無損檢測技術(shù)在飛機(jī)復(fù)合材料修理中的應(yīng)用

胡嘉蓉　汪洪量　盧新亮

摘? 要：無損檢測作為一種不損傷材料和零部件使用性能的檢測技術(shù)在飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件修理中具有重要意義。文章介紹了適用于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的無損檢測技術(shù)，對其在飛機(jī)修理檢測中應(yīng)用的優(yōu)勢、適用范圍以及原因進(jìn)行探討。結(jié)果表明，結(jié)合實際檢測的各種環(huán)境，檢測方式在選擇上受到各種限制，所以未來的趨勢是多種檢測技術(shù)對復(fù)合材料構(gòu)件損傷進(jìn)行綜合評判以及新技術(shù)的工程化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;無損檢測;應(yīng)用

中圖分類號：V250.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）21-0177-02

Abstract： Nondestructive testing（NDT） as a nondestructive testing technique for the performance of materials and parts has important significance in the repair of aircraft composite components. This paper introduces the NDT technology for aircraft composite components， and discusses its application advantage， application scope and causes in aircraft repair and testing. The results show that the detection method is limited in the selection of various environments， so the future trend is to comprehensively evaluate the damage of composite components by a variety of detection technologies and the engineering application of new technologies.

Keywords： composite components; NDT; application

引言

復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量重量比、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損以及抗氧化等優(yōu)良性能，并大量應(yīng)用在飛機(jī)的外翼、安定面、方向舵等主承力結(jié)構(gòu)。在飛機(jī)高強(qiáng)度的訓(xùn)練以及飛行中，由于承載、承壓和環(huán)境因素的影響，復(fù)合材料構(gòu)件容易出現(xiàn)分層、脫粘、沖擊損傷、開裂、積水等損傷，造成復(fù)合材料構(gòu)件性能下降。無損檢測作為一種不損傷材料和零部件使用性能的檢測方法，在飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件檢測中發(fā)揮了重要作用。

1 飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件損傷特點

飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件主要分為纖維增強(qiáng)型樹脂層壓結(jié)構(gòu)和蒙皮-蜂窩芯結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料構(gòu)件在制造和加工過程中由于纖維種類、固化工藝、鉆孔加工等因素會產(chǎn)生分層、脫粘、夾雜、孔隙等各類原始缺陷。當(dāng)飛機(jī)服役時，受到載荷、振動、濕熱酸堿等環(huán)境因素，導(dǎo)致纖維增強(qiáng)樹脂層壓結(jié)構(gòu)部件中原始缺陷的擴(kuò)展以及新的分層、脫粘、撕裂等損傷的產(chǎn)生，蒙皮-蜂窩芯結(jié)構(gòu)部件也可能出現(xiàn)原始缺陷的擴(kuò)展，或者產(chǎn)生新的分層、脫粘、蜂窩芯積水、蜂窩芯壓塌等問題。

2 飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的常用無損檢測技術(shù)

目前，飛機(jī)符合材料構(gòu)件常見損傷主要是復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的分層損傷、蒙皮壁板與T字型加強(qiáng)筋條的脫粘損傷、T字型加強(qiáng)筋條分層損傷以及蒙皮-蜂窩結(jié)構(gòu)的脫粘損傷、蜂窩芯壓塌以及蜂窩芯積水等?，F(xiàn)針對飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測有效且常用的方式主要有超聲波檢測、超聲相控陣成像檢測、聲阻抗檢測、X射線檢測。

2.1 常規(guī)超聲檢測技術(shù)

超聲波檢測技術(shù)是常規(guī)的無損檢測技術(shù)之一。原理是超聲波在材料內(nèi)部能以一定的速度和方向傳播，超聲波遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面就會發(fā)生聲波反射，通過測量反射回波的時間、透射強(qiáng)度變化來判斷損傷的類型、大小以及位置。在飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的現(xiàn)場檢測中，常使用脈沖反射法對復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行檢測，通過A型掃描顯示的幅值、位置對復(fù)合材料構(gòu)件損傷進(jìn)行判定。超聲波檢測出復(fù)合材料中分層、脫粘等損傷。超聲波檢測的優(yōu)勢是穿透能力大，探傷靈敏度高，檢測時可逐點覆蓋檢測面，設(shè)備簡單便攜。超聲波檢測技術(shù)常用于飛機(jī)外翼、水平安定面、垂直安定面、方向舵等大型復(fù)合材料構(gòu)件的檢測。超聲檢測也有局限性，一方面超聲波的穿透性與材料種類相關(guān)，超聲檢測方法難以對所有類型復(fù)合材料進(jìn)行檢測。另一方面，超聲檢測結(jié)果并非十分直觀，對缺陷和損傷的判斷需要有經(jīng)驗的操作人員。目前，便攜式超聲波檢測儀在飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件檢測中的應(yīng)用最為廣泛。

