航空材料組織與殘余應(yīng)力評價對中子散射與同步輻射技術(shù)的需求

劉昌奎 ， 李 楠 ， 趙文俠 ， 陶春虎 ，李興無 ， 曹春曉

（1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3. 航空材料檢測與評價北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100095；4. 材料檢測與評價航空科技重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100095；5. 中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)材料檢測與評價重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100095）

0 引言

中子源和同步輻射裝置是先進(jìn)的大科學(xué)裝置，在這種大科學(xué)裝置上可以進(jìn)行一些在常規(guī)實(shí)驗設(shè)備上無法建立和進(jìn)行的試驗和技術(shù)研究，其應(yīng)用和發(fā)展已成為衡量一個國家科技水平和綜合國力的重要標(biāo)志。

自20世紀(jì)中葉以來，美、日、歐等發(fā)達(dá)國家大力開展各種類型的中子散射和同步輻射應(yīng)用技術(shù)研究，在材料科學(xué)與工程、生命科學(xué)和其他工程技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域得到了深入、廣泛的應(yīng)用[1-5]。隨著我國散裂中子源的建設(shè)以及北京高能同步輻射光源項目的批復(fù)，我國在中子散射和同步輻射技術(shù)領(lǐng)域正邁入世界先進(jìn)甚至領(lǐng)先行列，這將在我國各領(lǐng)域發(fā)揮舉足輕重的作用。

本研究簡要介紹中子散射與同步輻射技術(shù)基本原理、關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用、國內(nèi)外線站現(xiàn)狀等，結(jié)合具體案例，重點(diǎn)闡述航空材料及其構(gòu)件在新材料研發(fā)、構(gòu)件制造、產(chǎn)品服役與可靠性評估、重大事故（故障）的失效分析中，材料的組織、殘余應(yīng)力檢測與表征等方面對于中子散射與同步輻射技術(shù)的需求，并對其應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行展望與建議。

1 中子散射技術(shù)

中子及中子束是從原子核中釋放出來的。只有原子核的裂變及蛻變反應(yīng)能夠提供較高通量的中子束，因此，用于中子散射實(shí)驗的中子源通常是反應(yīng)堆中子源或者散裂中子源[6-7]。反應(yīng)堆中子源基于核裂變反應(yīng)，由裂變材料235U、冷卻劑慢化器和慢化反射器組成；散裂中子源基于蛻變反應(yīng)，借助來自加速器的荷電粒子的短脈沖轟擊靶材從而獲得中子。

而中子散射技術(shù)是指當(dāng)中子入射到樣品上時，與樣品中的原子核或磁矩發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射。通過測量散射的中子能量和動量的變化，可以研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律，獲得原子和分子的位置及其運(yùn)動狀態(tài)[6]。

中子散射是探測物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要手段，與X射線不同，中子不帶電、具有磁矩、穿透性強(qiáng)，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，且有對樣品的非破壞性的特點(diǎn)，不僅可探索物質(zhì)靜態(tài)微觀結(jié)構(gòu)，還能研究其動力學(xué)機(jī)制[7]。目前，中子散射技術(shù)在物質(zhì)材料相關(guān)學(xué)科中有重要應(yīng)用，包括固體物理、材料科學(xué)與工程、化學(xué)結(jié)構(gòu)與反應(yīng)動力學(xué)、軟物質(zhì)凝聚態(tài)、液體和玻璃、生物科學(xué)技術(shù)等，同時還可以基于中子源開展基礎(chǔ)中子物理相關(guān)研究。在材料科學(xué)與工程研究方面，中子散射（包括衍射、反射、小角、成像等技術(shù)）是表征材料的重要工具，覆蓋了納觀、微觀、細(xì)觀、宏觀等多尺度，提供跨越量子力學(xué)、分子動力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等多層次的探測手段，實(shí)現(xiàn)對材料中殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變化和成分分布、微結(jié)構(gòu)信息、成像等檢測與表征。在工程部件的測試方面，中子散射技術(shù)具有一些不可替代的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)對幾何形狀復(fù)雜、尺寸大及處于極端條件的工程構(gòu)件進(jìn)行分析[8-10]。

