【2019年整理】无损检测论文1.pdf

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1、无损检测技术在航空航天材料质量检测中的应用 摘要 无损检测（ Non-destructive Testing ，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。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

2、。 无损检测技术对航空航天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。 本文介绍了射线照相检测、 超声检测、 液体渗透检测、 磁粉检测等几种 现在较为成熟的航空无损检测技术，并分别分析其优缺点。 随后简要介绍了 无损检测在航空航天材料质量中的应用，并对无损检测的未来发展方向做了 简要分析展望。 目录 第一章 绪论 . 3 1.1 、引言 3 1.2 、航空复合材料结构类型及其缺陷 3 1.2.1 纤维增强树脂层板结构中存在的主要缺陷. 3 1.2.2 夹芯结构中存在的主要缺陷. 4 第二章 无损

3、检测 . 5 2.1 无损检测方法 5 2.1.1 射线照相检验 (RT) 5 2.1.2 超声检测 (UT) 6 2.1.3 磁粉检测 (MT) 7 2.1.4 液体渗透检测 (PT) 8 2.2 、无损检测的应用特点 9 2.2.1 确保不损坏试件材质、结构. 9 2.2.2 正确选用实施无损检测的时机. 9 2.2.3 正确选用最适当的无损检测方法. 9 2.2.4 综合应用各种无损检测方法. 9 第三章 无损检测在航空航天材料中的应用 . 10 3.1 航空复合材料无损检测技术及应用 10 3.1.1 激光超声检测技术 10 3.1.2 射线检测技术 11 3.1.3 红外热波检测技术

4、 13 第四章 无损检测技术的展望 . 15 第一章 绪论 1.1 、引言 随着航空制造技术的不断发展， 复合材料以其高的比强度、 比刚度及良好的 抗疲劳性和耐腐蚀性获得广泛的应用。由于影响复合材料结构完整性的因素甚 多，许多工艺参数的微小差异都会导致其产生缺陷，使得产品质量呈现明显的离 散性，这些缺陷严重影响构件的机械性能和完整性，必须通过无损检测来鉴别产 品的内部质量状况，以确保产品质量，满足设计和使用要求。 在役飞机的无损检测是确保飞行安全的必要手段，对复合材料部件尤为重 要。 在役飞机复合材料部件的检测与生产制造中的检测有较大的差别，其特点为： （1）在位检测，即检测对象不动，检测围绕

5、检测对象来进行，检测设备都是移 动式或者便携式检测设备； （2）检测对象都是部件，多为中空结构，只能从外部进行单侧检测； （3）外场检测，空中作业多，检测工作实施不便。 1.2 、航空复合材料结构类型及其缺陷 航空结构中常用的复合材料结构主要有纤维增强树脂层板结构和夹芯结构。 纤维增强树脂层板结构按照材料的不同又分为碳纤维增强树脂结构（CFRP ）和玻 璃纤维增强树脂结构（ GFRP ） ；夹芯结构主要是蜂窝夹芯结构、泡沫夹芯结构和 少量的玻璃微珠夹芯结构。 复合材料构件在使用过程中往往会由于应力或环境因素而产生损伤，以至破 坏。复合材料损伤的产生、 扩展与金属结构的损伤扩展规律有比较大的差异

6、，往 往在损伤扩展到一定的尺度以后，会迅速扩展而导致结构失效， 所以复合材料在 使用过程中的检测，就显得极为重要，也越来越受到人们的重视。 1.2.1纤维增强树脂层板结构中存在的主要缺陷 纤维增强树脂层板结构在成型过程中往往会由于工艺原因而产生缺陷，人为 操作的随机性会产生夹杂、铺层错误等缺陷；固化程控不好会产生孔隙率超标、 分层、脱胶等缺陷； 在制孔过程和装配中会形成孔边的分层缺陷；使用中由于受 载荷、振动、湿热酸碱等环境因素的综合作用会导致初始缺陷（如分层、脱胶） 的扩展和分层、脱胶、断裂等新的损伤和破坏的发生。 1.2.2夹芯结构中存在的主要缺陷 夹芯结构在成型过程中也会由于工艺原因而产

