温色对比法检测飞机火烧构件的可靠性分析

陈寒放，周志平

(1.南雅中学，湖南 长沙 410129；2.空军航空维修技术学院，湖南 长沙 410124)

在各种形式的飞机事故中，失火事故发生较多，往往造成飞机构件被烧伤而直接导致强度降低[1]。针对要修理因失火而烧伤的飞机来制定特定的修理工艺，要解决的关键问题是如何准确确定构件的烧伤程度和烧伤范围[2]。常用的温色对比法是根据金属构件表面的颜色与烧熔特征，或非金属材料受热老化、软化、畸变、龟裂、起泡、烧焦和熔化等特征，按各零件受热温度高低顺序，划出温度场，找到轻微烧伤区、严重烧伤区和未烧伤区。如对飞机蒙皮烧伤的检测：温度大于400℃漆层开始烧毁；当温度大于250℃时由金黄色转为焦黄色；当温度大于200℃时呈柠檬色，当温度t大于200℃时，颜色基本不变[3]。根据构件在不同加热温度下的颜色变化来推断构件强度的方法是否能够准确地反映出材料的组织变化，是目前亟待研究解决的问题。

1 针对几种典型结构材料的温色对比试验

1.1 材料选择

试验中选择了五类十二种飞机上广泛应用的合金进行了温色对比试验。文章仅对铝合金、钛合金、不锈钢三类材料的温色对比试验结果进行讨论。试验采用材料：超硬铝合金LC4CS包铝板材、钛合金TC4板材、不锈钢1Cr18Ni9Ti板材。板材规格为50×50×3mm，成份符合GB3190-82要求。

1.2 试验方法

将各种待测试件依次放入加热炉中，分别加热到指定的温度范围，按规定的时间保温后取出，低温及中温的保温时间为1h，高温时的保温时间为0.5h，然后放入静止的空气中自然冷却，冷却后观察其金相组织颜色变化。铝合金材料LY12CZ、LC4CS的加热温度及保温时间如表1所示。材料TC4的加热温度及保温时间如表2所示。

表1 材料LC4CS的加热温度及保温时间

表2 材料TC4的加热温度及保温时间

材料1Cr18Ni9Ti的加热温度及保温时间如表3所示。

表3 材料1Cr18Ni9Ti的加热温度及保温时间

2 试验结果分析

按表1～3的方法处理后，四种材料的热变色与氧化情况如下：

2.1 LC4CS试件颜色随温度变化的情况

超硬铝合金LC4的正常工作温度一般是在125℃以下，熔化温度范围477～638℃。当加热温度超过520℃时LC4CS试件出现熔化现象，因此试件仅加热到520℃。通过多次实验数据进行总结，钛合金TC4试件随不同加热温度呈现的颜色变化情况见表4。可见，加热温度在400～500℃之间的试件颜色变化不明显。不同温度下的试件金相组织的观察表明，该试件加热温度在450℃时(保温1小时)，出现晶界变宽等过热迹象。

通过仔细的目视观察，对于LC4CS铝合金包铝板材，材料从室温(15℃)到高温(520℃)表面颜色随温度的变化是渐近的，没有明显梯度，原因在于材料的表面有包铝层，包铝层颜色的变化通过目视难以区别，但通过金相组织观察，LC4CS试件加热至450℃时已出现复熔三角、晶界加粗等过烧现象。结果表明：用颜色的变化来判断铝合金组织结构是否存在过烧现象是非常困难的。

表4 超硬铝合金LC4随不同加热温度颜色变化图

2.2 TC4试件的颜色随温度的变化情况

钛合金TC4正常工作温度在400℃以下，熔化温度范围1540～1650℃[4]。通过试验，当对试件加热到1200℃时，即出现严重的氧化现象，因此试验加热温度仅达1200℃。结果发现：钛合金TC4试件在各加热温度段下颜色变化明显。钛合金TC4试件随不同加热温度呈现的颜色变化情况见表5。通过颜色对比也发现，在保温时间相同或不同时，都存在试件颜色在几个温度段非常相近的情况，如TC4试件在450℃下保温1小时冷却后的颜与在850℃及1000℃下保温0.5小时冷却后的颜色相近；TC4试件分别在400℃、550℃、700℃、750℃下保温1小时冷却后的颜色是相近的。因此，对于TC4试件，仅凭肉眼观测试件颜色，难以推断构件所受加热温度的高低。

表5 TC4试件随不同加热温度颜色变化图

2.3 不锈钢1Cr18Ni9Ti试件的颜色随温度的变化情况

1Cr18Ni9Ti的正常工作温度一般在400℃以下，熔化温度范围是1460～1510℃。当试件加热到1200℃时已出现晶粒粗大等过烧现象，所以，试件仅加热到1200℃。通过不锈钢表面颜色的变化发现， 1Cr18Ni9Ti试件在加热至1000℃～1200℃时，表面出现不同程度的灰色氧化膜，无剥落痕迹，表明该材料抗热氧化能力较强，含很高的抗氧化元素Cr和Ni和抗热腐蚀元素Ti。不锈钢1Cr18Ni9Ti试件随不同加热温度呈现的颜色变化情况见表6。试验中发现：试件在700℃、800℃下保温1小时与在1050℃下保温0.5小时的颜色是相近的；试件在400℃～550℃之间和750℃下保温1小时与在1100℃下保温0.5小时的颜色是相近的。该试件很难用颜色的变化去推断构件所受温度的高低。

表6 Cr18Ni9Ti试件随不同加热温度颜色变化图

3 结论

上述条件下四种材料的温色对比试验结果表明：

(1)金相实验结果表明，当材料的组织发生过烧时，材料颜色不能反映发生变化的真实状况，尤其是包铝板材。可见，材料颜色的变化与组织结构的变化之间不存在一一对应的关系。

(2)温色对比法难以保证检测结果的准确性和可靠性。

一定温度范围内，金属材料在高温短时的热变色有时与低温长时间得到的热变色相近； 当材料表面的颜色随温度的变化为渐近变化时，目测难以判断构件所受温度的高低；材料不同，表面热变色的差异也明显不同。同一温度、同一暴露时间的热变色与氧化程度，不仅与基体金属有关，而且与所含金属元素密切相关。

(3)温色对比的检测方式没有任何可以用于确定结构强度的参数，因此在判断构件过烧时受人为因素的影响较大。该方法适合于估计构件受热温度的辅助参考，不能作为判断飞机构件是否过烧的唯一依据。构件是否过烧应基于多种检测方法的综合评判，比如电导率、金相、硬度等。

[1] 陈勇，周志平.温色对比法检测飞机火烧构件的可靠性分析[J].无损检测，2007，(8).

[2] 侯日立 .飞机铝合金烧伤检测方法研究[J].无损检测，2001，23(12).

[3] 许占显 .飞机蒙皮烧损伤检测[J].无损检测，1998，20(10).

[4] 刘万福，李建霞.航空工程材料[M].信阳：空军第一航空学院，2005.

[5] 周志平，周志雄.电导率法检测飞机结构件烧伤的试验研究[J].宇航材料工艺，2005，35(3).