2.2 超聲相控陣快速成像檢測技術(shù)

超聲相控陣成像檢測是一種快速的檢測方式。其原理是檢測系統(tǒng)按照一定的規(guī)則和時間順序激發(fā)一組探頭晶片，通過調(diào)整晶片的序列、數(shù)量、時間來控制波束的形狀、線軸的偏轉(zhuǎn)角度及焦點位置等參數(shù)從而進(jìn)行自動化電子掃查檢測的模式。在飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件現(xiàn)場檢測中，常用一種便攜式手動超聲相控陣快速成像檢測系統(tǒng)，與常規(guī)相控陣不同的是，該超聲相控陣檢測系統(tǒng)的聲束為不聚焦平行掃描，即超聲相控陣探頭各陣元均是垂直向下發(fā)射超聲脈沖聲束，當(dāng)進(jìn)行聲束掃描時，沒有聲束的偏轉(zhuǎn)與聚焦。超聲相控陣成像檢測技術(shù)能夠直觀顯示復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部損傷，通常用于現(xiàn)場檢測飛機(jī)外翼蒙皮壁板、垂直安定面的分層和脫粘損傷。相比于常規(guī)超聲波檢測，超聲相控陣像檢測技術(shù)具有效率高、定位準(zhǔn)的優(yōu)勢，尤其適合檢測大型復(fù)合材料構(gòu)件。

2.3 聲阻檢測技術(shù)

聲阻法檢測也稱為機(jī)械阻抗分析法檢測。它是通過測量結(jié)構(gòu)件被測點的振動力阻抗的變化來確定是否存在異常結(jié)構(gòu)。在實際工作中，使用聲阻檢測儀對復(fù)合材料構(gòu)件檢測，其原理是通過探頭晶片發(fā)送一定頻率的超聲波，被測件作為振動負(fù)載，粘接良好區(qū)域的負(fù)載與脫粘區(qū)域的剛度不同，從而引起探頭晶片幅度和相位的變化。聲阻檢測技術(shù)適用于檢測復(fù)合材料的膠接結(jié)構(gòu)，對蒙皮-蜂窩芯膠的脫粘損傷明顯的檢測效果。其優(yōu)點是探頭與待測件之間不需要耦合劑，且接觸面積小，對損傷區(qū)域定位準(zhǔn)確。聲阻檢測技術(shù)主要用于檢測含有蜂窩結(jié)構(gòu)的垂直安定面、雷達(dá)罩、整流罩等構(gòu)件的脫粘損傷。

2.4 X射線檢測技術(shù)

X射線照相檢測技術(shù)是最直觀的無損檢測技術(shù)，當(dāng)復(fù)合材料構(gòu)件出現(xiàn)損傷時，穿透構(gòu)件的X射線強(qiáng)度會發(fā)生變化，使射線膠片影響黑度發(fā)生變化。對于復(fù)合材料構(gòu)件檢測而言，X射線檢測裂紋、分層并不敏感，但對蜂窩芯積水、壓塌有很直觀的檢測效果。X射線常用于檢測有蜂窩結(jié)構(gòu)的垂直安定面等構(gòu)件。

3 飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的其他檢測技術(shù)及應(yīng)用研究現(xiàn)狀

除上述常用檢測技術(shù)之外，還有一些無損檢測方法仍處于研究階段，要走向工程化應(yīng)用，還需要攻克更多技術(shù)難題，比如紅外熱成像檢測技術(shù)、激光散斑檢測技術(shù)。

