电导率法在飞机钛合金烧伤检测中的应用

电导率法在飞机钛合金烧伤检测中的应用

王一龙

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司工程技术部冶金技术科黑龙江哈尔滨150066

摘要：飞机烧伤事故是飞机在使用和维护过程中发生较多的事故之一。对结构烧伤飞机进行原位检测和评估是制订修理工艺、实施快速抢修的前提。通常烧伤飞机结构修理中关心的是结构的力学性能指标,而力学性能指标的变化往往难以直接测量。

关键词：电导率；钛合金；检测；烧伤；

某飞机在着陆滑行过程中，由于发动机吸入异物，造成飞机左发动机一级压缩器叶片折断，高速碎片飞出时击断（伤）滑油管及液压管，漏出的液压油被高温引燃造成飞机空中失火。

一、钛合金材料烧伤状态检测方法

1.电导率检测法。电导率检测法具有简单易操作的特点,检测时人为影响小,所测值比较稳定,同时电导率随温度和材料力学性能的变化趋势明显。(1)电导率与硬度的关系当烧伤温度<950e时,BT20试件的电导率和硬度下降都较为平缓;当温度>950e时,试件的电导率和硬度急剧下降,硬度与电导率的变化几乎是同时的,因此可用电导率来表示BT20的硬度变化。OT4钛合金在温度为1100e时电导率值发生突变,呈急剧降低;其硬度在1050e时发生突变,呈急剧升高。试验表明也可用电导率的变化来表示硬度的变化规律。(2)电导率与强度的关系BT20材质钛合金在温度为900~1050e时强度发生了突变,温度>1050e时强度极弱。所以也可以使用电导率来发现材料强度的变化。当烧伤温度达到1100e时,OT4的强度发生突变,急剧减小,说明强度的突变与电导率的突变几乎是同时的,因此可用电导率来表示强度。使用电导率检测法可以快速并且较为准确地判断飞机构件的烧伤程度。但是由于在高温下钛合金电导率下降较快,而电导率测试有一定的量程限制,当电导率下降至一定数值时便无法测得,也就无法得知烧伤程度及范围。

2.硬度检测法。随着烧伤温度的升高,钛合金的硬度会持续上升,同时其他力学性能持续下降,并且发生上升或下降的温度点是一致的。所以在飞机烧伤的鉴定中,使用硬度值作为参考数据也是可行并且较为准确的。但也必须看到,硬度有一定的随机性,在同一试件临近部位所得硬度值也有一定的偏差,特别是对蒙皮等较薄试件打点时,由于试件易产生变形,所得硬度值并不精确。

二、电导率检测的基本思想

烧伤飞机结构修理关心的是结构的力学性能指标，而力学性能指标的变化往往难以直接测量。因此，需要研究结构烧伤后力学性能指标的变化规律及其与检测指标之间的关系。经过大量的模拟烧伤试验研究发现，飞机的烧伤过程实际上可以看作是飞机结构材料的热处理过程。在不同的热处理状态下，不同的材料组织对电子散射作用的不同将使电导率发生变化。因此，通过测定飞机烧伤结构材料的电导率，可以判定确定材料的硬度变化以及烧伤程度。金属材料的烧伤程度和其电导率的变化有一定的规律，判断其是否烧伤主要有２个方面的因素：

1.若火烧区和非火烧区电导率值有明显差异（钛合金超过１％ＩＡＣＳ），说明材料已烧伤；

2.火烧区和非火烧区的电导率差别不大，但２区之间有过渡区，若其过渡区的电导率发生变化（有明显峰值），则也可以判断为烧伤。当然，火烧区、非火烧区和过渡区的区分主要通过目视构件表面涂层的颜色变化情况判断。该架飞机的钛合金结构的电导率检查，以电导率是否相对变化为依据，找出火烧区和非火烧区，同时检查是否有电导率变化的过渡区。若火烧区、非火烧区及过渡区的电导率均没有明显变化，则说明结构未烧伤；如果出现较大变化（超过１％ＩＡＣＳ）则说明已经烧伤。因此，根据实际火烧情况，可以确定多个合理的电导率测量点，测量后进行对比检查。

