航空装备无损检测技术现状及发展趋势v

　　无损 检测 技术已在航空装备安全可靠运行方面起到重要保障和技术支撑作用，无论是在航空装备的制造、生产过程，还是各机种的在役检测和日常维护、检查，无损检测都发挥了极其重要的作用。为实现无损检测技术的可持续发展，需要提倡一些新的无损检测理念和新的检测思路。以健康监测、集成检测和数据融合，以及数字化、图像化和信息化为典型标志的绿色无损检测可能就是未来值得发展的检测技术。

　　虽然近一二十年来，特别是进入21世纪后，传统制造业正面临IT 产业的巨大挑战，但是，装备制造水平，特别是大型装备制造水平仍然是衡量一个国家工业水平的最重要的标志。作为同装备全寿命过程的安全、质量和可靠性密切相关的无损检测技术，其发展水平又是衡量一个国家装备制造工业水平的重要标志。经济发展的现代化必须是以可靠的现代化和安全的现代化为基础，前者必须是以制造业为本，这是立国之本，也是实现一个社会可持续发展的重要保障，而后者的重要保障条件是事关国计民生的重大装备的核心和关键制造技术能掌握在自己手中。在航空工业上，这一点尤其突出。航空制造技术已作为我国未来十大重点发展产业，其安全性和可靠性更加重要。虽然总体水平远落后于美国和欧洲等发达国家，但商用大飞机项目的上马以及珠海航空工业城的建立却标志着我国航空制造业突飞猛进的时代即将来临。与此相联系，在未来较长一段时间内，航空无损检测技术也必然会有一个快速、稳定和持久的发展期。

　　延长包括飞机在内的航空装备的安全使用期是现代航空装备的发展趋势。无损检测（NDT）或无损评价（NDE）技术在航空装备的全寿命过程中起着极其重要的作用，它对保证飞行安全、延长飞机寿命都具有非常重要的意义。随着在航空技术中采用损伤容限理论替代过去的安全寿命设计理论，无损检测技术在航空装备中的应用观点也发生了根本性的变化，这就是无损检测技术应当对装备的全寿命（从摇篮到坟墓）负责，它不但应当能（实现传统意义下的）检测出已经存在的缺陷或裂纹，还应当能对裂纹发展规律进行预测，以保证损伤容限理论的正确实施。

　　无损检测技术是一项典型的具有低投入、高产出特点的工程应用技术。我们很难找到其他任何一个应用学科分支，其涵盖的技术知识之渊博、覆盖的基本研究领域之众多、所涉及的应用领域之广泛能与无损检测相比。1982年10月，时任美国总统的里根在发给美国无损检测学会（ASNT） 成立20周年的贺电中曾说过，（无损检测）能给飞机和空间飞行器、发电厂、船舶、汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性，没有无损检测（美国）就不可能享有目前在飞机、船舶和汽车等众多领域和其他领域的领先地位［3］。作为一门应用性极强的技术，只有与国家大型工程项目结合，解决国家大型和重点工程项目中急需解决的安全保障问题，无损检测技术才能有用武之地和广阔的发展空间。

　　航空装备的无损检测涉及面很广，它包括航空材料的检测、航空结构件制造过程的检测和在役设备（飞机）的检测等，虽然都属无损检测，但其检测重点和涵盖的领域有着很大差别。本文在论及航空装备无损检测技术的时候，重点将放在在役装备的检测（或外场检测）上，这可能也是一个最富挑战的研究和发展领域。

　　航空装备无损检测工作的主要特点

　　航空装备的无损检测面临一些特殊的情况，主要有：（1）结构复杂，（除生产线外）大多情况下自动设备不一定能发挥太多作用。（2）材料范围广，包括铝合金、钛合金、高强度钢、复合材料等，而适合不同材料的检测方法也会有所不同。例如复合材料，其故障现象特殊，最有威胁的缺陷是分层、基体开裂和纤维断裂，同时因声各向异性且声波衰减系数特别大，给常规超声波检测带来了困难。钛合金是非磁性材料，但属于粗晶结构，超声和涡流检测都面临一些新的问题。（3）对象复杂。无论是老旧飞机还是新机，很多情况下检测的可达性差，特别是叶片、压气机盘和涡轮盘等部位，这也给在役检测工作带来很大困难。（4）需要对领先飞行飞机的一些特殊部位、特殊区域和可能的缺陷检测方法进行预先研究。由于缺少相关资料，该项工作往往需要在现有检测经验的基础上进行许多预先研究，因而风险往往较大。