7、生某些缺陷；为操作误差等会 产生蜂窝芯的变形、 节点脱开、 因为蜂窝芯过低导致的弱粘接等缺陷，固化程控 不好会导致局部的贫胶或富胶、弱粘接、 发泡胶空洞等缺陷； 使用中会导致初始 缺陷（如弱脱胶）的扩展和脱胶、进水、蜂窝芯压塌等新的损伤和破坏的发生。 泡沫夹芯结构会产生脱胶、芯子开裂等类型的缺陷。 第二章 无损检测 无损检测（ Non-destructive Testing ，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。 2.1 无损检测方法 常用

8、的无损检测方法：射线照相检验(RT)、超声检测 (UT)、磁粉检测 (MT) 和液体渗透检测 (PT) 四种。 其他无损检测方法：涡流检测 (ET)、 声发射检测（AT） 、 热像/红外 （TIR） 、 泄漏试验（LT） 、 交流场测量技术（ACFMT ） 、 漏磁检验（MFL)、 远场测试检测方法（ RFT)等。 2.1.1 射线照相检验 (RT) 是指用 X射线或 射线穿透试件，以胶片作为记录信息的器材的无损检测方 法，该方法是最基本的，应用最广泛的一种非破坏性检验方法。如图示意 1、射线照相检验法的原理：射线能穿透肉眼无法穿透的物质使胶片感光， 当 X射线或 射线照射胶片时， 与普通光线

9、一样， 能使胶片乳剂层中的卤化银产 生潜影，由于不同密度的物质对射线的吸收系数不同，照射到胶片各处的射线能 量也就会产生差异，便可根据暗室处理后的底片各处黑度差来判别缺陷。 2、射线照相法的优点： A、. 可以获得缺陷的直观图像，定性准确，对长度、宽度尺寸的定量也比 较准确； B、检测结果有直接记录，可长期保存； C、 对体积型缺陷（气孔、夹渣、夹钨、烧穿、咬边、焊瘤、凹坑等）检 出率很高，对面积型缺陷（未焊透、未熔合、裂纹等），如果照相角度不适当， 容易漏检； 3、射线照相法的缺点： A、不宜较厚的工件，因为检验厚工件需要高能量的射线设备，而且随着 厚度的增加，其检验灵敏度也会下降； B、不

10、适宜检验角焊缝以及板材、棒材、锻件等； C、对缺陷在工件中厚度方向的位置、尺寸（高度）的确定比较困难； D、检测成本高、速度慢； E、具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，损害生物组织，危及生物器 官的正常功能。 总的来说， RT的特性是定性更准确，有可供长期保存的直观图像，总 体成本相对较高，而且射线对人体有害，检验速度会较慢。 2.1.2 超声检测 (UT) 超声波检测的定义：通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波 进行研究， 对试件进行宏观缺陷检测、 几何特性测量、 组织结构和力学性能变化 的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。 1、超声波工作的原理：主要是基于超声波

11、在试件中的传播特性。 A、声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件； B、超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播 方向或特征被改变； C 、改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析； D、根据接收的超声波的特征， 评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷 的特性。 2、超声波检测的优点： A、适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测； B、穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金 属材料，可检测厚度为12mm 的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件； C、缺陷定位较准确； D、对面积型缺陷的检出率较高； E、灵敏度高，可

12、检测试件内部尺寸很小的缺陷； F、检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方 便。 3、超声波检测的局限性： A、对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深入研究； B、对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难； C 、缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响； D 、材质、晶粒度等对检测有较大影响； E 、以常用的手工 A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，且检测结果 无直接见证记录。 4、超声检测的适用范围： A、从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和复合材料； B、从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件 等； C 、从检测对象的形状来说

13、，可用于板材、棒材、管材等； D 、从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1mm ，也可大至几米； E、从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。 2.1.3 磁粉检测 (MT) 铁磁性材料工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的 磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，在合适的光 照下形成目视可见的磁痕， 从而显示出不连续性的位置、 大小、形状和严重程度。 1、磁粉检测优点： a、直观地显示出缺陷的形状、位置与大小，并能大致确定缺陷的性质； b、检测灵敏度高，可检出宽度仅为0.1 m的表面裂纹； c、应用范围广，几乎不受被检工件大小及几何形状的限制； d、

