浅谈无损检测在航空维修中的应用及发展毕业设计.docx

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浅谈无损检测在航空维修中的应用及发展毕业设计

陕西航空职业技术学院

毕业设计（论文）说明书

机电工程系航空机电设备维修专业

毕业设计（论文）题目无损检测在航空维修的应用

毕业设计（论文）任务书

机电工程系航空机电设备维修专业

一、毕业设计（论文）题目无损检测在航空维修的应用

二、毕业设计（论文）时间2012年06月05日至2010年7月1日

三、毕业设计（论文）地点：

陕西航空职业技术学院

四、毕业设计（论文）的内容要求：

1、论文中包含具体实例，理论知识和相关图表并存；

2、字数不少于8000字；

3、论文内容及格式按要求完成。

指导教师年月日

批准年月日

摘要……………………………………………………………………………………3

无损检测在航空维修中的应用………………………………………………………5

1无损检测概述………………………………………………………………………5

2无损检测在航空维修中的应用……………………………………………………7

2.1概述……………………………………………………………………………7

2.2射线探伤………………………………………………………………………7

2.3射线探伤………………………………………………………………………9

2.4声发射检测……………………………………………………………………10

2.5渗透探伤………………………………………………………………………12

2.6磁粉探伤………………………………………………………………………13

3无损检测技术的最新进展…………………………………………………………14

3.1X射线计算机层析技术………………………………………………………15

3.2磁记忆检测技术………………………………………………………………16

3.3利用材料自身特性的探伤技术………………………………………………16

3.4利用形状记忆效应的探伤技术………………………………………………17

3.5利用光导纤维的探伤技术……………………………………………………17

4无损探伤的发展方向………………………………………………………………18

参考文献………………………………………………………………………………19

结束语…………………………………………………………………………………20

辞谢……………………………………………………………………………………21

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]

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。

无损检测在航空维修中的应用

关键字：

无损检测NDT航空工业飞机维修

1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。

4、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。

X射线或γ射线当在穿透被检物时,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

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。

图1光导摄像管

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。

射线是放射性γ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。

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、应力腐蚀以及焊接过程产生裂纹和飞溅等，都有声发射现象，检测到声发射信号，就可以连续监视材料内部变化的整个过程。

因此，声发射检测是一种动态无损检测方法。

声发射技术的应用已较广泛。

可以用声发射鉴定不同范性变形的类型，研究断裂过程并区分断裂方式，检测出小于0.01mm长的裂纹扩展,研究应力腐蚀断裂和氢脆，检测马氏体相变，评价表面化学热处理渗层的脆性，以及监视焊后裂纹产生和扩展等等。

声发射检测仪器分单通道和多通道两种。

单通道声发射仪比较简单，主要用于实验室材料试验。

多通道声发射仪是大型声发射检测仪器，有很多个检测通道，可以确定声发射源位置，根据来自各个声源的声发射信号强度，判断声源的活动性，实时评价大型构件的安全性。

主要用于大型构件的现场试验。

图3声发射检测的原理

声发射检测的原理如上图所示，从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。

固体材料中内应力的变化产生声发射信号,在材料加工、处理和使用过程中有很多因素能引起内应力的变化，如位错运动、孪生、裂纹萌生与扩展、断裂、无扩散型相变、磁畴壁运动、热胀冷缩、外加负荷的变化等等。

人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。

[5]