三、结构烧伤的评估分析

由于飞机重要受力件在飞机上起关键的受力与定位作用，且飞机重要受力件的损伤将大大增加修理的难度和工作量，因而其损伤与否对飞机修理工作来讲至关重要。因此，在飞机损伤结构的评估中，应主要判断上述重要受力件的损伤情况。通过对该架飞机着火情况及温度场分布进一步分析发现，飞机重要受力件３８框在火烧区范围内。由于距３８框４０ｃｍ的ＬＹ１２铝合金构件已经部分烧熔（铝合金熔点一般为６６０～６８０℃），３８框漆层烧成灰白色，可以初步判断３８框钛合金框受到的温度大约在５２０～５５０℃，且作用时间极短（大约２ｍｉｎ内）。３８框是由ＢＴ２０钛合金材料模锻而成，ＢＴ２０钛合金的成分是Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｚｒ－１Ｍｏ－１Ｖ，其主要特点是具有中等的室温和高温强度、良好的热稳定性和焊接性能，以及较低的工艺塑性。ＢＴ２０合金的长时间（３０００ｈ）工作温度可达５００℃，瞬时（不超过５ｍｉｎ）工作温度可达８００℃。因此，３８框存在着烧伤的可能性较小。但是如果３８框轻微烧伤也必定会造成其强度下降，３８框是机身重要受力框，是机身的重要定位部件，一旦受损，飞机修理时将涉及到大批量的构件拆卸和更换，并要对所有构件重新定位，修理难度和深度成倍增加；如果只是承受过短时间的灼烧而没有造成组织结构的变化，那就大大降低飞机的修理难度。因此，判断结构是否烧伤对飞机的修理工作至关重要。基于以上的分析，在对该架飞机检测时，只能采取无损检测的方法。拟以电导率检测为主，为增加可靠性，再采用硬度检查方法进一步验证。

四、实例检测

采用电导率检测法对ＢＴ２０钛合金进行检测在理论上和实验室分析中是完全可行的，但在飞机结构修理过程中还没有采用过。为了慎重起见，还需要采用传统的结构烧伤判断方法———硬度检测法进行检测。硬度检测法以离位取样检查最为准确，但不允许对飞机结构进行破坏取样，只能采用手提式里氏硬度计原位检测硬度。由于３８框结构比较粗大，测量时稳定性较好，因此手提式里氏硬度计的误差也比较容易控制。

1.电导率检测。（1）检测仪器，,ＦＭ－１５０（ＮｕｔｒｉｔｉｏｎＮＤＴ）数字式电导率检测仪。（2）检测步骤。ａ．表面清理。对烧伤部位表面进行清洗，清除表面的油污、烟灰等杂物。ｂ．仪器校正。将仪器调整到初始状态。ｃ．测量点选择。在３８框上设置１２个测量点，其位置如图１所示。其中，３、４、５、６、７是火烧区；１０、１１、１２是非火烧区；１、２、８、９是烧伤与未烧伤的过渡区。

图１３８框测量点分布情况

1.手持仪器探针对３８框１～１２点分别进行测量，记录下测量结果，见表１。表１中的每个数值均为对同一点测量５次所得到的５组测量数据所求得的平均值。

表１３８框框沿各测量点电导率数值

2.硬度检测。所采用的仪器为ＨＴ－２０００型手提式里氏硬度计，对上述12个测量点的硬度检测给出了数据。里氏硬度计可以通过机内微电脑与其他硬度值将里氏硬度换算为ＨＲＣ。表２是３８框各点硬度数值。同样，表中的每个硬度值均为５组测量数据求得的平均值。

表２３８框各点硬度数值

3.结果分析。对于38框，所设的火烧区、过渡区和非火烧区各点的电导率值没有明显的差异，其变化数值没有规律性、倾向性的变化，说明38框烧伤区、过渡区和非烧伤区电导率没有大的变化，因此可以判断38框“烧伤区”还没有达到使材料强度下降的烧伤程度。从对38框的硬度检测结果来看，各点的硬度值均在仪器硬度测量允许值的误差范围内，可以认定硬度值没有规律性变化，用硬度法也可以判断38框没有烧伤。对修理后放飞的飞机进行了长期的跟踪检查，该飞机达到规定的大修时间后，又对38框作了全面的检查，结果令人满意，说明用电导率法检测飞机钛合金烧伤是可行的。

参考文献：

［1］王大鹏．钛合金的高温氧化及防护．2016.

［2］周小新．钛合金烧伤机理及检测方法研究.2017.

［3］吴秀萍．航空钛合金结构的几种典型损伤形式及控制．2016.