復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)的缺陷特征與超聲信號(hào)

張婷，劉奎，王婷婷

復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)的缺陷特征與超聲信號(hào)

張婷，劉奎，王婷婷

(上海飛機(jī)制造有限公司航空制造技術(shù)研究所，上海200436)

研究了熱補(bǔ)儀修理復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的缺陷特征。金相顯微分析結(jié)果表明，當(dāng)修補(bǔ)層數(shù)為2層時(shí)，樣品沒有任何缺陷產(chǎn)生;當(dāng)修補(bǔ)層數(shù)增加到4層時(shí)，修補(bǔ)層內(nèi)出現(xiàn)氣孔缺陷;當(dāng)修補(bǔ)層數(shù)增加到6層時(shí)，除了修補(bǔ)層內(nèi)出現(xiàn)大量氣孔缺陷以外，膠膜層也出現(xiàn)氣孔，導(dǎo)致弱粘接/脫粘缺陷的產(chǎn)生。超聲檢測(cè)的結(jié)果與金相顯微分析一致，很好地再現(xiàn)了上述缺陷。

復(fù)合材料;修理;氣孔缺陷;超聲檢測(cè);金相顯微檢測(cè)

復(fù)合材料在飛機(jī)上的使用日趨廣泛，已成為新一代飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的主要材料［1，2］。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用［3，4］，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的修理也變得越來越重要［5～7］。但是，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理是一件耗時(shí)費(fèi)力的事，修復(fù)后的結(jié)構(gòu)是非標(biāo)準(zhǔn)化的所謂“奇異結(jié)構(gòu)”，性能效果難以恢復(fù)到與完好結(jié)構(gòu)一致，甚至有時(shí)不修理的效果比修理后的效果好［8～10］。因此，對(duì)修補(bǔ)過的結(jié)構(gòu)的有效檢測(cè)，是保證飛機(jī)復(fù)合材料制件質(zhì)量的必要手段［11～13］。目前，通常使用超聲法、射線法、聲發(fā)射法等無損檢測(cè)的方法對(duì)復(fù)合材料缺陷進(jìn)行檢測(cè)［14～16］。由于不同的檢測(cè)方法都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)和局限性，因此選擇合適的無損檢測(cè)方法對(duì)缺陷的正確評(píng)估至關(guān)重要［17～18］。

本工作針對(duì)熱補(bǔ)儀修理的復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的缺陷，采用金相顯微分析法和超聲檢測(cè)法進(jìn)行表征，探討和分析了缺陷形成的機(jī)理，并對(duì)兩種檢測(cè)方法的結(jié)果進(jìn)行比較。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本研究所使用的樣品為層壓板修理試驗(yàn)件，共有三個(gè)樣品，修補(bǔ)層數(shù)依次為2層、4層、6層，修補(bǔ)層的鋪層為［0/90］正交鋪層，修補(bǔ)層采用熱補(bǔ)議固化。三個(gè)樣品的母板相同，均采用熱壓罐工藝固化，鋪層為［45/0/－45/90］s。修補(bǔ)層與母板所使用的材料相同，均為T800級(jí)的單向帶預(yù)浸料。修補(bǔ)層與母板之間有一層膠膜。所有樣品固化后進(jìn)行機(jī)加切邊，樣品的凈尺寸均為100mm×100mm。三個(gè)樣品制備完成后，進(jìn)行了超聲A掃無損檢測(cè)，并對(duì)有缺陷的部位進(jìn)行了金相顯微分析。超聲檢測(cè)所用設(shè)備為奧林巴斯便攜式超聲檢測(cè)議，型號(hào)為Master 380，所用超聲換能器為晶片直徑6mm、帶延遲塊的直探頭，頻率為10MHz。檢測(cè)時(shí)所用激勵(lì)電壓為100V、阻尼電阻50Ω，探頭和樣品間用水為耦合劑。金相解剖試樣的尺寸為10mm×10mm，光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)為50倍。