2.5渗透探伤

渗透探伤是利用毛细现象检查材料表面缺陷的一种无损检验方法。

20世纪初，最早利用具有渗透能力的煤油检查机车零件的裂缝。

到40年代初期美国斯威策（R.C.Switzer）发明了荧光渗透液。

这种渗透液在第二次世界大战期间，大量用于检查军用飞机轻合金零件，渗透探伤便成为主要的无损检测手段之一，获得广泛应用。

渗透探伤包括荧光法和着色法。

荧光法是将含有荧光物质的渗透液涂敷在被探伤件表面，通过毛细作用渗入表面缺陷中，然后清洗去表面的渗透液，将缺陷中的渗透液保留下来，进行显像。

图4渗透探伤

典型的显象方法是将均匀的白色粉末撒在被探伤件表面，将渗透液从缺陷处吸出并扩展到表面。

这时，在暗处用紫外线灯照射表面，缺陷处发出明亮的荧光。

着色法与荧光法相似，只是渗透液内不含荧光物质，而含着色染料，使渗透液鲜明可见，可在白光或日光下检查。

一般情况下，荧光法的灵敏度高于着色法。

这两种方法都包括渗透、清洗、显象和检查四个基本步骤。

根据从被探伤件上清洗渗透液的方法，渗透探伤的荧光法和着色法又可分别分为水洗型、后乳化型和溶剂去除型三种。

渗透探伤操作简单,不需要复杂设备,费用低廉，缺陷显示直观，具有相当高的灵敏度,能发现宽度1微米以下的缺陷。

这种方法由于检验对象不受材料组织结构和化学成分的限制，因而广泛应用于黑色和有色金属锻件、铸件、焊接件、机加工件以及陶瓷、玻璃、塑料等表面缺陷的检查。

它能检查出裂纹、冷隔、夹杂、疏松、折叠、气孔等缺陷；但对于结构疏松的粉末冶金零件及其他多孔性材料不适用。

[6]

2.6磁粉探伤

通过磁粉在缺陷附近漏磁场中的堆积以检测铁磁性材料表面或近表面处缺陷的一种无损检测方法。

缺陷与磁力的作用产生漏磁的示意图

图5磁粉探伤

将待测物体置于强磁场中或通以大电流使之磁化，若物体表面或表面附近有缺陷（裂纹、折叠、夹杂物等）存在，由于它们是非铁磁性的，对磁力线通过的阻力很大，磁力线在这些缺陷附近会产生漏磁。

当将导磁性良好的磁粉（通常为磁性氧化铁粉）施加在物体上时，缺陷附近的漏磁场就会吸住磁粉，堆集形成可见的磁粉迹痕，从而把缺陷显示出来。

在工业中，磁粉探伤可用来作最后的成品检验，以保证工件在经过各道加工工序（如焊接、金属热处理、磨削）后，在表面上不产生有害的缺陷。

它也能用于半成品和原材料如棒材、钢坯、锻件、铸件等的检验，以发现原来就存在的表面缺陷。

铁道、航空等运输部门、冶炼、化工、动力和各种机械制造厂等，在设备定期检修时对重要的钢制零部件也常采用磁粉探伤，以发现使用中所产生的疲劳裂纹等缺陷，防止设备在继续使用中发生灾害性事故。

磁粉探伤的优点是：

对钢铁材料或工件表面裂纹等缺陷的检验非常有效;设备和操作均较简单;检验速度快，便于在现场对大型设备和工件进行探伤；检验费用也较低。

缺点是：

仅适用于铁磁性材料；仅能显出缺陷的长度和形状而难以确定其深度；对剩磁有影响的一些工件，经磁粉探伤后还需要退磁和清洗。

[7]

3无损检测技术的最新进展

复合材料是一种新型的工程材料，具有比强度大、比模量高、耐疲劳性强、化学稳定性好等许多突出的优点．广泛地应用于航空、航天及军事等高科技领域，近年来已开始向汽车、造船、化工、机械等领域扩大由于复合材料的损伤机理比较复杂，环境稳定性较差，常固环境的劣化受到损伤而发生突发性破坏因此，用目前常规的无损探伤方法如射线、超声、涡流、磁粉、渗透、声发射、热成像等技术来检测复合材料尚存在许多问题，这主要是由于传统的探伤工艺往往是事后的被动检测．满足不了对复合材料进行探伤的要求。

为此，引起了人们对复合材料无损探伤的关注，纷纷进行相应的新技术新工艺的研究与开发．并取得了一定构成效。

[8]