14、工艺简单，检测速度快，费用低。 2、磁粉检测缺点： 该方法仅局限于检测能被显著磁化的铁磁性材料（Fe、Co、Ni 及其合金） 及由其制作的工件表面与近表面缺陷；不能用于抗磁性材料（如Cu）及顺磁性 材料（如 Al、Cr、Mn ）工程上统称为非磁性材料的检测。 2.1.4 液体渗透检测 (PT) 利用液体的毛细管作用， 将渗透液渗入固体材料表面开口缺陷处。再通过显 像剂将渗入的渗透液析出到表面显示缺陷的存在。 1、渗透检测方法。即在测试材料表面使用一种液态染料，并使其在体表保 留至预设时限， 该染料可为在正常光照下即能辨认的有色液体，也可为需要特殊 光照方可显现的黄 / 绿荧光色液体。此液态染料

15、由于“毛细作用”进入材料表面 开口的裂痕。毛细作用在染色剂停留过程中始终发生，直至多余染料完全被清洗。 此时将某种显像剂施加到被检材质表面，渗透入裂痕并使其着色， 进而显现。 具 备相应资质的检测人员可对该显现痕迹进行解析。 2、渗透检测的优点： a. 可检测各种材料； 金属、非金属材料； 磁性、非磁性材料； 焊接、锻造、 轧制等加工方式； b. 具有较高的灵敏度（可发现0.1 m宽缺陷） c. 显示直观、操作方便、检测费用低 3、渗透检测的缺点： a. 它只能检出表面开口的缺陷； b. 不适于检查多孔性疏松材料制成的工件和表面粗糙的工件； c. 渗透检测只能检出缺陷的表面分布，难以确定缺陷的

16、实际深度，因而很 难对缺陷做出定量评价。检出结果受操作者的影响也较大。 4、渗透检测的适用场合和局限性： 渗透检测可广泛应用于检测大部分的非吸收性物料的表面开口缺陷，如钢 铁，有色金属，陶瓷及塑料等，对于形状复杂的缺陷也可一次性全面检测。无需 额外设备，便于现场使用。 其局限性在于，检测程序繁琐，速度慢，试剂成本较高，灵敏度低于磁粉检 测，对于埋藏缺陷或闭合性表面缺陷无法测出，对被检测物体表面光洁度有一定 要求。 2.2 、无损检测的应用特点 2.2.1 确保不损坏试件材质、结构 无损检测的最大特点就是能在不损坏试件材质、结构的前提下进行检测， 所 以实施无损检测后，产品的检查率可以达到100

17、% 。但是，并不是所有需要测试 的项目和指标都能进行无损检测，无损检测技术也有自身的局限性。某些试验只 能采用破坏性试验，因此，在目前无损检测还不能代替破坏性检测。也就是说， 对一个工件、 材料、机器设备的评价， 必须把无损检测的结果与破坏性试验的结 果互相对比和配合，才能做出准确的评定。 2.2.2 正确选用实施无损检测的时机 无损检测系统 在无损检测时，必须根据无损检测的目的，正确选择无损检测实施的时机。 2.2.3 正确选用最适当的无损检测方法 由于各种检测方法都具有一定的特点，为提高检测结果可靠性，应根据设 备材质、制造方法、工作介质、使用条件和失效模式， 预计可能产生的缺陷种类、 形

18、状、部位和取向，选择合适的无损检测方法。 2.2.4 综合应用各种无损检测方法 任何一种无损检测方法都不是万能的，每种方法都有自己的优点和缺点。应 尽可能多用几种检测方法， 互相取长补短， 以保障承压设备安全运行。 此外在无 损检测的应用中， 还应充分认识到， 检测的目的不是片面追求过高要求的“高质 量” ，而是应在充分保证安全性和合适风险率的前提下，着重考虑其经济性。只 有这样，无损检测在承压设备的应用才能达到预期目的。 第三章 无损检测在航空航天材料中的应用 随着航空技术的进步 , 复合材料广泛用于飞机操纵面、雷达罩和结构承力 件。 航空复合材料通常为轻质高强的蜂窝夹层或粘结结构, 可以显

19、著提高飞机性 能。在飞机服役过程中 , 复合材料构件受静载荷、冲击、疲劳、腐蚀和辐射等各 种因素影响 , 容易产生损伤缺陷 , 如裂纹、脱粘、分层、碎芯和积水等, 严重影 响飞机的性能和结构完整性。 所以, 必须对飞机复合材料进行无损检测, 这项工 作非常重要 , 也是近年来无损检测领域的研究热点之一。 3.1 航空复合材料无损检测技术及应用 3.1.1 激光超声检测技术 美国、 加拿大等西方发达国家已将激光超声检测系统用于各类材料的检测与 评价，在提高产品质量评价能力的同时，取得巨大经济效益。 激光超声检测能精确定位、定量表征材料中的断裂、腐蚀、裂纹、分层、脱 粘、孔隙、夹杂等缺陷与冲击损伤

