一种发动机金属屑分析方法在飞机维修中的应用

熊玖远

摘要：介绍了一种发动机金属屑分析方法，可帮助航司快速完成发动机磁堵金属屑成分分析，为飞机的正常运行提供保障。

关键词：X射线荧光光谱仪；扫描电镜；能谱仪；金属屑

Keywords： XRF；SEM；EDS；metal debris

0 引言

长期以来，发动机磁堵金属屑分析一直是影响航司正常运行的难题。发动机磁堵金属屑是发动机内部损伤的重要表象特征，由于发动机内部不同部件使用的材料大多各不相同，通过分析金属屑成分或牌号可以评估发动机内部损伤位置，从而评估飞机是否可以继续安全运行，但简单的目视很难准确判断金属屑成分，无法判断发动机是否可用。为确保运行安全，多数航司要求在发现磁堵金属屑时，将金属屑送实验室分析，飞机在分析未出结果之前不能放行。送检涉及金属屑运输及实验室分析时间，一般情况下同城需要2～3h才能拿到分析结果；如当地没有授权的金属屑分析单位，则必须送往其他城市检测，等待时间更长，造成飞机延误或取消，运行品质受到影响。根据2019年我司运行数据，两个无金属屑分析单位的主基地因等待化验结果而导致的延误时间合计约1000min，共取消6天的航班，形成典型的运行安全与运行品质矛盾。随着机队规模逐渐扩大，磁堵检查工卡更加频繁，矛盾日益凸显。

1 调研

为解决这一问题，我司计划在无可靠实验室的基地建立金属性分析能力，以实现在各基地均能快速完成金属屑成分分析的目标。但金属屑分析对我司是一个全新的领域，新能力开发工作需经过充分的调研与评估后才能正式展开。

调研发现，国内主要实验室和已开发此能力的航司均采用了扫描电镜+能谱仪的组合来分析金属屑成分。这种分析方法已得到国内各司验证，可靠性得到充分肯定，但缺点是设备操作的专业性较强，投入成本和后期的使用成本较高。

调研还发现，国外一些航司已在使用某射线荧光光谱（XRF）设备执行航线金属屑分析，设备使用相对简单，但国内业内缺乏使用该设备的相关经验。

2 分析与评估

由于调研的两种类型的设备优缺点均较明显，在最终确定之前需针对两种设备进行充分的理论研究与分析。

2.1 X射线荧光光谱（XRF）

如图1所示，XRF设备工作时，通过入射X射线（一次X射线）激发被测样品。受激发的样品中的每一种元素会放射出二次X射线，且不同的元素放射的二次X射线具有特定的能量特性或波长特性。探测系统测量这些放射出来的二次X射线的能量及数量。仪器软件将探测系统收集到的信息转换成样品中各种元素的种类及含量，即完成定量分析及定性分析。

2.2 扫描电镜+能谱仪

扫描电镜+能谱仪工作时，通过约20kV的加速电压将电子加速到高能状态，并通过电磁透镜聚焦成一束极细的电子束，轰击样品表面，当样品原子的核外电子被高能电子束轰击后，部分会吸收能量并发生能级跃迁，在此过程中释放特征X射线。此时，利用SEM内置的能谱仪探头接收并分析该特征X射线，便得到极其微小范围内的成分信息。

2.3 设备对比分析

扫描电镜+能谱仪（SEM+EDS）和X射线荧光光谱设备（XRF）由于原理上的区别，体现在工作方式上也是不同的。SEM+EDS方法需要先看到样品的微观形貌图即SEM图片，找到待分析的目标位置或颗粒，再进行实时微区扫描，这就需要操作员掌握一定的SEM操作技巧，否则在没有SEM图像的情况下能谱分析结果无意义。扫描电镜的最低放大倍数一般较大，所以SEM+EDS的方法一般只用于高倍的微区分析。XRF则是宏观检测方法，能够检测出几乎所有金属屑的总体成分，便于整体把控。

也正是由于以上区别，从最终的分析结果来看，XRF分析方法对设备操作人员的依赖性更低，分析结果更可靠、更稳定。

另外，XRF的检出限是PPM级别，且对于特定条件下的重金属元素可能达到亚PPM的检出限，而SEM中的EDS检出限一般只有100PPM，定量准确度差距较大。

如表1所示，相较于电镜设备， XRF设备具有操作便捷、使用环境要求低、检测准确度高、价格适中及人员培训简单等特点，更适于维修基地环境使用。因此，我司经评估后决定引进XRF设备。

3 XRF设备验证

3.1 设备设置

為避免油液、灰尘等杂质对分析结果的影响，在设备初始设置时，手动删除C、O、Si等非金属元素，在分析结果中将不呈现此类元素。比较各型号发动机的金属屑成分表，这些元素在常见金属牌号中含量均较小，也非关键元素，因此不影响对结果的判断。

3.2 设备试用

为验证设备的准确性，在设备引进初期采用双分析的方式进行确认。发现金属屑后先使用该设备分析，再将金属屑送往可靠实验室分析；或将实验室已分析过的金属屑再次在该设备上验证，比对二者的分析结果，确认设备设置的合理性和设备分析的准确性。

经过初期对已知成分的多次验证分析及数十次的盲样双分析，确认分析结果与国内专业实验室一致，验证设备可用。

4 XRF设备投入使用

4.1 应用标准

确认设备可用后，建立设备的使用标准，包括培训、授权及操作规范、报告评估要求、记录保存要求等。确保设备由合格人员操作，确保分析结果符合工程标准，确保结果的应用符合维修要求。例如，评估工程师发现分析报告信息不足或有错漏可能影响评估结论时，应要求分析工程师重新分析或转送其他化验机构分析。

4.2 成果展示

如表2所示，自该设备投入使用以来，已完成发动机金属屑分析超过30次，多数为不影响发动机运行的纯银或普通合金钢元素，有效减少了这些发动机因等待化验造成的不必要延误/取消。分析中也发现了M50等关键材料，保障了发动机运行安全。

5 总结

引进XRF设备用于检测发动机磁堵金属屑是维修方法上的一次创新。我司经过调研、分析评估、设备验证及投入使用等几个阶段的工作，已准备大范围推广使用，计划在无可靠实验室的基地均配备XRF设备，以确保在磁堵发现金属屑后快速检验，保障运行安全，使运行品质维持在较高水平。