　　我国航空装备无损检测工作现状

　　航空领域一直是我国开展无损检测理论和应用研究最普遍、最活跃的部门。航空装备无损检测工作应当遵循的原则是，寻找适合且有效的方法，而不是盲目走高、精、尖之路；要用“对”的，不盲目追求“贵”的！例如民用航空，目视（包括借助 仪器 的目视）可能占到其无损检测工作量的70%以上，目视加常规可能占到90%以上。当然，由于航空装备的特殊性和对高安全性、高可靠性的需求，最新、最先进的检测方法往往首先在航空部门得到应用（结构健康监测、脉冲涡流、激光和红外成像等技术），但那是实际检测中一些特殊部位或特殊场合提出的需求，而不是为了应用新技术而使用新技术。

　　我国航空领域的无损 检测 总体上位列世界先进水平，其研究和技术人员能自行解决和攻克航空领域面临的各类复杂的技术疑难问题。摩擦焊是一种新的固相焊接技术，在航空制造上有重要应用，因焊缝区缺陷紧贴、细微，焊缝区冶金组织与母材接近，采用常规针对熔焊缝的X 射线或超声波检测方法难以解决摩擦焊检测问题。刘松平等利用入射声波在焊缝区产生的反射/散射/衍射等综合信息进行焊缝缺陷的判别和识别，取得了良好的检测效果。在利用常规TOFD技术的基础上，提出利用L-TOFD和P-扫等技术综合检测搅拌摩擦焊焊接质量，该研究方法可以替代传统的X 射线检测法并克服其难以检测焊缝纵向裂纹的缺点，为保证搅拌摩擦焊焊接质量发挥了作用。刘松平等对于复合材料缺陷的检测也进行了具有创新意义的研究，研制成功的CUS-6000复合材料高效超声自动化扫描成像检测设备已达到工业应用级水平，直接可为复合材料制造服务。该研究小组研制的超声显微成像技术可以精确判断各复合材料铺层的缺陷情况，未来可对提高复合材料的制造质量发挥重要作用。

图1 由AE预报的飞机某墙关键裂纹

　　郭广平等长期以来对激光错位散斑干涉技术进行了较为深入的研究。对于C夹层雷达罩峰窝结构，制造过程中存在的弱脱粘缺陷用常规超声波C扫描技术难以发现，他们研制的真空加载激光散斑干涉系统可在现场对紧贴型弱脱粘缺陷实施检测，该技术可用于雷达罩上蒙皮与峰窝之间的脱粘、中蒙皮与上侧峰窝之间的脱粘检测，其检测能力达到工应用水平。 [p]

图2 因AE预报而提前发现的某关键结构处微小裂纹

　　耿荣生等在2004~2011年长达8年的时间内，跟踪监测了2类三代机在全机疲劳试验中的损伤发展情况，首次建立了以声发射技术为中心的综合裂纹监控技术，保证了试验的顺利进行，2种机型的寿命均得到50% 以上的提高。其课题组发展了一套较为完整的声发射信号处理和预报方法，在充分研究并获得了无裂纹情况下背景声发射信号的统计平均特性后，采用了基于统计分析原理的趋势分析技术，基于时间、基于空间、基于幅度和基于能量的滤波技术，基于声发射信号幅度分布特征研究的信号处理方式，以及采用多参数综合识别技术获得疲劳裂纹萌生和扩展的声发射特征等。他们发展了一套独有的将监测到的声发射信号拆分成不同的时间序列，再利用统计平均参数的相关性等特征量的趋势变化实施监测，取得了明显效果。以2004~2008年对某型号飞机的监测为例，在整个试验过程中，在几乎未出现误报的情况下，成功预报和发现了38条关键裂纹，发现了100多条一般裂纹，这在全尺寸飞机疲劳试验裂纹监测史上是一个奇迹。由于实施了全程监测、检测（以及针对性的耐久修理），使得该机群的飞行寿命增加量达到50%。上述方法在2009年之后也应用到另一机种飞机的全尺寸疲劳试验中并取得成功。此项研究具有巨大的政治、军事和社会意义，并创造了以百亿为单位的经济效益。图1和图2是利用声发射（AE）技术预报关键结构裂纹的2个实例（如未预报，疲劳试验极有可能失败）。