目前，世界上用于中子散射的反應(yīng)堆約有50座，其中歐洲23座、美洲8座、亞太地區(qū)16座、俄羅斯3座。此外，還有新一代的散裂中子源5座[11]。歐美一直處于中子散射研究的領(lǐng)先地位。20世紀(jì)60年代中期，英、法、德聯(lián)合在法國建立了57 MW的高通量研究堆Institute Laue-Langevin（ILL），其通量達(dá)到 1.2×1015n/（cm2?s）。美國是世界上最早開展中子散射研究的國家之一，美國能源部撥款14億美元建造了功率達(dá)2 MW、世界最強(qiáng)的散裂中子源Spallation Neutron Source（SNS）已于2008年運(yùn)行。日本建造的MW量級的散裂中子源Japan Proton Accelerator Research Complex（J-PARC），也在2008年運(yùn)行[11]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，美、日、歐等發(fā)達(dá)國家所建設(shè)的中子源在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用，為材料科學(xué)的創(chuàng)新研究提供了強(qiáng)大的技術(shù)平臺。

我國的中子散射技術(shù)起步較早，于20世紀(jì)50年代末就建造出我國第一臺中子衍射譜儀——“躍進(jìn)一號中子晶體譜儀”。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著三大國家中子源的投入運(yùn)行和順利建設(shè)，我國中子散射研究和應(yīng)用都迎來快速發(fā)展的契機(jī)。中國先進(jìn)研究堆（China Advanced Research Reactor，CARR）的中子散射科學(xué)平臺一期10臺譜儀已完成建設(shè)，二期7臺譜儀的建設(shè)工作也正在有序開展。中國綿陽研究堆（China Mianyang Reserch Reactor，CMRR）已完成一期8臺中子應(yīng)用科學(xué)平臺的建設(shè)，其中包括6臺中子散射譜儀和2臺中子成像裝置，它標(biāo)志著中子散射科研平臺正式投入運(yùn)行；一期中子譜儀已為國內(nèi)用戶開展眾多首次實(shí)驗，應(yīng)用成效初步顯現(xiàn)。中國散裂中子源（China Spalla-tion Neutron Source，CSNS）工程進(jìn)展順利，已于2018年建成開放。

目前，國外發(fā)達(dá)國家在中子散射技術(shù)的應(yīng)用方面開展工作較早，普及率高，尤其是一些關(guān)鍵制造業(yè)，如航空航天、交通海洋等領(lǐng)域，通過中子散射技術(shù)已解決了重要的實(shí)際應(yīng)用問題。國內(nèi)的中子散射技術(shù)處于蓬勃發(fā)展階段。如在工程材料領(lǐng)域，北京航空材料研究院率先開展了中子散射技術(shù)應(yīng)用與航空關(guān)鍵構(gòu)件的檢測與分析，目前已對鎳基高溫合金渦輪盤進(jìn)行了內(nèi)部殘余應(yīng)力檢測，對服役渦輪葉片的殘余應(yīng)力及微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究等。

2 同步輻射技術(shù)

按照電動力學(xué)理論，當(dāng)帶電粒子受外力做減速運(yùn)動時（即加速度a < 0）產(chǎn)生的輻射為軔致輻射，當(dāng)粒子做往復(fù)運(yùn)動時（速度v與加速度a不斷變號）產(chǎn)生的是振蕩電荷的輻射，當(dāng)粒子的速度接近于光速，加速度與速度大致垂直，速度的方向有變化而大小幾乎不變時，產(chǎn)生的輻射即為同步輻射[5]。同步輻射是電磁輻射，它的波長具有一定的范圍，因同步輻射源而異，一般包含紅外線、可見光、紫外線以及X射線。相比于實(shí)驗室X射線源，同步輻射光源具有光譜連續(xù)、頻譜范圍寬、高亮度、高度偏振性、準(zhǔn)直性好、有時間結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢[12]。

