何方成 ， 王 錚 ， 宋永鋒 ， 李雄兵

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075）

0 引言

先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要先進(jìn)材料來驅(qū)動(dòng)，以滿足其性能、推重比和燃油效率的要求。傳統(tǒng)的金屬材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中扮演了重要角色，而復(fù)合材料的出現(xiàn)又為發(fā)動(dòng)機(jī)性能和減重提供了進(jìn)一步的發(fā)展空間。樹脂基復(fù)合材料因具有質(zhì)輕高強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性好、抗疲勞性能好、阻尼減振性能優(yōu)異、易于一體化整體成型[1-2]的優(yōu)點(diǎn)，已成為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件理想的結(jié)構(gòu)材料[3]，在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面都有顯著成效[4]。

但是，樹脂基復(fù)合材料在成型過程中涉及樹脂流動(dòng)、氣泡遷移等多種復(fù)雜變化，且成型后沒有后續(xù)工藝對(duì)材料組織分布和內(nèi)部缺陷情況進(jìn)行改善，因此，難免出現(xiàn)分層、空洞、脫粘等缺陷。并且，發(fā)動(dòng)機(jī)在惡劣的環(huán)境中工作極有可能引起原始缺陷的擴(kuò)展，從而造成構(gòu)件失效等更加嚴(yán)重的災(zāi)難性后果。因此，有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)用樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行全面、可靠的無損檢測(cè)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)用樹脂基復(fù)合材料制件有風(fēng)扇機(jī)匣、風(fēng)扇葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、進(jìn)氣道消聲襯板等[5]，涵蓋大尺寸變曲率層板/板芯結(jié)構(gòu)、小型雙曲率變厚度扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、多形態(tài)R角等復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，在一定程度上增加了結(jié)構(gòu)全尺寸、高可靠性檢測(cè)的難度。

在航空領(lǐng)域，樹脂基復(fù)合材料在飛機(jī)中的應(yīng)用較為成熟，在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用則起步較晚，導(dǎo)致與材料研制緊密結(jié)合并為之配套的發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)也有待進(jìn)一步完善。因此，本文首先介紹樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部主要缺陷及其成因，分析針對(duì)該材料缺陷的主要無損檢測(cè)技術(shù)，然后介紹這些檢測(cè)技術(shù)在國(guó)外典型發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料制件上的應(yīng)用，最后對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用樹脂基復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 樹脂基復(fù)合材料主要缺陷

樹脂基復(fù)合材料是一種非均勻、多界面結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部缺陷特征和無損評(píng)估方法與金屬材料有較大差異。在樹脂基復(fù)合材料的制造及使用過程中，易形成孔隙、孔洞、分層、脫粘、夾雜、疏松、基體開裂、貧膠、富膠、纖維含量不正確、裂紋、纖維屈曲與錯(cuò)位等缺陷。表1列舉部分樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部缺陷種類、成因及特征。

表1 樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部缺陷成因及特征[6]Table 1 Causes and characteristics of internal defects in composite[6]

復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的存在可造成材料局部應(yīng)力集中以及強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能下降等現(xiàn)象。當(dāng)缺陷達(dá)到一定嚴(yán)重程度時(shí)，甚至引起結(jié)構(gòu)失效。因此，用于復(fù)合材料制造和服役階段缺陷評(píng)估的無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)于保障構(gòu)件使用可靠性具有重要意義。

分層、夾雜、脫粘等面積型缺陷通常采用缺陷面積或當(dāng)量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，孔隙、疏松等彌散性缺陷宜采用缺陷嚴(yán)重程度和缺陷面積的結(jié)合數(shù)據(jù)來作為缺陷驗(yàn)收與否的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 樹脂基復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)

