一種發(fā)動(dòng)機(jī)金屬屑分析方法在飛機(jī)維修中的應(yīng)用

熊玖遠(yuǎn)

摘要：介紹了一種發(fā)動(dòng)機(jī)金屬屑分析方法，可幫助航司快速完成發(fā)動(dòng)機(jī)磁堵金屬屑成分分析，為飛機(jī)的正常運(yùn)行提供保障。

關(guān)鍵詞：X射線熒光光譜儀；掃描電鏡；能譜儀；金屬屑

Keywords： XRF；SEM；EDS；metal debris

0 引言

長(zhǎng)期以來，發(fā)動(dòng)機(jī)磁堵金屬屑分析一直是影響航司正常運(yùn)行的難題。發(fā)動(dòng)機(jī)磁堵金屬屑是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部損傷的重要表象特征，由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部不同部件使用的材料大多各不相同，通過分析金屬屑成分或牌號(hào)可以評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部損傷位置，從而評(píng)估飛機(jī)是否可以繼續(xù)安全運(yùn)行，但簡(jiǎn)單的目視很難準(zhǔn)確判斷金屬屑成分，無法判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否可用。為確保運(yùn)行安全，多數(shù)航司要求在發(fā)現(xiàn)磁堵金屬屑時(shí)，將金屬屑送實(shí)驗(yàn)室分析，飛機(jī)在分析未出結(jié)果之前不能放行。送檢涉及金屬屑運(yùn)輸及實(shí)驗(yàn)室分析時(shí)間，一般情況下同城需要2～3h才能拿到分析結(jié)果；如當(dāng)?shù)貨]有授權(quán)的金屬屑分析單位，則必須送往其他城市檢測(cè)，等待時(shí)間更長(zhǎng)，造成飛機(jī)延誤或取消，運(yùn)行品質(zhì)受到影響。根據(jù)2019年我司運(yùn)行數(shù)據(jù)，兩個(gè)無金屬屑分析單位的主基地因等待化驗(yàn)結(jié)果而導(dǎo)致的延誤時(shí)間合計(jì)約1000min，共取消6天的航班，形成典型的運(yùn)行安全與運(yùn)行品質(zhì)矛盾。隨著機(jī)隊(duì)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，磁堵檢查工卡更加頻繁，矛盾日益凸顯。

1 調(diào)研

為解決這一問題，我司計(jì)劃在無可靠實(shí)驗(yàn)室的基地建立金屬性分析能力，以實(shí)現(xiàn)在各基地均能快速完成金屬屑成分分析的目標(biāo)。但金屬屑分析對(duì)我司是一個(gè)全新的領(lǐng)域，新能力開發(fā)工作需經(jīng)過充分的調(diào)研與評(píng)估后才能正式展開。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)主要實(shí)驗(yàn)室和已開發(fā)此能力的航司均采用了掃描電鏡+能譜儀的組合來分析金屬屑成分。這種分析方法已得到國(guó)內(nèi)各司驗(yàn)證，可靠性得到充分肯定，但缺點(diǎn)是設(shè)備操作的專業(yè)性較強(qiáng)，投入成本和后期的使用成本較高。

調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，國(guó)外一些航司已在使用某射線熒光光譜（XRF）設(shè)備執(zhí)行航線金屬屑分析，設(shè)備使用相對(duì)簡(jiǎn)單，但國(guó)內(nèi)業(yè)內(nèi)缺乏使用該設(shè)備的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

2 分析與評(píng)估

由于調(diào)研的兩種類型的設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)均較明顯，在最終確定之前需針對(duì)兩種設(shè)備進(jìn)行充分的理論研究與分析。

2.1 X射線熒光光譜（XRF）

如圖1所示，XRF設(shè)備工作時(shí)，通過入射X射線（一次X射線）激發(fā)被測(cè)樣品。受激發(fā)的樣品中的每一種元素會(huì)放射出二次X射線，且不同的元素放射的二次X射線具有特定的能量特性或波長(zhǎng)特性。探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量這些放射出來的二次X射線的能量及數(shù)量。儀器軟件將探測(cè)系統(tǒng)收集到的信息轉(zhuǎn)換成樣品中各種元素的種類及含量，即完成定量分析及定性分析。

2.2 掃描電鏡+能譜儀

掃描電鏡+能譜儀工作時(shí)，通過約20kV的加速電壓將電子加速到高能狀態(tài)，并通過電磁透鏡聚焦成一束極細(xì)的電子束，轟擊樣品表面，當(dāng)樣品原子的核外電子被高能電子束轟擊后，部分會(huì)吸收能量并發(fā)生能級(jí)躍遷，在此過程中釋放特征X射線。此時(shí)，利用SEM內(nèi)置的能譜儀探頭接收并分析該特征X射線，便得到極其微小范圍內(nèi)的成分信息。