各种新型飞机都大量使用新材料,特别是铸钛合金和复合材料。

如民用波音777飞机的尾翼和主梁部分,军用飞机（如美国的F215）和我国的一些直升机等都大量使用复合材料;苏227飞机的机尾罩轮孔和起落架轮叉使用了钛合金材料。

对这两类材料用通常的检测方法,特别是常规超声波探伤方法都不很适合。

对复合材料,基本要求是能大面积检测其脱粘、分层及性能退化等。

因此,非接触式检测技术更能发挥作用。

目前,空气耦合超声波检测、激光超声和红外热成象等技术在航空工业特别是现（外）场检测中已广泛采用。

法国航空部门研制的车载式激光超声检测系统（LUIS）已用于现场检测幻影2000和FALCON飞机的复合材料。

[9]

3.1X射线计算机层析技术

X射线计算机层析成象（CT）最先应用的领域是航空工业,它是应用一扇形薄片射线束穿过被检工件被探测器接收,工件旋转使探测器接收反映工件各角度的射线衰减信息,采集的数据经计算机重建处理,获得被检工件截面的CT图像。

工业CT图象具有很高的空间和密度分辨力,可视性强。

X射线工业CT的最初应用是检测精密铸造的发动机空心涡轮叶片的壁厚,在工艺制定阶段,选取叶片的工艺控制截面进行高精度壁厚测量,壁厚>0.2mm叶片的测量精度可达0.05mm,取得了很好的效果。

高性能X射线工业CT对体积型缺陷具有很高的检测效率,在发动机转轴电子束焊缝的检测中,可以准确发现<0.05mm的缩孔,对未焊透等焊接缺陷的检测可靠性极高。

X射线工业CT在航空工业中的另一个重要应用是失效分析,它在飞行事故调查和事故原因分析中起重要作用。

如分解和剖切失效组件并进行分析,一般会破坏失效组件形貌,造成失效原因丢失,也可能带来与真正失效原因不同的损坏。

因此,需要研究非破坏的失效分析方法。

工业CT可获得被分析失效件的高分辨力的空间分布图像,非破坏地检测其内部的几何分布和材料状况,而且可以直接解决相关的失效分析问题,或为进一步的分析工作提供重要依据。

图3和图4是作者实验室获得的某型涡轮叶片和柱塞组件CT图像,由此可分别获得叶片（铸造）质量和柱塞组件机械卡滞的情况。

X射线工业CT检测费用昂贵,这是制约其在航空工业广泛应用的瓶颈。

同时,由于现阶段可实用的工业CT系统大多采用完全数据重建,可检工件的几何尺寸受到限制。

目前,正处在初期研制阶段的倾斜入射、非完全扫描重建的CT系统为检测大面积的工件[9]提供了可能。

3.2磁记忆检测技术

磁记忆检测技术是近十几年才迅速发展起来的一种新技术[10],主要基于铁磁体的磁弹性效应和漏磁场的不可逆效应。

在地磁场的作用下,金属构件中缺陷和夹杂物最集中的地方会出现磁畴钉扎点并在表面出现漏磁场。

在应力集中区域内,该磁场的切向分量Hp（X）具有最大值,而法向分量Hp（Y）改变符号（过零点）。

因此,应力集中线可根据Hp（Y）值的符号变化进行判断,而应力集中程度可根据Hp（X）值的大小或Hp（Y）的变化率来计算。

这样,通过对磁场的检测,即可对构件的应力状态和应力集中区域做出判断,从而达到早期诊断的目的。

由于无需人为地向被检对象施加磁化场,所以它具有一般磁力检测（如磁粉检测、漏磁检测等）无法比拟的优点,特别适用于现场或外场检测。

磁记忆检测技术具有极其广阔的应用前景,特别是对那些按均匀受力假设设计,事先并不知道在使用过程中可能会出现应力集中区域的构件（管道、压力容器）而言,磁记忆检测技术更具有特殊意义。

现在飞机主承力构件已按损伤容限理论来设计,而不是按传统的安全寿命法设计。

由于去除了不必要的冗余设计,节省了材料,损伤容限设计在保证飞机安全飞行的基础上能大大提高飞机的作战性能。

但是,这一新的设计思想对飞机主承力构件的状态监测提出了很高的要求,特别