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航空装备无损检测技术现状及 发展趋势 U p t o D a t eN D TT e c h n o l o g yf o rA 订a t i o nE q u i p m e n t 北京航空工程技术研究中心耿荣生景鹏 耿荣生 中国无损检测学会理事长，国际 无损检测委员会( I C N D T ) 委员。北京 航空工程技术研究中心教授、博士生导 师。主要研究方向为声发射检测、动态 监测和故障诊断技术等。获二等以上军 队及省部级科技进步奖9 项。发表论文 1 4 0 多篇。2 0 0 8 年获得国际无损检测委 员会( I C N D TlS o k o I o v 奖。 虽然近一二十年来，特别是进入 2 1 世纪后，传统制造业正面临I T 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【I 】。作为同装备全寿命过程的安 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。 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( N D T ) 或无损评 价( N D E ) 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 2 0 1 2 年第1 2 期航空制造技术5 5 万方数据 行业回顾与展望吲R 。i 。wa n 。P m 。删I 。 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【2 】。1 9 8 2 年1 0 月，时任美国 总统的里根在发给美国无损检测学 会( A S N T ) 成立2 0 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”J 。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 3 I ：( 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 5 6 航空制造技术2 0 1 2 年第1 2 期 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7 0 以上，目视加常规可能占 到9 0 以上【4 J 。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忙】。在 利用常规T O F D 技术的基础上，提出 利用L T O F D 和P 一扫等技术综合 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C U S 一6 0 0 0 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。 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，其检测能力达到工程 应用水平忡J 。 耿荣生等在2 0 0 4 2 0 1 1 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 5 0 以上的提高| 7 l 。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 万方数据 州u 。眦R e v 。e wa n dP 。p e d o n 行业回顾与展望 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 2 0 0 4 2 0 0 8 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3 8 条关键裂纹，发现了1 0 0 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5 0 。上述方法在2 0 0 9 ， 膏1 巍 冀_ I 自勰务 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( A E ) 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 图1 由A E 预报的飞机某墙关键裂纹 图2 因A E 预报而提前发现的某关键结构处微小裂纹 ( 箭头指向裂纹) 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( S H M ) 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N D T _ 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C R 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 2 0 1 2 年第1 2 斯航空制造技术5 7 ，蹙轰，-文黪 万方数据 行业回顾与展望川，。R 。i 。w 。P m 。啪 T O F D 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T O F D 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N D T 和信息化N D H 言 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N D T 和信息化 N D T 的一个直接结果是让探伤( 无 损检测) “变得更加简单”。事实上， 早在2 0 世纪9 0 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K K 一3 0 智能型超声波 探伤仪和s M A R T 一9 7 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。为了提高检钡0 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 5 8 航空制造技术2 0 1 2 年第l 2 期 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 2 0 1 1 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【8 】。 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。 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T O F D 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5 M H z1 9 0 左T O F D 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【9 】。 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) 可以十分方便地南电路来调 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( C h S N D T ) 及 国内无损检测概况 无损检测学会成立于1 9 7 8 年， 它是中国机械工程学会( C M E S ) 的 一个重要分会并接受C M E S 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C h i n e s eS 0 c i e t yf o rN o nD e s t m c t i v e T e s t i n g ( C h S N D T 一中国无损检测学 会) 。C h S N D T 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。3 3 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【4 J 。 C h S N D T 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N D T 杂志编辑委员会。目前 的第9 届委员会共有委员( 理事) 9 9 人【2 】0 C h S N D T 曾于2 0 0 8 年1 0 月在 上海召开了第1 7 届世界无损检测会 议( w C N D T ) ，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 万方数据 世界上的崇高地位和信誉。 C h S N D T 利用举办了第1 7 届 w C N D T 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( E F N D T ) 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。2 0 0 9 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。2 0 0 9 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1 5 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 碑事件团。 C h S N D T 已主办过多次大型国 际无损检测会议。除前面提到的第 1 7 届w C N D T 会议外，2 0 1 1 年8 月， 在北京召开了首次世界声发射会议 ( w C A E 2 0 1 1 ，北京) ，1 1 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，2 0 0 8 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 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2 5 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5 0 0 0 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2 0 0 0 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 5 0 0 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T O F D 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l 艋的各种技术疑难 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N D T 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2 0