紅外熱像是利用熱成像儀測定被檢測工件表面溫度分布以熱圖的方式來體現(xiàn)檢測結(jié)構(gòu)的檢測方法。紅外熱像檢測技術(shù)可用于檢測復(fù)合材料的分層、沖擊損傷、脫粘等缺陷。紅外熱像檢測技術(shù)最突出的優(yōu)勢在于檢測過程快，操作簡單，能夠獲得時效性的信息，并且該技術(shù)在檢測過程中不需要對測件表面進(jìn)行預(yù)處理，也不受待測件外形的影響。但紅外熱像檢測技術(shù)也有一些缺點，楊小林等人[1]對某新型戰(zhàn)機(jī)機(jī)頭雷達(dá)罩蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)件進(jìn)行紅外熱成像檢測，結(jié)果表明這種檢測方法能夠得到復(fù)合材料構(gòu)件損傷的位置、大小、及形狀等信息，但是由于脈沖激勵范圍有限，無法對檢測件進(jìn)行全面檢測。劉穎韜等人[2]對某雷達(dá)進(jìn)行維修前的現(xiàn)場脈沖熱成像檢測，結(jié)果表明這種方法難以檢測出埋深較深的缺陷，并且成像結(jié)果容易受到導(dǎo)熱影響，使得圖像邊界模糊。

激光散斑檢測技術(shù)是利用計算機(jī)對物體變形前兩個數(shù)字相關(guān)散斑場做相減運算，從而得到相關(guān)條紋圖像，當(dāng)有缺陷時，條紋發(fā)生畸變，形成“牛眼形圖案”。該檢測技術(shù)具有非接觸、全面檢測的優(yōu)勢，可檢測出下料的分層、脫粘、夾雜等缺陷。相關(guān)研究表明，激光散斑檢測技術(shù)仍存在一定的局限性，使其難以應(yīng)用于實際飛機(jī)修理檢測當(dāng)中。楊慶峰[3]等人使用LT1-6002S激光散斑檢測系統(tǒng)對飛機(jī)鋁蜂窩復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試塊進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激光散斑檢測技術(shù)對飛機(jī)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的缺陷檢測有一定的相對誤差，對檢測件的損傷程度與損傷類型的判定均會有影響，對于激光散斑的結(jié)果判定，需要結(jié)合聲阻檢測結(jié)果。王玨[4]等人對碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光錯位散斑檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于埋深較大，尺寸較小的缺陷，檢測較為困難。涂俊[5]等人對鋁蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光錯位散斑和超聲C掃描檢測結(jié)果對比，結(jié)果表明激光錯位散斑檢測速度快，但影響檢測結(jié)果的因素很多，且僅適用于近表面缺陷檢測，檢測靈敏度低。

4 分析討論

通過適當(dāng)?shù)姆椒▽︼w機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行檢測是發(fā)現(xiàn)缺陷和損傷的重要技術(shù)手段。適用于復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)很多，能夠真正有效應(yīng)工程化應(yīng)用在飛機(jī)復(fù)合的材料構(gòu)件檢測的檢測方法并不多，其主要原因來自兩方面，一是無損檢測方法自身的局限性。無損檢測方法均具有各自的優(yōu)勢和適用范圍，在實際的檢測中，單一的檢測方法往往難以適應(yīng)于檢測出所有缺陷類型，所以對某一個復(fù)合材料構(gòu)件，需要使用多種無損檢測方法來對構(gòu)件損傷進(jìn)行評估。二是構(gòu)件形狀和檢測環(huán)境的限制。一方面，飛機(jī)在內(nèi)場修理時，復(fù)合材料構(gòu)件在裝機(jī)之前必須進(jìn)行嚴(yán)格的檢測，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件大多為全封閉或者半封閉的中空結(jié)構(gòu)，限制了檢測設(shè)備的使用。另一方面，飛機(jī)在外場修理時，復(fù)合材料構(gòu)件往往不便于分解和拆卸，這就要求必須對其進(jìn)行原位檢測，這些原因使得檢測方法和檢測方式在選擇上具有局限性。

5 結(jié)束語

在飛機(jī)修理中，復(fù)合材料構(gòu)件的無損檢測結(jié)果是確定復(fù)合材料構(gòu)件損傷修復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。不同的檢測方法都具有各自的不同的優(yōu)點和局限性，在實際檢測中，應(yīng)該充分考慮復(fù)合材料構(gòu)件的材料類型、結(jié)構(gòu)特征、損傷類型、損傷區(qū)域等因素，結(jié)合多種檢測方法對損傷進(jìn)行判斷。對于新的檢測方法的應(yīng)用，應(yīng)積極探索，以適應(yīng)飛機(jī)修理時各種環(huán)境下的原位檢測條件。

參考文獻(xiàn)：

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[5]涂俊，鄔冠華，郭廣平.鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的錯位散斑與超聲C掃描無損檢測方法對比研究[J].硅谷，2017（7）：109-110.