由表1可知，樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部缺陷種類和形態(tài)十分繁雜，并且該材料制件本身的結(jié)構(gòu)組成也具有復(fù)雜的多樣性，僅采用一種無損檢測(cè)技術(shù)往往不能滿足復(fù)合材料制件不同結(jié)構(gòu)、不同階段對(duì)缺陷檢測(cè)的可靠性需求。因此，用于復(fù)合材料缺陷檢測(cè)的無損檢測(cè)方法也十分豐富，如超聲、X射線、紅外熱像、激光散斑、敲擊等多種檢測(cè)技術(shù)，且各種檢測(cè)方法分別在不同類型的缺陷檢測(cè)中具有優(yōu)勢(shì)。表2給出了不同檢測(cè)方法對(duì)復(fù)合材料中典型缺陷的檢測(cè)能力對(duì)比。

表2 各種檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料典型缺陷檢測(cè)能力的對(duì)比Table 2 Comparison of detection capabilities of various detection technologies for typical defects of composite material

2.1 超聲檢測(cè)技術(shù)

超聲檢測(cè)技術(shù)是復(fù)合材料檢測(cè)使用最多的無損檢測(cè)方法，它是基于聲波在材料內(nèi)部傳播過程中遇異質(zhì)界面產(chǎn)生反射、折射及散射現(xiàn)象來識(shí)別缺陷。該方法適用范圍較廣，可用于層板、板芯等結(jié)構(gòu)中分層、脫粘、夾雜、孔隙等缺陷檢測(cè)。按檢測(cè)結(jié)果顯示方式可分為：A掃描，利用波形反映缺陷深度和衰減信息，不能直觀記錄缺陷位置和尺寸（圖2a）；B掃描，反映缺陷深度及某一縱截面形態(tài)，不能顯示缺陷尺寸，且不能記錄缺陷位置（圖2b）；C掃描，反映缺陷衰減、位置和尺寸，是使用最廣泛的一種顯示方式（圖2c）；D掃描，以采集缺陷深度信息形成的整件被檢件的地圖圖像，可反映缺陷的深度、位置及尺寸，但不能體現(xiàn)缺陷衰減程度（圖2d）。

圖2 超聲檢測(cè)常見的顯示方式Fig.2 Common display modes of ultrasonic testing

除了上述最常用的傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)外，還有一些基于聲波傳播原理的檢測(cè)技術(shù)可用于復(fù)合材料檢測(cè)：

1）超聲相控陣技術(shù)。利用其聲束偏轉(zhuǎn)和陣列掃查，提高檢測(cè)效率和復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測(cè)可達(dá)性，在復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用日趨成熟。

2）空氣耦合超聲技術(shù)。采用可在空氣中傳播的低頻聲波實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)，對(duì)高衰減材料有較高穿透能力。

3）激光超聲技術(shù)。利用激光脈沖激發(fā)超聲波進(jìn)行檢測(cè)，具有非接觸和可遠(yuǎn)程檢測(cè)的特點(diǎn)，但由于該技術(shù)需要更高的成本，尚未普遍應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

4）聲發(fā)射技術(shù)。通過接收和分析缺陷變化產(chǎn)生的應(yīng)力波來實(shí)時(shí)監(jiān)控正在擴(kuò)展的缺陷，但缺陷停止演變后，檢測(cè)信號(hào)無法再現(xiàn)，并且缺陷應(yīng)力波信號(hào)的識(shí)別，需要借助復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)，增加了聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用難度。

5）聲振法是激勵(lì)被檢件產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，通過測(cè)量被檢件振動(dòng)的特征來判斷被檢件膠接質(zhì)量。

2.2 X射線檢測(cè)技術(shù)

X射線檢測(cè)技術(shù)是采用射線源透照物體，利用穿過被檢件射線能量強(qiáng)弱來判斷材料內(nèi)部缺陷。該方法對(duì)分層、脫粘類缺陷不敏感，但對(duì)發(fā)泡膠空洞、夾雜、芯格斷裂、節(jié)點(diǎn)脫開、芯格壓縮等缺陷具有較好的檢測(cè)效果。