從1947年4月26日，在美國紐約州通用電氣（GE）實(shí)驗室里的一臺70 MeV電子同步加速器上，首次觀察到了作回旋運(yùn)動的電子發(fā)出的電磁輻射。至今，同步輻射光源的建造經(jīng)歷了三代，并向第四代發(fā)展。同步輻射光除了寬波段外，還具有高亮度、窄脈沖、高偏振等優(yōu)良特性，亮度比通常實(shí)驗室用的最好的X光源還要高1億倍以上。它使得同步輻射應(yīng)用從過去靜態(tài)的、在較大范圍內(nèi)平均的手段擴(kuò)展為空間分辨的和時間分辨的手段，為眾多的學(xué)科和廣泛的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域帶來了前所未有的新機(jī)遇[13]。在材料科學(xué)研究中，同步輻射技術(shù)的應(yīng)用無處不在，范圍涵蓋了從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的幾乎所有領(lǐng)域，極大地影響了材料科學(xué)研究的深度和廣度。

同步輻射主要包括X射線衍射、成像、小角散射、光電子能譜、反射等技術(shù)。此外，基于同步輻射的其它技術(shù)如相干X射線衍射、非彈性散射、X射線吸收譜等在材料研制、工藝研究與工程應(yīng)用方面均有非常重要的作用[14-16]。同步輻射是電磁波，主要作用于材料中原子外圍電子，正好與中子散射技術(shù)主要作用于原子核形成了互補(bǔ)。

目前，在世界范圍內(nèi)正在運(yùn)行和建設(shè)的同步輻射光源已有80余臺，其中已運(yùn)行的第一代光源19臺、第二代24臺、第三代25臺，正在建設(shè)中的10余臺，遍及美、英、德、俄、日、中、韓、印度、瑞典、西班牙和巴西等國家。其中，最為著名的世界三大同步輻射光源是歐洲的European Synchrotron Radiation Facility（ESRF）、美國的 Advanced Photon Source（APS）和日本的 Super Photon ring-8（Spring-8）。這三大光源均為高能同步輻射光源，它們不僅是基礎(chǔ)科研必需的大科學(xué)裝置，而且具有極強(qiáng)的應(yīng)用科研背景，其建設(shè)對國家的科研和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有良好的推動作用。

我國大陸現(xiàn)有3臺同步輻射裝置。北京同步輻射光源是依托于北京正負(fù)電子對撞機(jī)的第一代同步輻射裝置，運(yùn)行在2.5 GeV，有14條光束線、15個實(shí)驗站[17]。合肥同步輻射光源是束流能量為800 MeV的第二代同步輻射光源，有14條光束線、14個實(shí)驗站，主要工作在真空紫外和軟X射線波段。近年來，經(jīng)過2次不同程度的升級改造之后，光源性能有了大幅提升[18]。上海光源的設(shè)計性能堪與世界上已有的最先進(jìn)的中能第三代同步輻射裝置媲美，其建設(shè)速度和技術(shù)水平得到國內(nèi)外同行的高度評價[19]。我國的第四代高能同步輻射光源已列入“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃，于2018年在北京動工建設(shè)。

目前，我國已經(jīng)在運(yùn)行的上海同步輻射光源，在生物、化學(xué)、材料等相關(guān)基礎(chǔ)科研領(lǐng)域已發(fā)揮了重要的作用。但由于其能量較低、穿透深度有限，更適合于試樣級的實(shí)驗研究。即將建設(shè)的第四代高能同步輻射光源將對解決與國家重大需求相關(guān)的研究需要，優(yōu)化我國同步輻射光源的能區(qū)覆蓋和地域布局，有效提升多學(xué)科前沿研究領(lǐng)域的支撐能力，具有十分重大的意義。尤其是其高能光源可應(yīng)用于工程部件的研究中，可與中子散射技術(shù)互相補(bǔ)充，為解決關(guān)鍵工程問題提供重要的工具。

在同步輻射技術(shù)的應(yīng)用方面，目前開展較多的為適用于中能區(qū)研究的同步輻射實(shí)驗，如生物大分子、化學(xué)、醫(yī)學(xué)研究等。在工程材料的研究中可進(jìn)行成像、熒光、光電子能譜的實(shí)驗，并可實(shí)現(xiàn)多環(huán)境下試樣的原位加載觀察，對成分、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、缺陷等方面進(jìn)行綜合表征與分析。在未來的高能同步輻射光源下，可實(shí)現(xiàn)大型工程部件的原位測量，在穿透深度與分辨率方面均比現(xiàn)有的第三代光源有著顯著提升，對揭示材料的變形與損傷機(jī)制、工藝可靠性、服役安全性等方面起著極為重要的作用。