2 結(jié)果與分析

2.1金相顯微分析

圖1所示為樣品的金相顯微照片，圖1a是母板的圖片，從圖中可以看出母板質(zhì)量良好，沒有缺陷。本文所使用預(yù)浸料單向帶的單層厚度為200μm，層與層之間存在薄薄一層富樹脂區(qū)，厚度大約20μm。圖1b是修補(bǔ)了2層的試驗(yàn)件，圖中黑灰色的為膠膜層，膠膜層的厚度約為250μm。從圖中可以看出，無論修補(bǔ)層還是膠膜層都沒有缺陷出現(xiàn)，試驗(yàn)件總體質(zhì)量良好。當(dāng)修補(bǔ)層數(shù)增加到4層時(shí)，修補(bǔ)層出現(xiàn)了氣孔缺陷，如圖1c所示。從圖中可以清晰地看出，氣孔主要出現(xiàn)在層與層之間的富樹脂區(qū)，氣孔的形狀有長(zhǎng)條形和球形，尺寸基本在十幾個(gè)μm到200μm左右，小尺寸的氣孔(50μm以下)基本為球形，大尺寸(100μm以上)的氣孔呈長(zhǎng)條形。另外，在纖維束之間也存在少量氣孔，氣孔大多為長(zhǎng)條形，氣孔的長(zhǎng)邊沿著纖維方向，短邊垂直纖維方向。圖1d為修補(bǔ)層數(shù)為6層的樣品，從圖中可以看出，隨著修補(bǔ)層數(shù)的進(jìn)一步增加，氣孔明顯增多，不僅在修補(bǔ)層內(nèi)出現(xiàn)大量氣孔，在膠膜層也出現(xiàn)了氣孔。修補(bǔ)層內(nèi)的氣孔尺寸與形狀分布與修補(bǔ)層數(shù)4層的樣品相似，只是數(shù)量上多出許多。膠膜層內(nèi)的氣孔呈現(xiàn)球形，尺寸從幾十μm到100μm左右。膠膜層內(nèi)的氣孔與修補(bǔ)層內(nèi)層間富樹脂區(qū)的氣孔形狀是不同的，這主要是因?yàn)槟z膜層相較修補(bǔ)層的層間富樹脂區(qū)厚度要大許多(膠膜層厚度為250μm，層間樹脂層厚度為20μm)。在膠膜層內(nèi)，由于膠層厚度較大，氣孔周圍的環(huán)境可以近似為處于各向同性的樹脂材料中，所以在樣品固化的時(shí)候氣體匯集后形成氣孔，氣孔四周所受壓力也近似相同，從而導(dǎo)致形成的氣孔接近球形。在修補(bǔ)層的層間富樹脂區(qū)，由于樹脂層過薄，氣孔四周的環(huán)境不能近似為各向同性，氣孔左右為樹脂，上下為纖維層。當(dāng)樣品固化時(shí)氣孔會(huì)被上下兩側(cè)的纖維層壓扁，從而導(dǎo)致長(zhǎng)條形的氣孔出現(xiàn)。

圖1 修理試驗(yàn)件的金相顯微照片(a)母板;(b)2層修補(bǔ)層;(c)4層修補(bǔ)層;(d)6層修補(bǔ)層Fig.1 Metallographic photos of repaired test pieces(a)starting sheet;(b)two layers of repair layer; (c)four layers of repair layer;(d)six layers of repair layer

