级磁场），如果将线圈靠近被检测的导电工件，工件内会感应出交变电流——涡流，并在工件及其周围产生一个附加的交变磁场（次级磁场），见图7-8。次级磁场与初级磁场方向相反，并会在

线圈中感应电动势。这样，通过测量线圈中电流变化量，就可以确定次级磁场的变化情况。如果试件表面（或近表面）有裂纹，势必使涡流的流动发生畸变，影响次级磁场，导致线圈中电流的变化，从而反应出工件中缺陷的情况。

涡流检测方法 1、独立检测法

独立检测法主要是由一个电桥式涡流设备和一个探测器组成。当用探测器接触参照材料进行测量时，调节电桥式涡流设备的平衡电阻，使测量表的指示为零。然后在用探测器接触要检测的工件，如果被检测的工件有缺陷，测量表的指针就会偏离零刻度，这个偏离了零的读数就表示了被检测工件的材料和参照材料之间的差异。见图7-9。

对比检测法

对比检测法是用两个探测器，其中一个接触参照材料进行检测，同时，另一个接触要检测的工件进行检测，如果被检测的工件有缺陷，两个材料的区别就在测量表上指示出来。见图7-10。

检测线圈放置方法和应用 一、穿过式线圈

将要检测的工件插入线圈内，并从内部通过（见图7-11（a））。这种放置方法用于管材、线材和棒材表面质量的检测。 二、内通过式线圈

将线圈插入要检测工件的内部进行检测（图7-11（b））。这种方法多用于检测紧固件孔壁上的裂纹等损伤。 三、放置式线圈

将线圈放在要检测的工件表面上方（图7-11（c））。这种放置法适用于板材、带材、棒材的表面损伤检测，还能对形状复杂的工件的某一区域进行局部检测。

涡流检测的频率选择和涡流检测法的应用 涡流检测的频率选择

1. 涡流检测所用频率范围从200Hz到6MHz或更大。在具体检测中，实际所选用的频率由被检工件的厚度、所希望透入的深度、要求达到的灵敏度或分辨率以及不同的检测目的等所决定的。

2. 提高检测频率会使检测灵敏度提高，加快检测速度，但涡流渗

透深度会减少，可能会达不到要检测损伤的深度要求；降低频率会使涡流渗透深度加大，可是检测灵敏度和速度却要降低。所以，在能达到所要求的渗透深度的情况下，选择尽可能高的频率，以提高检测的灵敏度和检测速度。特别是只需要检测工件表面缺陷时，可选用高达几兆赫兹的频率。但若需要检测相当深度的缺陷时，只好采用较低的频率，以达到所要求的渗透深度，这样检测的灵敏度会降低，很难发现细小的缺陷。 3. 涡流检测仪分为高频和低频两种。高频涡流检测仪频率只能用来检测工件表面的缺陷；低频涡流检测仪可以用来检测工件内部的损伤。

涡流检测法的应用

1. 涡流检测法适用于检测导电材料制件的表面或近表面损伤，如裂纹、折叠、气孔、夹杂等的检测。不适用于热处理的碳钢或合金钢等强磁性材料构件的损伤检测，因为强磁性材料不均匀的导电率会影响测量结果。

2. 涡流检测法设备简单、操作方便、成本低、易于实现自动化操作，速度快，无需对检测表面做特殊清洁和准备工作，便于进行现场检测。对导电材料制件表面或近表面的疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹有很高的灵敏度。特别适用于飞机结构中的铝合金构件。

超声检测

超声波特性和超声波检测法的原理 一、超声波特性

超声波是超声振动在介质中的传播，其实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动。探伤所使用的超声波频率一般在500KHZ～10MHZ。 超声波具有以下特性：

超声波传播能量大，对各种材料的穿透力都较强；超声波具有良好的指向性，频率越高，指向性越好；3.超声波在介质中传播时，遇到界面会发生反射。

二、超声波检测法的原理

1. 超声波检测法就是利用超声波上述的特性来检测构件表面及内部的缺陷。超声波在传播的路径上，如果遇到细小的缺陷，如气孔、裂纹等，就会在界面上发生反射，检测者分析反射的声束，便可以发现缺陷并确定缺陷的位置。 2. 超声波波型特征及在缺陷检测中的应用

纵波：介质质点的振动方向和波的传播方向相同，称为纵波。 用直探头直接接触或采用水浸法将声束垂直射入工件，在工件中形成纵波传播。如果工件内部没有缺陷，只显示出始波和底波；如果工件内部有缺陷，波束在缺陷界面上产生反射，在始波和底波之间形成一个伤波，图7-4示出了纵波探伤示意图。

