拍X光、做B超、DNA檢測……
航空發動機怎樣做“體檢”
如果身上不舒服，我們會去醫院檢查、開藥；為預防重大疾病，還會定期體檢。
比人們更害怕“生病”的，航空發動機得算一個。它的工作崗位在幾千甚至上萬米高空，如果出現問題導致飛機失去動力，後果可能是機毀人亡。因此對它來説，時刻保持“身體健康”至關重要。
8月24日，2017中國國際通用航空大會上，觀眾在一家航空發動機企業的展位參觀。新華社記者 邵瑞攝
航空發動機是怎樣“體檢”的？近日航空發動機專家、重慶天驕航空動力有限公司生產總監陳華向科技日報記者進行了介紹。
上崗前要做“入職體檢”
航空發動機是高度複雜的精密機械，包括進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管五大部件。“一台中型發動機的零件數就有2萬多件。”陳華説，這些零件結構、工藝複雜，對材料和製造精度要求很高，加工難度也很大。
航空發動機在設計製造過程中要經歷各種試驗和測試，包括部件試驗、核心機試驗、整機地面試驗、高空試驗、飛行試驗等。以高空試驗為例，主要包括環境試驗、風車狀態試驗、系統控制試驗、高度和速度特性試驗、發動機狀態特性試驗、投鳥試驗、防冰試驗、姿態試驗、匹配試驗等內容。這些試驗如同人生中大大小小的考試。航空發動機也必須通過一次次考試，才能從設計走向量產，最終交付給客户。
正式踏上工作崗位前，航空發動機還要經歷“入職體檢”。與人類體檢相比，它的體檢有些類似，但項目更繁多、更復雜，包括成分檢測、尺寸和外觀檢查、宏觀和內部微觀組織檢測，以及物理、化學、力學性能檢測等。
陳華介紹，零件用材料成分檢測，類似於人體的DNA檢測，這個基本參數可作為“身份”的確認。尺寸和外觀檢查，類似於人類檢查身高體重，將決定發動機外形尺寸是否符合要求。物理、化學、機械性能檢測等，如同人類的視力、聽力等檢查，目的是看發動機材料的功能是否能滿足要求。
可別嫌這些試驗和檢測繁瑣，正是它們保障着發動機的可靠性。以烏克蘭製造的TV3-117系列渦軸發動機為例，該產品用於60多個國家，配裝在90%以上的米系列和卡系列直升機上，累計在役3萬多台，卻沒有一台出現過空中停車。這樣連歐美都無法達到的可靠性，正是源於大量嚴謹、周密的試驗。
不過，上述檢測都屬於破壞性檢查，一般是從一批樣品中抽取一件，或是從產品預留的試樣取樣區取樣進行檢查。陳華説，在發動機製造維修過程中，更常用的是無損檢測方法。其不會對零件造成損傷，又能反應出零件內部有沒有大問題，同時還能夠對航空發動機實時監控，防止因產品失效引起災難性的後果。隨着技術的發展，無損檢測已成為控制航空發動機零件質量、保證飛行安全的重要技術手段。
工程師正將發動機放入試車台，為發動機試車做準備。圖片來源：科技日報
體檢還能評估壽命
目前無損檢測方法有數十種。該技術已從單純的檢測，發展到能對發動機零件的安全使用壽命進行評估。
發動機零部件射線檢測就像人體體檢中的X光透照一樣，只是電流電壓等一些控制參數設置不同。陳華説，射線檢測是基於被檢測對象對透入射線的不同吸收，檢測零件的內部缺陷。檢測結果能直觀地顯示缺陷影像，便於對其進行定性、定量分析。該方法對體積型缺陷比較敏感，主要用於鑄件和焊接件的檢測，包括渦輪葉片、鑄造機匣、殼體、焊縫缺陷以及空心葉片殘餘型芯等。但難於發現與射線方向垂直的薄層缺陷。
發動機超聲波檢測與B超類似，只是功率、頻率等參數不同。陳華説，該方法利用超聲波在介質中傳播時產生衰減，以及遇到界面發生反射的性質來檢測缺陷。其優點是僅需從一側接近試件，可對金屬、非金屬和複合材料進行檢測，對確定內部缺陷的大小、位置、取向、埋深和性質等參量具有綜合優勢。發動機的鍛件和管、棒、板等型材，一般採用該方法排除原材料中的缺陷；盤軸等旋轉件，則可採用水浸超聲波檢測，以排除人為因素影響。
孔探檢測與醫院裏常用的胃鏡、氣管鏡等內窺檢查類似。其藉助專用的工業內窺設備，成為航線維護中唯一一種不用分解發動機就能瞭解其內部狀況的檢查手段，可用於檢測發動機主氣流通道部件、高壓壓氣機、渦輪各級輪盤葉片、燃油嘖嘴、燃燒室等不易拆卸且檢測可達性較差的零部件。
滲透檢測，是讓滲透液與受檢件表面接觸，藉助毛細作用滲透到零件表面開口的細小缺陷中，然後用顯像劑吸出這些滲透劑，從而在兩件表面顯出損傷或缺陷的圖像。該方法一次操作可檢測多個零件，在航空發動機維修中有廣泛應用，凡是用鋁合金、鈦合金、耐熱高温合金製成的發動機零部件，在大修或檢修時一般都會用熒光來檢測其表面損傷；外場條件下，常用着色法檢測發動機上不能拆卸的零件。不過滲透檢測法只能查出零件表面的缺陷。
無損檢測還包括可用於鐵磁性材料表面裂紋、摺疊、夾層、夾渣的磁粉檢測；以電磁感應為基礎，適用於導電材料的渦流檢測等技術。
未來可做到缺陷可視化
隨着航空工業發展，航空發動機體檢技術也在不斷進步。
陳華介紹，最新發展的聲發射檢測技術，是藉助受應力材料中局部瞬態位移所產生的應力波進行檢測的動態無損檢測方法。典型的聲發射源是與缺陷有關的變形過程，例如裂紋擴展與塑性變形。聲發射能量來源於材料中的彈性應力場，沒有應力，就沒有聲發射。因此聲發射檢測通常在加載過程中進行，主要應用包括監視疲勞裂紋擴展和焊接接頭質量，複合材料構建的結構完整性評價等。
紅外檢測是基於紅外輻射原理，通過掃描記錄零件表面的温度變化發現缺陷。檢測中，將固定熱量均勻地注入工件表面、向內部擴散。如果內部有缺陷，均勻熱流會被缺陷所阻，經過時間延遲，在缺陷部位產生熱量堆積，體現出温度異常。該方法可檢測金屬和非金屬材料膠接件、蜂窩夾層結構、金屬焊接、空心渦輪葉片等材料部件中的分層、空洞、裂紋、夾雜物等缺陷。
在航空發動機中，對任何一處缺陷的疏忽，可能就會引發安全事故。“必須採用有效的檢測技術，滿足未來航空發動機的發展要求，使其缺陷更加直觀地顯示出來，從而對缺陷的相關特徵信息進行有效的自動提取和識別。”陳華説，缺陷的可視化有利於對發動機進行良好的分析和處理，以滿足未來快速、高效的自動化檢測需求。