航空装备无损 检测 技术发展方向及需要重视的领域

　　笔者曾多次就我国无损检测技术未来的发展方向进行过探讨，提出要在更高的平台上重建中国无损检测市场，在大力发展智能化、自动化和图像化的检测装置的同时，需要积极发展一些新的应用领域。本文就与航空装备密切相关的一些问题进行探索。

　　1. 大力发展结构健康监测（SHM）技术

　　所谓结构健康监测就是要对结构（健康）状态实施一系列监测措施并进行（健康）状态评价，在结构发生早期损伤或者疲劳裂纹萌生的时候，能对结构采取修复性措施，从而避免结构出现或者产生不可修复的破坏。如同最好的“治病”方法是加强预防和早期诊断以“防患于未然”一样，对于航空装备而言，健康监测是未来有效提高装备可靠性和延长其使用寿命的最佳途径。除前面提到的声发射监测在某种程度是一种结构健康监测技术外，目前已发展了不少“行之有效”的方法，例如，采用 智能传感器 技术、智能材料技术、光纤传感器和应变量监测技术等。由于单一方法总有其局限性，因此多种方法的联合使用可能是最有效的健康监测方法。健康监测的本质是需要对健康状态作出综合评价，在这一层面上，目前还没有一种技术是真正意义下的健康监测，大部分都属于损伤检测（能做到发现早期损伤或早期裂纹）的范畴，只不过一些“预埋”或预设的传感器能实施连续检测而已。不管采用什么技术（注意，没有一种技术是万能的），对结构本身的了解和工程应用经验都是至关重要的。

　　2. 提倡绿色NDT——无损检测技术的发展必须与我国工业发展的总体思路相适应

　　绿色制造，即采用节能、减排技术生产环境友好型机械制造设备，这无疑是机械制造业的发展方向［6］。未来的无损检测设备也应该是绿色的，即环境友好型设备。因此，一些传统的、可能会对环境产生污染的检测方法将会逐步被淘汰，或者被新的方法、新的检测媒介所代替。例如磁粉探伤，随着漏磁检测技术的进步和检测灵敏度的提高，以及后者可能更容易实现智能检测和可视检测，在很多场合， 磁粉探伤都有可能会被漏磁检测所替代。另一种已经发生并且加速进行的现象是数字射线检测技术终将代替传统的胶片检测方法。近年来，随着新型数字图像板和新型利用图像荧光存储的CR技术的飞速发展，数字射线的成像效果已完全可与传统胶片相媲美，因此，鉴于其环境友好的特征且能存贮、反复使用和实现远距离传输，代替传统胶片射线检测技术已指日可待。另一方面，随着超声检测技术的进步，例如TOFD技术在焊缝检测中作用的加强和标准的建立，（在焊缝方面）用超声TOFD代替或部分代替射线检测也已成为可能，这也符合绿色检测的理念。航空装备的无损检测需要重视这些新技术的推广应用，这方面的工作任重而道远。

　　3. 智能NDT和信息化NDT——信息化和智能化的无损检测设备

　　目前制造业的一个热门话题是信息制造、智能制造，即制造的机械设备系统能够进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。利用目前已经开发出来的晶片传感器技术，并与微电子学和高性能计算机相结合，生产集成化的（综合）、具有信息系统功能和智能检测的设备应当已具备条件。智能NDT 和信息化NDT的一个直接结果是让探伤（无损检测）“变得更加单”。事实上，早在20世纪90年代，空军就在这方面进行了十分有益的探索。外场的一些主要探伤工艺存贮在数字化超声波和涡流探伤设备中，大大简化了外场人员的操作步骤，并提高了外场探伤的可靠性。固化了主要机种外场探伤工艺的KK-30智能型超声波探伤仪和SMART-97智能型涡流探伤仪已具备了智能化 仪器 的雏型，当然，由于缺少可视化的检测结果且没有自动识别功能，这些仪器的智能化水平仍然较低。