纵波易于探测出与工件探测面平行的缺陷，而对表面及近表面

缺陷，探测能力较差。纵波探测法多用于几何形状简单、大面积、大厚度构件的内部缺陷检测。

横波：介质质点振动方向和波传播方向垂直，称为横波。

图7-6是利用横波探伤示意图。在波传播过程中，遇到缺陷的界面会产生反射，形成伤波。

1利用横波探伤，可以通过选择透声楔块的角度，使声束与缺陷的界面垂直，从而使反射波最大，达到检测的目的。而且利用透声楔块，可以提高对工件近表面缺陷的探测能力。

2.横波检测缺陷的能力比纵波强，波束指向性好，分辨率高。多用于检测管件、杆件和其它几何形状较复杂工件的缺陷。

三、表面波：沿工件表面传播的波叫表面波。表面波可以用来检测

工件表面的裂纹和缺陷。

四、超声波探测法的适用范围及优缺点

超声波检测法可用于金属、非金属、复合材料制件的损伤探测，既可以检测工件内部的缺陷，也可以检测工件表面的缺陷。可用来检测锻件、型材的裂纹、分层、夹杂，铸件中的气孔、裂纹、疏松等缺陷，焊缝中的裂纹、气孔、未焊透等缺陷，复合材料的分层、脱胶等缺陷，还可以测定工件的厚度。 1. 优点：超声波的指向性好，穿透性强，对平面型缺陷十分敏感。只要声束方向与裂纹方向之间夹角达到一定的要求，即可显示出伤波，探测出缺陷所在位置。所以，超声波对于检测表面或

内部缺陷都是一种灵敏度很高的方法。检测使用的超声波对人体和环境无害，设备轻便，便于携带，可进行现场检测。 2. 局限性：不适用于形状复杂或表面粗糙工件的损伤探测；为对

工件中缺陷作精确地定性、定量分析，要有参考标准

X射线检测

X射线的特性和X射线检测法的基本原理 一、射线的特性

X射线是一种电磁波，它与无线电波、红外线、紫外线、可见光等本质相同，具有相同的传播速度，但频率和波长不同。X射线波长短、频率高，因此，它具有许多与可见光不同的性质。利用X射线进行无损探测有关的性质有：

不可见，以直线传播；不带电荷，不受电场和磁场的影响；能够穿透可见光不能透过的物质； 能被物质吸收产生热量； 能使某些物质起光化学作用，使照相胶片感光，又能使某些物质发生荧光。 X射线检测方法的原理

X射线检测方法的基本原理是：当X射线透过被检工件时，有缺陷的部位，如气孔、非金属夹渣等和无缺陷部位的基体材料对X射线的吸收能力不同。以金属为例，缺陷部位所含空气、非金属夹杂物对X射线的吸收能力，远远低于金属的吸收能力，这样，通过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位的射线强度。当用感光胶片来检测射线强度时，在内部有缺陷的部位，就会在感光胶片上留下黑度较大的影像。（见图7-7

X射线检测法的应用及优缺点 1.优点：

几乎适用于所有材料，而且对工件形状及表面情况均无特殊要求，适用于飞机上结构件的原位检查；不但可检测出

材料表面缺陷，还可以检查出材料内部缺陷；对目视可达性差或被其它构件覆盖的结构件，如蒙皮覆盖下的桁条、框、肋等，都可以用X射线检测法来检查损伤情况。能直观显示缺陷影像，便于对缺陷进行定性、定量分析；感光胶片能长期存档备查，便于分析事故原因； 对被检工件无破坏、无污染。 2.局限性：

射线在穿透物质的过程中，被吸收和散射而衰减，使得用它检测工件的厚度有一定的限制；X射线检测设备一次性投资大，检测费用高；射线对人体有伤害，检测人员应作特殊防护。 内窥镜检查

内窥镜检查也是航空发动机上常用的维修检查装备，它是指借助于专用的光电仪器(工业内窥镜)对肉眼无法直接接近的区域进行检查，属于无损检测中的目视检查方法。在民用航空器维护中，内窥镜检查通常也称为“孔探”，是发动机在役维护的五大工具之一，其目的是掌握发动机内部的状况。据统计，大约90％的发动机非例行更换都与内窥镜检查结果直接相关。作为唯一一种在航线维护中能够不分解发动机而了解其内部状况的检查手段，内窥镜检查对于安全和效益两方面均有重要意义和价值。孔探技术多年来一直在航空发动机的维护中发挥着十分重要的作用。发动机的关键部件，例如主气流通道部件、高压压气机、高压和低压涡轮的各级轮盘及叶片、燃油喷嘴、燃烧室等都是不易拆卸且检测可达性较差的零部件，对于这些零部件的检查与监测工作大都是通过孔探技术完成的。

在保障发动机可靠性方面的应用

航空发动机零件的质量可靠直接决定着整机的性能。当今的航空发动机从单纯追求高性能转变为致力于“四高”指标：高性能、高耐久性、高可靠性、高维修性。为了达到这些指标，先进航空发动机的设计便具有高温、高压、高转速、轻质量的特点。而许多新材料、新结构、新工艺、新技术的采用便是航空发动机达到“四高”要求目标的实施途径。无损检测便要在这些特定的环境下承担起保证发动机结构高可靠性的艰巨任务。

航空发动机设计特点及无损检测技术在其中的应用 提高推重比一直是发动机研制过程中追求的主要目标。推比的提高主要依靠发动机的气动性能以及采用新、轻结构，发挥材料的潜力来实现。通常把这些技术措施概括为“三高一轻”，即：