3 組織與殘余應(yīng)力評價對于中子散射與同步輻射技術(shù)的需求

3.1 新材料研發(fā)

飛機(jī)和發(fā)動機(jī)對新材料的需求十分緊迫。如在發(fā)動機(jī)高溫合金新材料方面，根據(jù)國家的戰(zhàn)略需求，加速研發(fā)新型高溫合金已成為發(fā)展未來航空裝備急需解決的關(guān)鍵問題。我國已經(jīng)研制出第三代單晶高溫合金，基本性能達(dá)到了國外同級水平，Nb-Si金屬間化合物、陶瓷基復(fù)合材料等超高溫材料的研究也取得了一定進(jìn)展。但目前新材料的研究基本還依賴于大量經(jīng)驗積累和以簡單循環(huán)試錯為特征的“經(jīng)驗尋優(yōu)”方式，其科學(xué)性差、偶然性大、周期長、成本高。美國經(jīng)過多年的準(zhǔn)備和積累，實(shí)施“材料基因組計劃”，率先在高溫合金材料領(lǐng)域獲得重大突破。如美國GE公司在Rene N6單晶和Rene 88DT粉末合金的研制過程中采用材料基因工程的方法縮短了研發(fā)周期和成本。

“材料基因組計劃”基本思路是融合高通量計算（理論）/高通量實(shí)驗（制備和表征）/專用數(shù)據(jù)庫三大技術(shù)，其中，材料的成分?組織結(jié)構(gòu)?性能高通量一體化表征是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)新材料研發(fā)的關(guān)鍵[20]。目前，采用電子背散射衍射（EBSD）、三維X射線衍射（3DXRD）、X射線成像（XCT）等先進(jìn)表征手段表征材料組織實(shí)現(xiàn)了從宏觀到微觀，從二維到三維的表征。雖然這些表征手段各有優(yōu)勢，但存在很大的局限性，如只能以表征表面信息為主，三維觀察需破壞樣品且速度慢，僅適合局域結(jié)構(gòu)的高分辨研究等不足，無法無損高分辨的表征材料中晶粒尺度的三維微結(jié)構(gòu)。

可見，對于新材料研發(fā)中的組織表征，亟需更為先進(jìn)的研究手段。中子散射和同步輻射大科學(xué)裝置技術(shù)在新材料研發(fā)中具有常規(guī)手段不可比擬的優(yōu)勢，不僅可為新材料研發(fā)提供覆蓋了納觀、微觀、細(xì)觀、宏觀等多尺度表征的研究手段，更為重要的是可以實(shí)現(xiàn)由二維到三維，由有損到無損，由靜態(tài)到動態(tài)的高通量表征，是航空新材料研發(fā)不可或缺的研究手段。

如利用同步輻射技術(shù)在復(fù)雜和集成的特殊樣品環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗研究，動態(tài)原位觀察粉末高溫合金的熔凝過程（圖1）[21]。又如表征塊體多晶材料中晶粒尺度的三維微結(jié)構(gòu)，采用同步輻射的衍射襯度斷層成像（DCT）技術(shù)，用晶粒的Bragg衍射作為斷層成像的襯度源，能無損的獲得每個晶粒的三維形狀和位置、取向、應(yīng)力分布、晶界類型及其三維分布等，其空間分辨率約為1 m，晶粒取向測量精度約為0.1°，視場達(dá)上千個晶體（圖2）[22]。

圖 1 粉末高溫合金動態(tài)凝固過程原位觀察[21]Fig.1 In-situ observation of dynamic solidification process of powder superalloy

圖 2 利用同步輻射DCT技術(shù)同時獲得純鈦晶粒形狀、取向和彈性應(yīng)力信息[22]Fig.2 Grain shapes,orientations and elastic strain measured simultaneously in a single DCT scan of a pure Ti specimen