　　目前，图像处理和图像自动识别技术飞速发展，有些已十分成熟，可以与该领域研究人员合作，研究智能化程度很高的无损检测设备。

　　4. 集成和数据融合技术

　　每一种无损检测方法都有其适用范围，因此也很难实现对被检对象的完整评估。为了提高检测的可靠性及效率，降低检测成本，实现检测的完整性，可采用包含多种检测方法的无损检测集成技术，但不同检测方法获得的结果不应当是孤立的，而应当有机联系并综合加权， 进而对检测对象进行评价，也就是需要对数据（结果）进行融合。因此，对集成检测仪器的一个最基本要求是能提供有效的数据融合平台，而不是简单地将几种不同检测功能拼凑在一起。在2011年的全球华人无损检测高峰论坛上，林俊明提出了云检测的概念，试图将云计算植入无损检测技术。这一设想有可能颠覆传统的一些无损检测设计理念，尽管目前尚处在探索中，但随着所谓“云技术”峰起云涌式的发展，它会给无损检测的发展带来何种影响，还真的需要特别关注。 [p]

　　与集成仪器异曲同工的是面向特定对象的专用检测仪器，这相当于“量体裁衣”和“按需订制”的解决问题的方法，对于航空装备检测而言，这也是一种很有前途的发展方向。可能是因为外场特别需要，空军在这方面有着相对丰富的经验。例如，在对某型发动机低压压缩器一级盘凸台左侧叶片槽进行检测时，将TOFD的一收一发双探头改为一个双晶探头，研制的一级盘叶片槽专用5MHz19°左TOFD探头可有效解决一级盘凸台左侧叶片槽的裂纹检测问题。另外，在对某型发动机二级涡轮叶片叶背裂纹的检测中，空军有关研究单位研制出了专用涡流探头并配发部队，有力地保障了该型发动机的安全。

5. 相控阵技术在涡轮叶片、涡轮盘和压气机盘等复杂构件裂纹 检测 中的应用

　　由于聚焦位置和声束方向（偏转角度）可以十分方便地由电路来调节，相控技术在航空装备中的应用首先可能体现在对涡轮叶片、涡轮盘、篦齿盘和压气机盘等复杂构件裂纹检测方面。这需要根据具体检测对象的几何尺寸预先进行一些试验研究，并制定出详细的检测计划。

　　6. 红外和激光散斑干涉等新技术的应用

　　复合材料在新型飞机特别是四、五代战机（包括改进后的三代机）和商用大飞机上都有更广泛的应用，而小型化的红外热成像和激光散斑干涉检测仪都能快速、大面积地检测复合材料分层、脱粘等主要缺陷，因此，可以预见，这些 仪器 未来在外场也都会有良好的应用前景。

　　无损检测学会（ChSNDT）及国内无损检测概况

　　无损检测学会成立于1978年，它是中国机械工程学会（CMES）的一个重要分会并接受CMES的领导，但在对外交往中，它又是一个具有独立地位的学会，其对外名称是Chinese Society for Non DestructiveTesting （ChSNDT-中国无损检测学会）。ChSNDT是世界上成立最早、表现最活跃、拥有会员人数最多的少数几个无损检测学会之一。 33年来，无损检测学会虽历经九次全国大会和人员更迭，但其发展宗旨一直遵循团结全国无损检测人员，为促进学术交流、提高无损检测技术水平而尽力，为提高产品质量、提高设备安全可靠运行服务，为无损检测人员积极参与国际间的合作与交流、为推动我国无损检测事业的发展和进步、促进国际合作做贡献。

　　ChSNDT下设7个专业委员会（超声、电磁涡流、射线、声发射、磁粉和渗透、新技术、应力测试）、5个工作委员会（学术、教育培训和科普、人员资格认证、在役设备检测、编辑出版）和NDT杂志编辑委员会。目前的第9届委员会共有委员（理事）99人。

　　ChSNDT曾于2008年10月在上海召开了第17届世界无损检测会议（WCNDT），其规模之大、参会代表和参展商之多都是空前的。会议的主旨是让（中国）无损检测走向世界，让世界了解中国（的无损检测）。该次盛会的召开标志着中国大陆的无损检测技术水平发展进步受到世界的肯定，也标志着中国无损检测界在世界上的崇高地位和信誉。

