溫色對(duì)比法檢測(cè)飛機(jī)火燒構(gòu)件的可靠性分析

陳寒放，周志平

(1.南雅中學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410129；2.空軍航空維修技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410124)

在各種形式的飛機(jī)事故中，失火事故發(fā)生較多，往往造成飛機(jī)構(gòu)件被燒傷而直接導(dǎo)致強(qiáng)度降低[1]。針對(duì)要修理因失火而燒傷的飛機(jī)來(lái)制定特定的修理工藝，要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何準(zhǔn)確確定構(gòu)件的燒傷程度和燒傷范圍[2]。常用的溫色對(duì)比法是根據(jù)金屬構(gòu)件表面的顏色與燒熔特征，或非金屬材料受熱老化、軟化、畸變、龜裂、起泡、燒焦和熔化等特征，按各零件受熱溫度高低順序，劃出溫度場(chǎng)，找到輕微燒傷區(qū)、嚴(yán)重?zé)齻麉^(qū)和未燒傷區(qū)。如對(duì)飛機(jī)蒙皮燒傷的檢測(cè)：溫度大于400℃漆層開(kāi)始燒毀；當(dāng)溫度大于250℃時(shí)由金黃色轉(zhuǎn)為焦黃色；當(dāng)溫度大于200℃時(shí)呈檸檬色，當(dāng)溫度t大于200℃時(shí)，顏色基本不變[3]。根據(jù)構(gòu)件在不同加熱溫度下的顏色變化來(lái)推斷構(gòu)件強(qiáng)度的方法是否能夠準(zhǔn)確地反映出材料的組織變化，是目前亟待研究解決的問(wèn)題。

1 針對(duì)幾種典型結(jié)構(gòu)材料的溫色對(duì)比試驗(yàn)

1.1 材料選擇

試驗(yàn)中選擇了五類十二種飛機(jī)上廣泛應(yīng)用的合金進(jìn)行了溫色對(duì)比試驗(yàn)。文章僅對(duì)鋁合金、鈦合金、不銹鋼三類材料的溫色對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。試驗(yàn)采用材料：超硬鋁合金LC4CS包鋁板材、鈦合金TC4板材、不銹鋼1Cr18Ni9Ti板材。板材規(guī)格為50×50×3mm，成份符合GB3190-82要求。

1.2 試驗(yàn)方法

將各種待測(cè)試件依次放入加熱爐中，分別加熱到指定的溫度范圍，按規(guī)定的時(shí)間保溫后取出，低溫及中溫的保溫時(shí)間為1h，高溫時(shí)的保溫時(shí)間為0.5h，然后放入靜止的空氣中自然冷卻，冷卻后觀察其金相組織顏色變化。鋁合金材料LY12CZ、LC4CS的加熱溫度及保溫時(shí)間如表1所示。材料TC4的加熱溫度及保溫時(shí)間如表2所示。

表1 材料LC4CS的加熱溫度及保溫時(shí)間

表2 材料TC4的加熱溫度及保溫時(shí)間

材料1Cr18Ni9Ti的加熱溫度及保溫時(shí)間如表3所示。

表3 材料1Cr18Ni9Ti的加熱溫度及保溫時(shí)間

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按表1～3的方法處理后，四種材料的熱變色與氧化情況如下：

2.1 LC4CS試件顏色隨溫度變化的情況

超硬鋁合金LC4的正常工作溫度一般是在125℃以下，熔化溫度范圍477～638℃。當(dāng)加熱溫度超過(guò)520℃時(shí)LC4CS試件出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，因此試件僅加熱到520℃。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，鈦合金TC4試件隨不同加熱溫度呈現(xiàn)的顏色變化情況見(jiàn)表4。可見(jiàn)，加熱溫度在400～500℃之間的試件顏色變化不明顯。不同溫度下的試件金相組織的觀察表明，該試件加熱溫度在450℃時(shí)(保溫1小時(shí))，出現(xiàn)晶界變寬等過(guò)熱跡象。

通過(guò)仔細(xì)的目視觀察，對(duì)于LC4CS鋁合金包鋁板材，材料從室溫(15℃)到高溫(520℃)表面顏色隨溫度的變化是漸近的，沒(méi)有明顯梯度，原因在于材料的表面有包鋁層，包鋁層顏色的變化通過(guò)目視難以區(qū)別，但通過(guò)金相組織觀察，LC4CS試件加熱至450℃時(shí)已出現(xiàn)復(fù)熔三角、晶界加粗等過(guò)燒現(xiàn)象。結(jié)果表明：用顏色的變化來(lái)判斷鋁合金組織結(jié)構(gòu)是否存在過(guò)燒現(xiàn)象是非常困難的。