3.2 構(gòu)件制造

隨著制造技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，越來越多的先進(jìn)制造技術(shù)在航空領(lǐng)域得以應(yīng)用。如整體葉盤/葉環(huán)、單晶空心渦輪葉片、浮壁式燃燒室、寬弦風(fēng)扇空心葉片、大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等的制造技術(shù)，均是先進(jìn)航空飛機(jī)和發(fā)動機(jī)所需的關(guān)鍵技術(shù)，有很大的技術(shù)難度，甚至一些關(guān)鍵問題尚未完全攻克或還未全面掌握。其中，殘余應(yīng)力檢測問題是目前在航空構(gòu)件制造過程中存在的最為突出的問題之一[23-25]，與殘余應(yīng)力相關(guān)的故障層出不窮[26]。

如先進(jìn)氣冷空心單晶高溫合金葉片，其形狀復(fù)雜、成形精度偏低、廢品率較高。從型芯、蠟?zāi)?、型殼制備，到熔煉澆鑄、熱處理、機(jī)械加工等制造全流程的所有工序中，都存在殘余應(yīng)力問題。有害的殘余應(yīng)力會帶來不利的影響，產(chǎn)生不同程度的危害，如出現(xiàn)再結(jié)晶缺陷、顯微組織損傷、力學(xué)性能衰減、葉型變化等。只有系統(tǒng)的掌握了單晶葉片鑄造工藝前后殘余應(yīng)力變化規(guī)律及其影響因素，才能采取有效的措施對其進(jìn)行控制或調(diào)整，從而為單晶葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進(jìn)、再結(jié)晶控制、機(jī)械加工參數(shù)研究等提供技術(shù)支持。目前，國內(nèi)關(guān)于單晶高溫合金葉片殘余應(yīng)力的檢測還處于起步階段，采用普通的檢測方法，如盲孔法等有損的方法局限性很大，基本沒有應(yīng)用，而采用常規(guī)X射線衍射等方法只能檢測表層殘余應(yīng)力并且效率低下，很難對葉片內(nèi)部殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測，原位殘余應(yīng)力檢測幾乎是無法實(shí)現(xiàn)[27-28]。采用中子散射和同步輻射技術(shù)可穿透葉片壁厚，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部三維殘余應(yīng)力測定，并適于復(fù)雜空腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工程環(huán)境和加載條件下殘余應(yīng)力演化的原位測量。

類似的問題在渦輪盤、機(jī)匣、軸承、鋁合金大型鍛件或擠壓件等航空關(guān)鍵構(gòu)件制造中也存在。圖3給出了發(fā)動機(jī)鈦合金盤厚度方向上中子散射檢測殘余應(yīng)力分布的結(jié)果。

圖 3 發(fā)動機(jī)鈦合金壓氣機(jī)盤厚度方向上中子散射檢測殘余應(yīng)力分布Fig.3 Residual stress distribution in the thickness direction of a titanium alloy compressor disk by neutron scattering technique

3.3 產(chǎn)品服役與可靠性評估

葉片、盤、軸承、齒輪等航空關(guān)鍵構(gòu)件服役環(huán)境變得越來越復(fù)雜和嚴(yán)酷。如航空發(fā)動機(jī)渦輪工作葉片不僅承受燃?xì)飧邷兀瑫r還受到離心應(yīng)力、振動應(yīng)力等多種應(yīng)力的復(fù)合作用。長期服役條件下材料的組織演化和性能衰減影響著構(gòu)件服役壽命，以及服役周期內(nèi)的使用可靠性。

如先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片組織結(jié)構(gòu)演化問題，渦輪葉片工作溫度達(dá)到1 000～1 100 ℃，葉片長期使用后γ′相將逐漸粗化，并相互聯(lián)結(jié)形成筏排結(jié)構(gòu)。圖4為DZ125高溫合金葉片服役不同時間后葉身前緣位置的顯微組織變化。由于組織結(jié)構(gòu)的變化造成其性能也不斷的衰減，搞清服役性能衰減與材料組織結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的本構(gòu)關(guān)系是保障葉片服役安全的關(guān)鍵。研究不同服役時間的葉片材料組織中γ′相尺度、含量、γ/γ′錯配度等變化規(guī)律是獲得該本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)。目前可采用物理化學(xué)相分析方法獲得γ′相含量變化，但由于工藝復(fù)雜，且長時服役后γ′粗化聯(lián)結(jié)，分離γ′相難度極大。采用經(jīng)驗公式測定錯配度也存在誤差較大的問題。而同步輻射不僅可解決傳統(tǒng)檢測方法存在的問題，且效率高。