　　ChSNDT利用举办了第17届WCNDT以及中国无损检测的技术水平受到世界公认和高度关注的良机，抓紧开展了无损检测人员资格与欧洲无损检测联盟（EFNDT）互认的工作。经过学会坚持不懈的努力，这一目标最终得以实现。2009年4月，欧盟即派2名评审员对无损检测学会资格认证体系进行评审。2009年9月1日在布鲁塞尔的欧盟第一工作委员会会议上讨论，以全票一致通过：中国无损检测学会人员认证体系加入互认体系，同年9月15日正式批准并颁发证书。与欧盟的互认是学会人员资格认证工作的一项重要进展，可能是在这方面的一个里程碑事件。

　　ChSNDT已主办过多次大型国际无损检测会议。除前面提到的第17届WCNDT会议外，2011年8月，在北京召开了首次世界声发射会议（WCAE’2011，北京），11月，又成功举办了全球华人无损检测高峰论坛。

　　我国无损检测技术的总体水平与我国的经济发展水平相一致，其在世界无损检测的地位多多少少也与中国经济和工业水平，特别是装备制造业在世界的地位相一致。资料显示，2008年之后，中国作为世界机械制造大国，机械、电气与交通运输设备第二出口大国，已经屹立于世界机械制造大国之林［1］。虽然无损检测技术本身在某种程度上并非一种直接的生产力，但是它的技术水平却能反映一个国家的工业水平，并同国家的经济发展态势密切相关。与世界机械制造大国相适应的是，中国是一个无损检测大国，它的无损检测市场是一个最具有活力、最具吸引力的市场，这一点已得到世界无损检测界的共认。仅根据无损检测从业人员的数量看，有资料显示，我国目前拥有直接从事或从事与无损检测相关技术工作的人员25万左右，涉及无损检测技术应用、科研、教学与培训、经销、技术咨询服务、工程服务等的单位约在5000个以上，这是任何国家都无法比拟的。中国现有从事无损检测服务的检验检测机构约2000家，有2万多家机械制造和安装企业拥有自己的无损检测队伍，无损检测设备器材的制造单位可能多达近500家，在超声、涡流、磁粉和常规射线检测仪器方面已出现了一批规模化的生产企业或集团，一些前沿仪器（例如相控、超声TOFD专用仪器、阵列涡流）也具备了市场化生产规模。

　　我国无损检测技术的工程应用领域处于国际先进甚至领先水平。得益于经济的快速发展和大型工程建设项目在国计民生各领域的广泛开展，我国在无损检测工程应用领域进行了许多领先研究、应用和技术开发，在核电、铁路特别是高速铁路、特种设备（管道、压力容器、游乐设施等）、石油管道、天然气管道、山体和大坝岩石稳定性监测、飞机疲劳损伤监测等领域都取得了不俗的成就。我国的工程技术人员目前基本可以自行解决各种大型工程项目的各类常规无损检测和面临的各种技术疑难问题，可以说，目前几乎找不到无损检测技术仍处于空白地位的主要工业部门。同时，现有的各种NDT方法几乎无一例外都在中国得到应用或开展过研究。这一方面是因为像我们这样一个大国，依靠国外公司承包工程项目、解决各类工程技术疑难问题是不现实的，可能也是不允许的。另一方面，中国各工业部门的无损检测技术人员也有解决这些技术疑难问题的能力。有关各工业部门无损检测技术的发展概况可参见2008年无损检测杂志的增刊和2010年的中国无损检测技术发展年度报告。

　　结束语

　　无损检测技术已在航空装备安全可靠运行方面起到重要保障和技术支撑作用，无论是在航空装备的制造、生产过程，还是各机种的在役检测和日常维护、检查，无损检测都发挥了极其重要的作用。为实现无损检测技术的可持续发展，需要提倡一些新的无损检测理念和新的检测思路。以健康监测、集成检测和数据融合，以及数字化、图像化和信息化为典型标志的绿色无损检测可能就是未来值得发展的检测技术。以笔者所在的研究团队为例，通过在2种三代机机群寿命的延长试验中建立了以声发射技术为中心的综合裂纹监控技术，保证了试验的顺利进行，2种机型的寿命均有50%以上的提高且都已发挥了重要作用，这说明无损检测是一项典型的具有低投入、高产出的工程应用技术。我们应当充分利用现有的良好发展态势，对现有的资源进行必要整合，力争在较短时间内使航空领域无损检测技术能在更高的平台上运行。