綜合三個(gè)樣品的金相顯微照片來看，隨著修補(bǔ)層數(shù)的增加，氣孔缺陷逐漸增多，并且從修補(bǔ)層逐漸蔓延到膠膜層。由于修補(bǔ)層所用材料為T800級(jí)單向帶預(yù)浸料，標(biāo)準(zhǔn)固化壓力為0.6MPa，而使用該材料進(jìn)行修補(bǔ)工藝時(shí)，采用熱補(bǔ)儀固化，此時(shí)只有0.1MPa的真空壓力，此壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的標(biāo)準(zhǔn)固化壓力。因此，當(dāng)修補(bǔ)層數(shù)較少時(shí)(如2層的樣品)氣體還比較容易排出，且修補(bǔ)層也比較容易壓實(shí)。但隨著修補(bǔ)層數(shù)的增加，0.1MPa的壓力不足以將修補(bǔ)層數(shù)為4層的樣品壓實(shí)，而且修補(bǔ)層數(shù)增加后氣孔排出更為困難，此時(shí)修補(bǔ)層內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)氣孔缺陷。隨著修補(bǔ)層數(shù)進(jìn)一步增加到6層時(shí)，0.1MPa的真空壓力不僅無法保證將修補(bǔ)層壓實(shí)，而膠膜層也開始出現(xiàn)氣孔，導(dǎo)致“修補(bǔ)層/母板”之間的粘接界面呈現(xiàn)弱粘接/脫粘的狀態(tài)。此時(shí)，整個(gè)樣品出現(xiàn)兩類缺陷:即修補(bǔ)層內(nèi)的氣孔缺陷與粘接界面層的弱粘接/脫粘缺陷。上述結(jié)論將在后面的超聲檢測(cè)結(jié)果中進(jìn)一步證實(shí)。另外，值得注意的是所有氣孔均出現(xiàn)在靠近膠膜層的修補(bǔ)區(qū)內(nèi)，而靠近樣品表面的修補(bǔ)層均未出現(xiàn)氣孔缺陷，這主要是因?yàn)闃悠返谋砻尜N近導(dǎo)氣材料，更利于氣體的排出。

2.2缺陷的超聲信號(hào)特征分析

圖2所示為三個(gè)樣品的典型超聲信號(hào)特征波形，左側(cè)圖是從修補(bǔ)層作為檢測(cè)面測(cè)量的結(jié)果，右側(cè)圖是從母板檢測(cè)面測(cè)量的結(jié)果。圖2(a)是修補(bǔ)層為兩層的樣品的超聲信號(hào)。從超聲波形可以清晰地看出探頭延遲塊的界面波和樣品的底面回波，在靠近界面波的位置有修補(bǔ)層與母板粘接界面的信號(hào)，如圖中箭頭所示。整個(gè)波形圖中并沒有缺陷信號(hào)，與金相顯微分析的結(jié)果一致。圖2(b)是修補(bǔ)層為4層的樣品的典型超聲波形。從左側(cè)圖中可以清楚地看到在延遲塊界面波與粘接界面波之間的位置，即修補(bǔ)層內(nèi)出現(xiàn)了缺陷回波，該缺陷回波為氣孔的反射信號(hào)，具體的超聲傳播機(jī)理如下:超聲波進(jìn)入樣品后一部分被修補(bǔ)層內(nèi)的氣孔反射，一部分繼續(xù)向前傳播，經(jīng)過粘接界面最后到達(dá)底面再次反射。從右側(cè)母板檢測(cè)面的波形可以看出，粘界界面的信號(hào)低于底面回波高度，這說明樣品的粘接質(zhì)量良好。綜合修補(bǔ)層面與母板面檢測(cè)的結(jié)果可以看出，該樣品在修補(bǔ)層內(nèi)出現(xiàn)了氣孔缺陷，但粘接面質(zhì)量仍然良好，與金相顯微的分析結(jié)果一致。圖2(c)是修補(bǔ)層為6層的樣品的典型超聲波形。從修補(bǔ)層的檢測(cè)結(jié)果來看，與修補(bǔ)層數(shù)為4層的樣品類似，只是缺陷回波的幅度更高，粘接界面回波與底面回波的幅度大大降低。從母板檢測(cè)面的結(jié)果來看，粘接界面回波的幅度大大增加，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于底面回波高度，這說明粘接界面的質(zhì)量已經(jīng)出現(xiàn)了脫粘/弱粘接問題。

圖2 修理樣品的超聲檢測(cè)信號(hào)(a)修補(bǔ)層為2層的樣品典型超聲波形;(b)修補(bǔ)層為4層的樣品典型超聲波形;(c)修補(bǔ)層為6層的樣品典型超聲波形Fig.2 The ultrasonic testing signal of repair sample surface(a)the typical ultrasonic wave of sample with two layers of repair layers;(b)the typical ultrasonic wave of sample with four layers of repair layers; (c)the typical ultrasonic wave of sample with six layers of repair layers