另一方面，材料服役損傷行為研究是保障服役安全和可靠性的基礎(chǔ)，如熱端部件的超溫?fù)p傷、高溫合金蠕變孔洞形成機(jī)理、關(guān)鍵材料及其構(gòu)件疲勞斷裂行為、熱障涂層的熱生長氧化層（TGO）演變等。如何評價這些損傷行為對于服役性能和可靠性的影響至關(guān)重要[29-30]。如航空發(fā)動機(jī)渦輪工作葉片出現(xiàn)短時超溫很難避免，而對葉片服役超溫?fù)p傷進(jìn)行評價以保證其服役安全已成為葉片維修定檢的基本要求。鎳基高溫合金超溫過程中，γ通道中會析出細(xì)小的二次γ′相，引起γ′相體積分?jǐn)?shù)和錯配度的顯著變化（圖5）?，F(xiàn)有判定葉片超溫一般是通過抽取一定數(shù)量的葉片進(jìn)行剖切，采用金相法與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對照，不僅需破壞葉片，而且不能準(zhǔn)確判定超溫溫度范圍。如何無損、定量的精確測定鎳基單晶中γ/γ′錯配度和γ′體積分?jǐn)?shù)，建立錯配度和體積分?jǐn)?shù)與超溫歷史之間的關(guān)系是關(guān)鍵。中子散射和同步輻射大學(xué)科裝置幾乎可以說是目前唯一的選擇。

3.4 重大事故（故障）的失效分析

航空關(guān)鍵零部件出現(xiàn)失效問題，并由此造成重大事故或故障在所難免。深入系統(tǒng)的對故障件進(jìn)行失效分析，明確故障性質(zhì)，查明失效機(jī)理與原因，在此基礎(chǔ)上，采取針對性的預(yù)防措施和對策，是避免同類事故出現(xiàn)，確保飛機(jī)和發(fā)動機(jī)可靠性的有效途徑，也是通過失效問題對航空飛機(jī)和發(fā)動機(jī)質(zhì)量提升反向推動作用的必然要求。

圖 4 DZ125高溫合金葉片不同服役時間顯微組織Fig.4 Microstructure of DZ125 superalloy blade at different service times

圖 5 DZ408高溫合金超溫組織Fig.5 DZ408 overtemperature microstructure of superalloy

重大事故的失效分析，一般通過現(xiàn)場調(diào)查、痕跡分析、斷口分析、材質(zhì)分析、應(yīng)力分析、模擬試驗等，最終確定故障性質(zhì)，找出失效原因，明確故障機(jī)理。對于一般性的故障分析，采用目前常用的分析手段就能滿足失效分析的需求等。但對于重大事故，由于失效過程復(fù)雜，影響因素眾多，常規(guī)的分析手段可能無法獲得失效的深層次原因，這就需要采用新的研究手段。

以航空發(fā)動機(jī)軸承為例。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)速度快，潤滑條件復(fù)雜，又要經(jīng)受摩擦熱以及振動等嚴(yán)酷的使用環(huán)境，失效概率相對較大，失效現(xiàn)象和行為也更為復(fù)雜[31-33]。軸承一旦失效往往帶來嚴(yán)重后果，是很多飛行事故和事故征候發(fā)生的重要原因之一。如2013年某型飛機(jī)一等事故，其原因就是軸承問題導(dǎo)致發(fā)動機(jī)失效引起的；又如某型發(fā)動機(jī)主軸承，多次發(fā)生失效導(dǎo)致事故征候。

導(dǎo)致軸承失效的因素很多：結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造與裝配工藝符合性及其精度、殘余應(yīng)力、殘余奧氏體含量及其在使用過程中的相變、微動磨損、缺陷（如蝶形組織）形成及其演化等。其中，殘余應(yīng)力、殘余奧氏體含量及其使用過程中的相變，如碟形組織形成及其演化表征與評估等研究，由于受到試驗條件限制，研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。圖6給出了某發(fā)動機(jī)主軸承使用過程中產(chǎn)生的蝶形組織。

