溫色對比法檢測飛機火燒構件的可靠性分析

陳寒放，周志平

(1.南雅中學，湖南 長沙 410129；2.空軍航空維修技術學院，湖南 長沙 410124)

在各種形式的飛機事故中，失火事故發生較多，往往造成飛機構件被燒傷而直接導致強度降低[1]。針對要修理因失火而燒傷的飛機來制定特定的修理工藝，要解決的關鍵問題是如何準確確定構件的燒傷程度和燒傷范圍[2]。常用的溫色對比法是根據金屬構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，找到輕微燒傷區、嚴重燒傷區和未燒傷區。如對飛機蒙皮燒傷的檢測：溫度大于400℃漆層開始燒毀；當溫度大于250℃時由金黃色轉為焦黃色；當溫度大于200℃時呈檸檬色，當溫度t大于200℃時，顏色基本不變[3]。根據構件在不同加熱溫度下的顏色變化來推斷構件強度的方法是否能夠準確地反映出材料的組織變化，是目前亟待研究解決的問題。

1 針對幾種典型結構材料的溫色對比試驗

1.1 材料選擇

試驗中選擇了五類十二種飛機上廣泛應用的合金進行了溫色對比試驗。文章僅對鋁合金、鈦合金、不銹鋼三類材料的溫色對比試驗結果進行討論。試驗采用材料：超硬鋁合金LC4CS包鋁板材、鈦合金TC4板材、不銹鋼1Cr18Ni9Ti板材。板材規格為50×50×3mm，成份符合GB3190-82要求。

1.2 試驗方法

將各種待測試件依次放入加熱爐中，分別加熱到指定的溫度范圍，按規定的時間保溫后取出，低溫及中溫的保溫時間為1h，高溫時的保溫時間為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間如表1所示。材料TC4的加熱溫度及保溫時間如表2所示。

表1 材料LC4CS的加熱溫度及保溫時間

表2 材料TC4的加熱溫度及保溫時間

材料1Cr18Ni9Ti的加熱溫度及保溫時間如表3所示。

表3 材料1Cr18Ni9Ti的加熱溫度及保溫時間

2 試驗結果分析

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℃。當加熱溫度超過520℃時LC4CS試件出現熔化現象，因此試件僅加熱到520℃。通過多次實驗數據進行總結，鈦合金TC4試件隨不同加熱溫度呈現的顏色變化情況見表4。可見，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(保溫1小時)，出現晶界變寬等過熱跡象。

通過仔細的目視觀察，對于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目視難以區別，但通過金相組織觀察，LC4CS試件加熱至450℃時已出現復熔三角、晶界加粗等過燒現象。結果表明：用顏色的變化來判斷鋁合金組織結構是否存在過燒現象是非常困難的。

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]。通過試驗，當對試件加熱到1200℃時，即出現嚴重的氧化現象，因此試驗加熱溫度僅達1200℃。結果發現：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的顏色變化情況見表5。通過顏色對比也發現，在保溫時間相同或不同時，都存在試件顏色在幾個溫度段非常相近的情況，如TC4試件在450℃下保溫1小時冷卻后的顏與在850℃及1000℃下保溫0.5小時冷卻后的顏色相近；TC4試件分別在400℃、550℃、700℃、750℃下保溫1小時冷卻后的顏色是相近的。因此，對于TC4試件，僅憑肉眼觀測試件顏色，難以推斷構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℃。當試件加熱到1200℃時已出現晶粒粗大等過燒現象，所以，試件僅加熱到1200℃。通過不銹鋼表面顏色的變化發現， 1Cr18Ni9Ti試件在加熱至1000℃～1200℃時，表面出現不同程度的灰色氧化膜，無剝落痕跡，表明該材料抗熱氧化能力較強，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的顏色變化情況見表6。試驗中發現：試件在700℃、800℃下保溫1小時與在1050℃下保溫0.5小時的顏色是相近的；試件在400℃～550℃之間和750℃下保溫1小時與在1100℃下保溫0.5小時的顏色是相近的。該試件很難用顏色的變化去推斷構件所受溫度的高低。

表6 Cr18Ni9Ti試件隨不同加熱溫度顏色變化圖

3 結論

上述條件下四種材料的溫色對比試驗結果表明：

(1)金相實驗結果表明，當材料的組織發生過燒時，材料顏色不能反映發生變化的真實狀況，尤其是包鋁板材。可見，材料顏色的變化與組織結構的變化之間不存在一一對應的關系。

(2)溫色對比法難以保證檢測結果的準確性和可靠性。

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

(3)溫色對比的檢測方式沒有任何可以用于確定結構強度的參數，因此在判斷構件過燒時受人為因素的影響較大。該方法適合于估計構件受熱溫度的輔助參考，不能作為判斷飛機構件是否過燒的唯一依據。構件是否過燒應基于多種檢測方法的綜合評判，比如電導率、金相、硬度等。

[1] 陳勇，周志平.溫色對比法檢測飛機火燒構件的可靠性分析[J].無損檢測，2007，(8).

[2] 侯日立 .飛機鋁合金燒傷檢測方法研究[J].無損檢測，2001，23(12).

[3] 許占顯 .飛機蒙皮燒損傷檢測[J].無損檢測，1998，20(10).

[4] 劉萬福，李建霞.航空工程材料[M].信陽：空軍第一航空學院，2005.

[5] 周志平，周志雄.電導率法檢測飛機結構件燒傷的試驗研究[J].宇航材料工藝，2005，35(3).