近年來，計(jì)算機(jī)射線成像技術(shù)（CR）、數(shù)字化射線成像技術(shù)（DR）、計(jì)算機(jī)層析成像檢測(cè)（CT）等數(shù)字射線技術(shù)發(fā)展迅速，使復(fù)合材料X射線檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示與數(shù)字化存儲(chǔ)，大幅提升了復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)精密測(cè)量和表征能力。并且，隨著自動(dòng)化檢測(cè)水平的提高（圖3），借助自動(dòng)操縱裝置，實(shí)現(xiàn)零件擺放、射線源位置等的自動(dòng)布局和移動(dòng)，可以提高檢測(cè)效率和精度。

圖3 X射線機(jī)械化檢測(cè)Fig.3 X-ray automatic detection

2.3 其他檢測(cè)技術(shù)

超聲和X射線檢測(cè)技術(shù)是復(fù)合材料生產(chǎn)制造階段常用的無損檢測(cè)技術(shù)，除此之外，還有一些檢測(cè)技術(shù)也在復(fù)合材料缺陷檢測(cè)中獲得廣泛應(yīng)用。例如，紅外熱像檢測(cè)技術(shù)、激光散斑檢測(cè)技術(shù)以及敲擊檢測(cè)技術(shù)等。上述3種檢測(cè)技術(shù)均可檢出分層、脫粘、夾雜等缺陷，具有檢測(cè)效果好的特點(diǎn)，但也都受到檢測(cè)深度的限制，適用于埋深較小的缺陷檢測(cè)。

3 國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)用樹脂基復(fù)合材料制件無損檢測(cè)技術(shù)

早在20世紀(jì)50年代，國(guó)外就開始樹脂基復(fù)合材料制件應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究[7]，目前已取得較為成熟的成果，重要的代表性零件有風(fēng)扇機(jī)匣、風(fēng)扇葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙等。保障該類制件內(nèi)部質(zhì)量的無損檢測(cè)技術(shù)也隨之快速發(fā)展。發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料制件以層板結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)為主，具有雙曲率、多拐角、變厚度等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并采用多種制作工藝和材料體系，給無損檢測(cè)可達(dá)性、完整性、準(zhǔn)確性及一致性帶來較大挑戰(zhàn)。了解國(guó)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料制件無損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)提高我國(guó)同類制件無損檢測(cè)技術(shù)水平、保障發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料制件質(zhì)量可靠性，具有重要意義。

3.1 風(fēng)扇機(jī)匣

采用多軸噴水式自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)變結(jié)構(gòu)、變厚度的風(fēng)扇機(jī)閘的三維C掃檢測(cè)[8]，一次掃查零件所有部位。同時(shí)，在復(fù)合層合材料中嵌入特氟龍材料模擬缺陷，利用先進(jìn)的信號(hào)處理工具，以較高信噪比識(shí)別出復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位的預(yù)制缺陷，如圖4所示[8]。

圖4 多軸噴射式超聲檢測(cè)平臺(tái)及機(jī)閘C掃描成像[8]Fig.4 Multi axis jet ultrasonic testing platform and C-scan imaging [8]

3.2 風(fēng)扇葉片

羅羅公司“超級(jí)風(fēng)扇”發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片采用水浸式超聲穿透法進(jìn)行成像檢測(cè)，檢測(cè)利用自校準(zhǔn)和自評(píng)價(jià)系統(tǒng)，以超過200 mm/s高速對(duì)復(fù)雜雙曲率型面葉片和金屬包邊進(jìn)行高分辨率測(cè)量[9-10]，多軸超聲水浸平臺(tái)及“超級(jí)風(fēng)扇”的高分辨率測(cè)量如圖5。

圖5 多軸超聲水浸平臺(tái)及“超級(jí)風(fēng)扇”高分辨率測(cè)量示意圖[9]Fig.5 Multiaxial ultrasonic water immersion platform and schematic diagram of "super fan" with high resolution measurement [9]