值得注意的是圖2b，c中，修補(bǔ)層檢測(cè)面的波形中都有缺陷回波，而母板檢測(cè)面的波形中卻沒有發(fā)現(xiàn)缺陷回波。這個(gè)問題可以用圖3中的示意圖來解釋。當(dāng)采用修補(bǔ)層作為檢測(cè)面的時(shí)候，探頭與樣品的幾何配置如圖3(左)所示。氣孔缺陷存在于修補(bǔ)層內(nèi)，缺陷距離探頭很近。由于氣孔缺陷形狀不規(guī)則，這里我們把氣孔缺陷等效為具有一定傾斜角度的橢圓形。超聲波從探頭發(fā)射出后，經(jīng)過氣孔缺陷的反射，反射波與入射波存在一定的角度，但是由于缺陷距離探頭較近，此時(shí)探頭仍然可以接收到缺陷的反射回波信號(hào)。當(dāng)采用母板面作為檢測(cè)面的時(shí)候，探頭與樣品的幾何配置如圖3(右)所示，此時(shí)缺陷距離探頭很遠(yuǎn)，超聲波經(jīng)過氣孔缺陷的反射后，反射回波已經(jīng)落在探頭之外，此時(shí)探頭無法接收到缺陷的反射回波信號(hào)。因此，在選用不同的檢測(cè)面時(shí)得到的超聲特征波形是不同的。

圖3 修補(bǔ)層超聲檢測(cè)面模型(a)與母板超聲檢測(cè)面模型(b)Fig.3 repair layer ultrasonic detecting surface model(a)and starting sheet ultrasonic detecting surface model(b)

3 結(jié)論

(1)當(dāng)修補(bǔ)層數(shù)只有2層時(shí)，整個(gè)樣品內(nèi)沒有任何缺陷產(chǎn)生;當(dāng)修補(bǔ)層數(shù)增加到4層，修補(bǔ)層內(nèi)出現(xiàn)了氣孔缺陷，氣孔尺寸從幾十μm到200μm;隨著修補(bǔ)層數(shù)增加到6層，氣孔缺陷數(shù)量進(jìn)一步增多，并從修補(bǔ)層蔓延到膠膜層，導(dǎo)致弱粘接/脫粘缺陷的出現(xiàn)。

(2)超聲檢測(cè)的結(jié)果與金相顯微的結(jié)果具有很好的一致性，不同檢測(cè)面的選取得到的典型超聲信號(hào)波形是不同的。通過超聲檢測(cè)信號(hào)與金相顯微結(jié)果的對(duì)比分析，可以得出超聲無損檢測(cè)方法是測(cè)量復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的有效手段。

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Defect Characteristics and Ultrasonic Signal of Composite Repair Structure

ZHANG Ting，LIU Kui，WANG Ting-ting
(Aviation Manufacturing Technology Research Institute，Shanghai Aircraft Manufacturing Co.，Ltd，Shanghai 200436，China)

This paper studies the defect characteristics of composite laminate structure repaired by vulcanizing machine.The results of the metallographic microscopic analysis indicate thatthe samples have no defects when the repair layers are two layers，while the porosity defects appear when the repair layers increase to 4.A large number of porosity defects appear in the repair layers as well as the film layer when the repair layers increase to 6，which result in weak bonding/debonding defects.The ultrasonic testing results are consistent with metallographic microscopic analysis，which reappear above defects very well.

composites;repair;pore defect;ultrasonic test;metallographic microscopic test

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.1.011

TB332

A

1005-5053(2015)01-0066-05

2013-10-28;

2014-10-31

上海市科委啟明星項(xiàng)目(13QB1401200)

張婷(1981—)，女，博士，高級(jí)工程師，主要從事復(fù)合材料工藝性能研究，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造、熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造等，(E-mail)zhangting3@comac.cc。