2.3 設(shè)備對(duì)比分析

掃描電鏡+能譜儀（SEM+EDS）和X射線熒光光譜設(shè)備（XRF）由于原理上的區(qū)別，體現(xiàn)在工作方式上也是不同的。SEM+EDS方法需要先看到樣品的微觀形貌圖即SEM圖片，找到待分析的目標(biāo)位置或顆粒，再進(jìn)行實(shí)時(shí)微區(qū)掃描，這就需要操作員掌握一定的SEM操作技巧，否則在沒有SEM圖像的情況下能譜分析結(jié)果無意義。掃描電鏡的最低放大倍數(shù)一般較大，所以SEM+EDS的方法一般只用于高倍的微區(qū)分析。XRF則是宏觀檢測(cè)方法，能夠檢測(cè)出幾乎所有金屬屑的總體成分，便于整體把控。

也正是由于以上區(qū)別，從最終的分析結(jié)果來看，XRF分析方法對(duì)設(shè)備操作人員的依賴性更低，分析結(jié)果更可靠、更穩(wěn)定。

另外，XRF的檢出限是PPM級(jí)別，且對(duì)于特定條件下的重金屬元素可能達(dá)到亞PPM的檢出限，而SEM中的EDS檢出限一般只有100PPM，定量準(zhǔn)確度差距較大。

如表1所示，相較于電鏡設(shè)備， XRF設(shè)備具有操作便捷、使用環(huán)境要求低、檢測(cè)準(zhǔn)確度高、價(jià)格適中及人員培訓(xùn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，更適于維修基地環(huán)境使用。因此，我司經(jīng)評(píng)估后決定引進(jìn)XRF設(shè)備。

3 XRF設(shè)備驗(yàn)證

3.1 設(shè)備設(shè)置

為避免油液、灰塵等雜質(zhì)對(duì)分析結(jié)果的影響，在設(shè)備初始設(shè)置時(shí)，手動(dòng)刪除C、O、Si等非金屬元素，在分析結(jié)果中將不呈現(xiàn)此類元素。比較各型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬屑成分表，這些元素在常見金屬牌號(hào)中含量均較小，也非關(guān)鍵元素，因此不影響對(duì)結(jié)果的判斷。

3.2 設(shè)備試用

為驗(yàn)證設(shè)備的準(zhǔn)確性，在設(shè)備引進(jìn)初期采用雙分析的方式進(jìn)行確認(rèn)。發(fā)現(xiàn)金屬屑后先使用該設(shè)備分析，再將金屬屑送往可靠實(shí)驗(yàn)室分析；或?qū)?shí)驗(yàn)室已分析過的金屬屑再次在該設(shè)備上驗(yàn)證，比對(duì)二者的分析結(jié)果，確認(rèn)設(shè)備設(shè)置的合理性和設(shè)備分析的準(zhǔn)確性。

經(jīng)過初期對(duì)已知成分的多次驗(yàn)證分析及數(shù)十次的盲樣雙分析，確認(rèn)分析結(jié)果與國(guó)內(nèi)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室一致，驗(yàn)證設(shè)備可用。

4 XRF設(shè)備投入使用

4.1 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

確認(rèn)設(shè)備可用后，建立設(shè)備的使用標(biāo)準(zhǔn)，包括培訓(xùn)、授權(quán)及操作規(guī)范、報(bào)告評(píng)估要求、記錄保存要求等。確保設(shè)備由合格人員操作，確保分析結(jié)果符合工程標(biāo)準(zhǔn)，確保結(jié)果的應(yīng)用符合維修要求。例如，評(píng)估工程師發(fā)現(xiàn)分析報(bào)告信息不足或有錯(cuò)漏可能影響評(píng)估結(jié)論時(shí)，應(yīng)要求分析工程師重新分析或轉(zhuǎn)送其他化驗(yàn)機(jī)構(gòu)分析。

4.2 成果展示

如表2所示，自該設(shè)備投入使用以來，已完成發(fā)動(dòng)機(jī)金屬屑分析超過30次，多數(shù)為不影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的純銀或普通合金鋼元素，有效減少了這些發(fā)動(dòng)機(jī)因等待化驗(yàn)造成的不必要延誤/取消。分析中也發(fā)現(xiàn)了M50等關(guān)鍵材料，保障了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全。

5 總結(jié)

引進(jìn)XRF設(shè)備用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)磁堵金屬屑是維修方法上的一次創(chuàng)新。我司經(jīng)過調(diào)研、分析評(píng)估、設(shè)備驗(yàn)證及投入使用等幾個(gè)階段的工作，已準(zhǔn)備大范圍推廣使用，計(jì)劃在無可靠實(shí)驗(yàn)室的基地均配備XRF設(shè)備，以確保在磁堵發(fā)現(xiàn)金屬屑后快速檢驗(yàn)，保障運(yùn)行安全，使運(yùn)行品質(zhì)維持在較高水平。