高涡轮前温度 通常涡轮前温度在1500℃以上，燃烧室、涡轮静子叶片、加力燃烧室、尾喷管等热端部件均成为易损件，对它们的监测是一大难题。

高压比 一般发动机的总压比为10~15，这给无损检测受感部及传递系统的安排带来了一定困难。

高转速 目前发动机转子转速在15000r/min左右，小型发动

机甚至达到50000r/min。这种高转速使得所有转动件均成为断裂关键件。对它们的损伤监测是无损检测的又一大艰巨课题。

轻重量 为得到高推重比，对发动机设计得尽量轻巧，且尽量提高工作应力，挖掘材料潜力。这样，零件结构势必小而复杂，又给无损检测的实施带来极大困难。

显然，发动机的高性能、高耐久性与高可靠性、高维修性是一对矛盾的统一体。为了达到这一目标，设计人员多从新材料、新结构、新工艺、新技术途径着手。综上，“四新”是保证发动机达到“四高”的技术途径。而这些技术的采用必须有无损检测技术保证其可靠性。无损检测是发动机研制中不可缺少的部分，反之，先进的发动机设计又对无损检测提出了十分艰巨的研究课题。

无损检测技术在发动机研制中的主要作用 发动机设计技术的完善和发展使燃气涡轮发动机结构设计、分析、定型、生产和寿命管理发生了根本变化: 从单纯追求高性能指标转变为性能与可靠性并重, 而首要目标是保证发动机的结构安全。断裂关键件具有损伤容限能力是达到这一目标最重要的途径之一。构件的损伤容限设计分析建立在断裂力学基础之上。然而,断裂力学分析却是从构件初始裂纹尺寸出发的，这个初始裂纹尺寸一裂纹扩展一失稳裂纹尺寸的检测任务便责无旁贷地落在无损检测技术及专业人员的肩上。

在原材料设计时，利用无损检测设备检测并剔除缺陷超标的材料与毛坯。在加工过程中，核实原材料检验是否充分, 查出因施工工艺或人员操作不当而导致的尖角、锐边、划伤等使零件强度或耐用性降低的缺陷, 为改进加工工艺提供依据。对那些虽然存在但尚未超标的裂纹缺陷, 定量确定其大小与分布,作为断裂分析的初始裂纹尺寸。

发动机最终达到技术指标的主要判据是其零部件与整机试验。在它们的结构强度与寿命试验中, 判明其失效的根据便是变形、裂纹与损伤, 这便依赖于无损检测技术的应用实施。除了对分解下来的试验件进行无损检测外, 更希望能对运转状态下的零部件进行在线监测。

对于发动机中的所有承力件, 均应进行使用中的无损检测。对于非断裂关键件, 应监测裂纹的萌生及扩展, 以便在其丧失承载能力之前修复或更换; 对于断裂关键件, 只要发现裂纹, 不论多小, 均一律予以更换。

无论是发动机试验中发生的故障, 还是外场使用中发生的事故, 无损检测均在判明故障原因、确定排故措施方面起着不可替代的作用。

对无损检测的基本要求：

灵敏度高 目前已知的无损检测技术有17种之多, 然而能够有效地应用于发动机上的却为数有限。理论上这些检测技术可以有很高的分辨率, 但用于实际构件时, 会出于种种原因使其降低。应该指出, 无损检测技术对构件裂纹检测的灵敏度越高, 规定的断裂关键件的初始裂纹尺寸便越小, 其剩余寿命便越长, 由此确定的发动机翻修时间间隔也长,从而也降低了发动机寿命期费用。

稳定性好 通常发动机零件裂纹缺陷具有小而隐蔽的特点。因而, 对于裂纹缺陷的检测, 要求其重复性要好。这中间既要求无损检测设备具有良好的抗干扰性与稳定性, 也要求检测人员具有良好的业务素质, 不同检测人员对同一裂纹缺陷的定量检测应无显著的差异。

满足可靠性要求 无损检测技术的可靠性是对其特定类型及尺寸裂纹缺陷的定性度量。可靠性要求是出于将断裂力学原理用于关键件的设计, 以及由于要更有效地用无损检测技术来确保结构的安全性与可靠性等原因而提出的。检测介质(液体渗透剂、磁粉、超声、辐射等)的响应除了受裂纹缺陷影响之外, 还受零件结构、人员技术及检测方法等不确定因素的影响, 从而使无损检测的可靠性具有随机的性质。

良好的适应性 由于“ 四新”技术的采用, 对无损检测提出了更高的要求。发动机零件结构复杂, 特别在尖角、圆角、开孔等高应力部位易产生疲劳裂纹，而且, 零部件之间装配关系紧凑, 并经常有其他零件遮挡, 而恰恰在装配部位易于开裂，此外, 目前许多发动机均采用单元体设计, 即使在维修时, 分解工作也多至单元体为止。这些因素均给裂纹检测带来了一定的困难。

明确的判废标准 研究制定统一的缺陷识别与判废标准,以使各方面人员有章可循。