圖 6 發(fā)動機(jī)主軸承外圈材料組織中的蝶形組織Fig.6 Butterfly structure in the metallographic of the Main bearing outer ring of engine

在重大事故（故障）失效分析中，目前遇到的難點(diǎn)還包括如單晶渦輪葉片斷裂失效機(jī)制、粉末高溫合金原始粉末顆粒邊界（PPB）對性能的影響等。利用中子散射和同步輻射大科學(xué)裝置技術(shù)，可解決以上重大事故（故障）失效分析過程中遇到的難題。

4 展望與建議

可以看出，航空材料及構(gòu)件從材料研發(fā)、制造、服役、修復(fù)，到失效分析等全壽命周期中，在組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力檢測與表征等方面，對中子散射和同步輻射大科學(xué)裝置技術(shù)提出了迫切的需要。促進(jìn)中子散射和同步輻射技術(shù)在航空關(guān)鍵材料及其構(gòu)件全壽命周期中的應(yīng)用，推動建設(shè)航空用中子散射和同步輻射關(guān)鍵譜儀,以及適于航空關(guān)鍵材料和構(gòu)件的試驗環(huán)境裝置，并開展相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用研究，具有以下重要意義：

1）加速開展材料組織的多尺度、多維度的一體化表征技術(shù)研究，提升航空發(fā)動機(jī)新材料/新工藝研發(fā)等基礎(chǔ)與創(chuàng)新研究能力。

2）解決航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件在研發(fā)、制造、使用、維修全壽命周期中存在的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性和難點(diǎn)性問題，保障其安全可靠使用。

3）推動發(fā)展航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件服役損傷演變與壽命預(yù)測研究，保障航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件服役安全。

4）有助于重大事故（故障）的深入分析，實(shí)現(xiàn)深層次的失效預(yù)防與改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)故障問題對于質(zhì)量問題的反向推動作用。

5）保障航空發(fā)動機(jī)對于中子散射和同步輻射大科學(xué)裝置使用機(jī)時，培養(yǎng)航空發(fā)動機(jī)高層次技術(shù)人才。

結(jié)合目前中國散裂中子源和高能同步輻射光源國家大科學(xué)裝置的建設(shè)和即將建設(shè)的現(xiàn)狀，提出以下幾方面的建議：

1）目前航空領(lǐng)域?qū)τ陉P(guān)鍵構(gòu)件在制造、使用等過程中的殘余應(yīng)力檢測與評價的需求十分迫切，特別是對于如渦輪盤、葉片、機(jī)匣、軸承、大型結(jié)構(gòu)件等殘余應(yīng)力的三維分布。建議在中國散裂中子源建設(shè)航空應(yīng)力譜儀，以及適于航空關(guān)鍵材料和構(gòu)件的試驗環(huán)境裝置。同時，與即將建設(shè)的北京高能同步輻射光源材料工程線站殘余應(yīng)力檢測相結(jié)合，從而形成同步輻射與中子散射表征尺度互補(bǔ)，充分滿足從航空材料研制到構(gòu)件服役全壽命周期的組織結(jié)構(gòu)與殘余應(yīng)力等方面的表征評價需求。

2）在相關(guān)的基金項目中，大力支持開展在航空材料全壽命周期中大科學(xué)裝置技術(shù)的應(yīng)用研究，發(fā)展基于中子散射和同步輻射大科學(xué)裝置的相關(guān)技術(shù)，推動航空技術(shù)進(jìn)步。

3）積極參加中國散裂中子源和北京高能同步輻射光源項目建設(shè)，并根據(jù)航空飛機(jī)和發(fā)動機(jī)當(dāng)前和未來對于大科學(xué)裝置的需求，提出線站建設(shè)具體需求，為大科學(xué)裝置在航空領(lǐng)域后續(xù)的應(yīng)用提前策劃布局，從而為后期利用大科學(xué)裝置開展相關(guān)研究提供條件。

4）積極組織航空領(lǐng)域技術(shù)人員參加與中子散射和同步輻射技術(shù)相關(guān)的各類學(xué)術(shù)會議，并定期組織中子散射和同步輻射技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用學(xué)術(shù)交流，大力培養(yǎng)與中子散射和同步輻射技術(shù)相關(guān)的高層次人才隊伍。