一種發動機金屬屑分析方法在飛機維修中的應用

熊玖遠

摘要：介紹了一種發動機金屬屑分析方法，可幫助航司快速完成發動機磁堵金屬屑成分分析，為飛機的正常運行提供保障。

關鍵詞：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

長期以來，發動機磁堵金屬屑分析一直是影響航司正常運行的難題。發動機磁堵金屬屑是發動機內部損傷的重要表象特征，由于發動機內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可以評估發動機內部損傷位置，從而評估飛機是否可以繼續安全運行，但簡單的目視很難準確判斷金屬屑成分，無法判斷發動機是否可用。為確保運行安全，多數航司要求在發現磁堵金屬屑時，將金屬屑送實驗室分析，飛機在分析未出結果之前不能放行。送檢涉及金屬屑運輸及實驗室分析時間，一般情況下同城需要2～3h才能拿到分析結果；如當地沒有授權的金屬屑分析單位，則必須送往其他城市檢測，等待時間更長，造成飛機延誤或取消，運行品質受到影響。根據2019年我司運行數據，兩個無金屬屑分析單位的主基地因等待化驗結果而導致的延誤時間合計約1000min，共取消6天的航班，形成典型的運行安全與運行品質矛盾。隨著機隊規模逐漸擴大，磁堵檢查工卡更加頻繁，矛盾日益凸顯。

1 調研

為解決這一問題，我司計劃在無可靠實驗室的基地建立金屬性分析能力，以實現在各基地均能快速完成金屬屑成分分析的目標。但金屬屑分析對我司是一個全新的領域，新能力開發工作需經過充分的調研與評估后才能正式展開。

調研發現，國內主要實驗室和已開發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內各司驗證，可靠性得到充分肯定，但缺點是設備操作的專業性較強，投入成本和后期的使用成本較高。

調研還發現，國外一些航司已在使用某射線熒光光譜（XRF）設備執行航線金屬屑分析，設備使用相對簡單，但國內業內缺乏使用該設備的相關經驗。

2 分析與評估

由于調研的兩種類型的設備優缺點均較明顯，在最終確定之前需針對兩種設備進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設備工作時，通過入射X射線（一次X射線）激發被測樣品。受激發的樣品中的每一種元素會放射出二次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特性。探測系統測量這些放射出來的二次X射線的能量及數量。儀器軟件將探測系統收集到的信息轉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，通過約20kV的加速電壓將電子加速到高能狀態，并通過電磁透鏡聚焦成一束極細的電子束，轟擊樣品表面，當樣品原子的核外電子被高能電子束轟擊后，部分會吸收能量并發生能級躍遷，在此過程中釋放特征X射線。此時，利用SEM內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的成分信息。

2.3 設備對比分析

掃描電鏡+能譜儀（SEM+EDS）和X射線熒光光譜設備（XRF）由于原理上的區別，體現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，找到待分析的目標位置或顆粒，再進行實時微區掃描，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果無意義。掃描電鏡的最低放大倍數一般較大，所以SEM+EDS的方法一般只用于高倍的微區分析。XRF則是宏觀檢測方法，能夠檢測出幾乎所有金屬屑的總體成分，便于整體把控。

也正是由于以上區別，從最終的分析結果來看，XRF分析方法對設備操作人員的依賴性更低，分析結果更可靠、更穩定。

另外，XRF的檢出限是PPM級別，且對于特定條件下的重金屬元素可能達到亞PPM的檢出限，而SEM中的EDS檢出限一般只有100PPM，定量準確度差距較大。

如表1所示，相較于電鏡設備， XRF設備具有操作便捷、使用環境要求低、檢測準確度高、價格適中及人員培訓簡單等特點，更適于維修基地環境使用。因此，我司經評估后決定引進XRF設備。

3 XRF設備驗證

3.1 設備設置

為避免油液、灰塵等雜質對分析結果的影響，在設備初始設置時，手動刪除C、O、Si等非金屬元素，在分析結果中將不呈現此類元素。比較各型號發動機的金屬屑成分表，這些元素在常見金屬牌號中含量均較小，也非關鍵元素，因此不影響對結果的判斷。

3.2 設備試用

為驗證設備的準確性，在設備引進初期采用雙分析的方式進行確認。發現金屬屑后先使用該設備分析，再將金屬屑送往可靠實驗室分析；或將實驗室已分析過的金屬屑再次在該設備上驗證，比對二者的分析結果，確認設備設置的合理性和設備分析的準確性。

經過初期對已知成分的多次驗證分析及數十次的盲樣雙分析，確認分析結果與國內專業實驗室一致，驗證設備可用。

4 XRF設備投入使用

4.1 應用標準

確認設備可用后，建立設備的使用標準，包括培訓、授權及操作規范、報告評估要求、記錄保存要求等。確保設備由合格人員操作，確保分析結果符合工程標準，確保結果的應用符合維修要求。例如，評估工程師發現分析報告信息不足或有錯漏可能影響評估結論時，應要求分析工程師重新分析或轉送其他化驗機構分析。

4.2 成果展示

如表2所示，自該設備投入使用以來，已完成發動機金屬屑分析超過30次，多數為不影響發動機運行的純銀或普通合金鋼元素，有效減少了這些發動機因等待化驗造成的不必要延誤/取消。分析中也發現了M50等關鍵材料，保障了發動機運行安全。

5 總結

引進XRF設備用于檢測發動機磁堵金屬屑是維修方法上的一次創新。我司經過調研、分析評估、設備驗證及投入使用等幾個階段的工作，已準備大范圍推廣使用，計劃在無可靠實驗室的基地均配備XRF設備，以確保在磁堵發現金屬屑后快速檢驗，保障運行安全，使運行品質維持在較高水平。