20、。 美国洛克西德 . 马丁公司 2000 年投入使用的激光超声检测系统能够很好的 对新型战斗机的基体材料进行检测。在提高产品质量保障能力的同时，取得了巨 大的经济效益。（1） 、无需废时、废力的工装。（2） 、检测效率提高几十倍。 (3) 、 无需调整构件位置。 (4) 、生产周期大幅缩短。 (5) 、扫描速度提高几十倍。如下 图 F-22“猛禽”战斗机F-35“ 闪电 ” 战斗机 3.1.2 射线检测技术 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，高载荷） ，都给发动机各部件的质量提出严格的要 求，因此，航空发动机的重要、关键部件必须经过

21、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射线照相检测等。 计 算机辅助层析 X 射线摄影（ CT ）是较先进的检测叶片完整性的无损检测技术。 目前 CT已经成为适用于测量涡轮叶片壁厚和内部裂纹的主要技术方法。一 台 CT机由 X 辐射源和专用计算机组成。检测时，辐射源以扇形释放光子，通过 被检叶片后被探测器采集，其光子量和密度被综合后，产生一幅二维层析X 光 照片，即物体的截面图， 从中分析叶片内部组织结构，得出裂纹的准确位置及尺 寸。连续拍摄物体的二维扫描可生成数字化三维扫描图，周于检测整个

22、叶片的缺 陷，还可检测空心叶片冷却通道的情况。CT 可探测到 mm 级的裂纹。 3.1.3 红外热波检测技术 红外热波检测系统为飞机结构中的金属及复合材料的表皮下缺陷的检测提 供了可能。通过建立一种用来处理红外成像数据的独特方法，可使以前热检测方 法无法检测到的诸如分层、锈蚀、小量流质的缺陷都能得到解决。简洁、轻便、 灵敏性更强的便携系统和相关软件系统可用于大型飞机、轮船等大型结构的快速 无损检测。 红外热波检测技术为E-2C预警机螺旋桨叶提供了发现其复合材料外层内泡 沫核裂纹唯一的检测方法，这些裂纹曾引起叶片碎裂并造成了损失。（下图为对 E-2C预警机的螺旋桨表皮下裂纹进行检测。 2003年

23、 2月哥伦比亚号航天飞机发生意外后， NASA开发了航天轨道飞行器 热保护系统热波成像检测的检测程序并开展了相关实验。图为研究小组对修复后 的航天飞机机翼上的碳碳面板进行检测。NASA 已经认定脉冲热波成像法是少 数几种能检测出碳化硅材料保护层下瑕疵和不规则的方法。还将针对碳- 碳加强 结构的独特性及航天飞机的物理结构修改检测程序和设备。 第四章 无损检测技术的展望 未来复合材料的无损检测技术应围绕以下几个方面开展研究。 （1）针对复合材料装机结构件的快速高效无损检测技术。 赋予传统复合材料无损检测新的技术内涵，使之更适合未来复合材料的低成 本设计、制造和装机应用主流， 通过提高传统检测技术的

24、功效，达到提高检测效 率、降低检测成本的目的。 开展无损检测新技术和新方法的研究，探索研究适合 复合材料的快速高效无损检测技术和方法。美国等复合材料用量较大的国家，自 90 年代后期已经开始将复合材料无损检测技术研究的重点转移到快速高效的无 损检测方向，而且有了初步应用成果。 （2）针对新型复合材料的无损检测技术。 与发达国家相比，目前我国复合材料无损检技术的研究深度和发挥作用的程 度还远远不够。 在复合材料及其应用研究过程中，如果能很好地掌握其内部微细 规律，对复合材料工艺制订、 结构制造等将具有重要的作用和意义。复合材料的 一个重要结构特征就是内部各组分之间物理界面复杂，如果能利用无损检测技术 得到这些界面的全部信息，将会对材料研究和工艺分析起十分重要的指导作用。 （3）复合材料无损检测技术的升华。 未来复合材料无损检测只有与材料的性能、结构件的寿命和剩余强度密切结 合，才能发挥更大的作用。近年来国外已经在这方面开展了大量的研究工作。 （4）国内复合材料无损检测硬件的自主建设。