DantecDynaminc公司利用激光散斑技術(shù)，同時(shí)結(jié)合六自由度的機(jī)械臂（圖6）[11]，對(duì)復(fù)合材料葉片進(jìn)行成像檢測(cè)，根據(jù)相位圖上的蝶形圖案檢測(cè)樹脂基復(fù)合葉片的沖擊損傷。

圖6 復(fù)合材料葉片自動(dòng)激光散斑檢測(cè)[11]Fig.6 Automatic laser speckle detection of composite blade[11]

3.3 短艙

航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料短艙通常采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制作，且尺寸較大，檢測(cè)耗時(shí)較長(zhǎng)。SAFRAN公司利用紅外檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)效率高的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合Kuka機(jī)器人自動(dòng)控制技術(shù)[12]（圖7），將紅外自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于LEAP-1A和Trebt7000發(fā)動(dòng)機(jī)短艙復(fù)合材料的測(cè)量，檢測(cè)時(shí)間減少一半。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)短艙紅外無損檢測(cè)平臺(tái)[12]Fig.7 Infrared NDT platform for engine nacelle [12]

3.4 微觀缺陷檢測(cè)

NSI北極星公司對(duì)樹脂基編織復(fù)合材料進(jìn)行CT檢測(cè)，用于識(shí)別復(fù)合材料中脫毛、屈曲、材料、纖維取向以及均勻性等問題。CT檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 樹脂基編織復(fù)合材料CT檢測(cè)結(jié)果Fig.8 CT inspection result of resin matrix braided composite[

Suragus研制渦流自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，用于纖維編織、預(yù)制材料和復(fù)合材料檢測(cè)，可以分析多層結(jié)構(gòu)碳纖維內(nèi)的紋理缺陷，如失真、錯(cuò)位、褶皺、重疊以及間隙等缺陷。檢測(cè)系統(tǒng)及缺陷檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 渦流檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)結(jié)果舉例Fig.9 Eddy current testing system and examples of testing results

Suragus公司則基于高頻渦流檢測(cè)，制作了用于纖維的面積纖維密度和均勻性評(píng)估原型機(jī)，如圖10 所示[13]。

圖1 樹脂基復(fù)合材料中部分缺陷形態(tài)Fig.1 Partial defect form in resin matrix composite

圖10 渦流密度檢測(cè)平臺(tái)及材料均勻性和密度圖[13]Fig.10 Eddy current density testing platform and material testing results of uniformity and density diagram [13]

3.5 其他

德國(guó)航天輕量化生產(chǎn)技術(shù)中心DLR提出用于加工大型CFRP飛機(jī)構(gòu)件過程質(zhì)量控制平臺(tái)（圖11），用于裝配質(zhì)量保證、纖維鋪帶質(zhì)量控制等[14-15]。

圖11 大型CFRP飛機(jī)構(gòu)件過程控制平臺(tái)[14]Fig.11 Process control platform for large CFRP aircraft components [14]

羅羅公司建設(shè)世界上最大的X射線檢測(cè)平臺(tái)（圖12），用于觀察發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，2萬多個(gè)部件在不同條件下的極端表現(xiàn)。

圖12 大型X射線在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)Fig.12 Large X-ray online monitoring platform

4 展望

無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，有助于進(jìn)一步推動(dòng)復(fù)合材料的應(yīng)用，提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能和降低發(fā)動(dòng)機(jī)制造和維護(hù)成本。在今后的復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展中，自動(dòng)化和機(jī)械化的檢測(cè)平臺(tái)將逐漸取代傳統(tǒng)的手動(dòng)檢測(cè)，數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)將進(jìn)一步在復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)檢測(cè)中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

除了檢測(cè)技術(shù)的革新，無損檢測(cè)和過程控制的結(jié)合以及人工智能和不同數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)方法的引入，將推動(dòng)著樹脂基復(fù)合材料的性能和可靠性向高標(biāo)準(zhǔn)高要求發(fā)展，以保證服役安全。同時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)樹脂基復(fù)合材料重要部件與實(shí)時(shí)傳感器的融合，進(jìn)一步保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的服役安全。