表4 超硬鋁合金LC4隨不同加熱溫度顏色變化圖

2.2 TC4試件的顏色隨溫度的變化情況

鈦合金TC4正常工作溫度在400℃以下，熔化溫度范圍1540～1650℃[4]。通過(guò)試驗(yàn)，當(dāng)對(duì)試件加熱到1200℃時(shí)，即出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，因此試驗(yàn)加熱溫度僅達(dá)1200℃。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鈦合金TC4試件在各加熱溫度段下顏色變化明顯。鈦合金TC4試件隨不同加熱溫度呈現(xiàn)的顏色變化情況見(jiàn)表5。通過(guò)顏色對(duì)比也發(fā)現(xiàn)，在保溫時(shí)間相同或不同時(shí)，都存在試件顏色在幾個(gè)溫度段非常相近的情況，如TC4試件在450℃下保溫1小時(shí)冷卻后的顏與在850℃及1000℃下保溫0.5小時(shí)冷卻后的顏色相近；TC4試件分別在400℃、550℃、700℃、750℃下保溫1小時(shí)冷卻后的顏色是相近的。因此，對(duì)于TC4試件，僅憑肉眼觀測(cè)試件顏色，難以推斷構(gòu)件所受加熱溫度的高低。

表5 TC4試件隨不同加熱溫度顏色變化圖

2.3 不銹鋼1Cr18Ni9Ti試件的顏色隨溫度的變化情況

1Cr18Ni9Ti的正常工作溫度一般在400℃以下，熔化溫度范圍是1460～1510℃。當(dāng)試件加熱到1200℃時(shí)已出現(xiàn)晶粒粗大等過(guò)燒現(xiàn)象，所以，試件僅加熱到1200℃。通過(guò)不銹鋼表面顏色的變化發(fā)現(xiàn)， 1Cr18Ni9Ti試件在加熱至1000℃～1200℃時(shí)，表面出現(xiàn)不同程度的灰色氧化膜，無(wú)剝落痕跡，表明該材料抗熱氧化能力較強(qiáng)，含很高的抗氧化元素Cr和Ni和抗熱腐蝕元素Ti。不銹鋼1Cr18Ni9Ti試件隨不同加熱溫度呈現(xiàn)的顏色變化情況見(jiàn)表6。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：試件在700℃、800℃下保溫1小時(shí)與在1050℃下保溫0.5小時(shí)的顏色是相近的；試件在400℃～550℃之間和750℃下保溫1小時(shí)與在1100℃下保溫0.5小時(shí)的顏色是相近的。該試件很難用顏色的變化去推斷構(gòu)件所受溫度的高低。

表6 Cr18Ni9Ti試件隨不同加熱溫度顏色變化圖

3 結(jié)論

上述條件下四種材料的溫色對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)金相實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)材料的組織發(fā)生過(guò)燒時(shí)，材料顏色不能反映發(fā)生變化的真實(shí)狀況，尤其是包鋁板材。可見(jiàn)，材料顏色的變化與組織結(jié)構(gòu)的變化之間不存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

(2)溫色對(duì)比法難以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

一定溫度范圍內(nèi)，金屬材料在高溫短時(shí)的熱變色有時(shí)與低溫長(zhǎng)時(shí)間得到的熱變色相近； 當(dāng)材料表面的顏色隨溫度的變化為漸近變化時(shí)，目測(cè)難以判斷構(gòu)件所受溫度的高低；材料不同，表面熱變色的差異也明顯不同。同一溫度、同一暴露時(shí)間的熱變色與氧化程度，不僅與基體金屬有關(guān)，而且與所含金屬元素密切相關(guān)。

(3)溫色對(duì)比的檢測(cè)方式?jīng)]有任何可以用于確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的參數(shù)，因此在判斷構(gòu)件過(guò)燒時(shí)受人為因素的影響較大。該方法適合于估計(jì)構(gòu)件受熱溫度的輔助參考，不能作為判斷飛機(jī)構(gòu)件是否過(guò)燒的唯一依據(jù)。構(gòu)件是否過(guò)燒應(yīng)基于多種檢測(cè)方法的綜合評(píng)判，比如電導(dǎo)率、金相、硬度等。

[1] 陳勇，周志平.溫色對(duì)比法檢測(cè)飛機(jī)火燒構(gòu)件的可靠性分析[J].無(wú)損檢測(cè)，2007，(8).

[2] 侯日立 .飛機(jī)鋁合金燒傷檢測(cè)方法研究[J].無(wú)損檢測(cè)，2001，23(12).

[3] 許占顯 .飛機(jī)蒙皮燒損傷檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)，1998，20(10).

[4] 劉萬(wàn)福，李建霞.航空工程材料[M].信陽(yáng)：空軍第一航空學(xué)院，2005.

[5] 周志平，周志雄.電導(dǎo)率法檢測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件燒傷的試驗(yàn)研究[J].宇航材料工藝，2005，35(3).