空氣耦合超聲技術在航空航天復合材料無損檢測中的應用

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(1.上海航天精密機械研究所，上海 201600；2.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院,北京 100191；3.先進航空發(fā)動機協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100191)

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空氣耦合超聲技術在航空航天復合材料無損檢測中的應用

危荃1,金翠娥1,周建平1,周正干2,3,孫廣開2

(1.上海航天精密機械研究所，上海 201600；2.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院,北京 100191；3.先進航空發(fā)動機協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100191)

制備預埋人工缺陷的蜂窩夾芯復合材料、模壓復合材料和陶瓷基復合材料試樣，利用自主研制的內置專用信號處理單元的空氣耦合超聲無損檢測系統(tǒng)進行試驗，實現GFRP蒙皮Nomex蜂窩夾芯復合材料模擬脫粘缺陷檢測、模壓復合材料模擬內部分層缺陷檢測以及C/SiC復合材料模擬內部分層缺陷檢測。試驗結果表明，空氣耦合超聲無損檢測技術可應用于蜂窩夾芯復合材料、模壓復合材料以及陶瓷基復合材料構件的非接觸無損檢測，在航空航天工程領域應用前景廣闊。

空氣耦合超聲；無損檢測；復合材料；航空航天

隨著材料工藝的成熟及產品質量的提高，高性能復合材料在航空航天領域的使用比例大幅度提升(波音B787“夢想”飛機的復合材料用量已達結構重量的50%)[1]，有些材料已代替金屬成為某些核心部件的主要結構材料，使得航空航天技術的發(fā)展有了質的飛躍。在航空航天領域已得到應用的新型復合材料主要包括纖維增強復合材料、夾芯結構復合材料、耐高溫復合材料等[2-3]，此類材料普遍具有高比強度、高比剛度、高模量、耐腐蝕等優(yōu)異性能，然而受工藝、材料特性和服役條件等因素影響，容易產生分層、夾雜、脫粘、孔隙等多種類型的缺陷。因此，必須采用有效的無損檢測方法準確檢出復合材料在制造和使用過程中產生的各種缺陷。但是，近年來逐漸在航空、航天等領域獲得應用的多種高性能新型復合材料因其制造成本高、結構特殊、使用環(huán)境特殊等，對無損檢測技術提出了更苛刻、更有針對性的檢測條件(不能使用耦合劑、檢測空間狹小、構件尺寸大、結構復雜)和要求(檢測高效、檢測結果實時直觀等)，故研究與新型復合材料技術發(fā)展水平相適應的無損檢測技術已成為國內外研究人員普遍關注的新課題。

空氣耦合超聲無損檢測技術是近年來國內外研究的重要方向[4-7]。該技術不僅具有傳統(tǒng)超聲檢測方法的聲束可控、聲波轉換效率高、靈敏度高、可靠性高、成本低等特點，同時還兼具系統(tǒng)搭建簡便、高效率、節(jié)約資源、無污染、適合原位檢測等其他諸多優(yōu)點。IMIELINISKA等[2]研究了碳纖維、玻璃纖維、聚酰胺纖維增強樹脂基復合材料沖擊損傷的空氣耦合超聲檢測方法。PETERS等[3]建立了空氣耦合超聲系統(tǒng)并應用于MD-80飛機構件的現場檢測。目前，國外已研制出高性能空氣耦合超聲換能器和成套系統(tǒng)，并逐步應用于航空航天工程領域，如：德國無損檢測技術研究所的HFUS2400 AIRTECH系列，美國ULTRAN GROUP公司的NCT/NCG系列換能器和SECONDWAVE M510系統(tǒng)、QMI公司的AS系列換能器和AIRSCAN SONDA-007CX系統(tǒng)，日本JAPAN PROBE公司的NAUT21系統(tǒng)等。在國內，周正干等[8-11]研究了空氣耦合超聲檢測的線性調頻、非線性調頻和相位編碼脈沖壓縮技術，提高了復合材料中空氣耦合超聲信號的幅度和信噪比。徐春廣等[12]研究了空氣耦合超聲換能器聲場的計算方法和測量方法及其基本聲學性質。劉戰(zhàn)捷等[13]采用SONDA-007CX空氣耦合超聲系統(tǒng)進行了蜂窩夾芯復合材料檢測試驗。但是，目前空氣耦合超聲無損檢測技術仍然沒有在航空航天工程領域得到廣泛應用，在航空航天先進復合材料的空氣耦合超聲檢測方面仍需要開展必要的試驗與驗證。

針對這一問題，筆者利用自主研制的空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)開展先進復合材料無損檢測的應用試驗，驗證了該技術在航空航天復合材料無損檢測方面的適用性，以推進其在航空航天工程領域的應用。

1　空氣耦合超聲檢測的基本原理

空氣耦合超聲檢測技術是以空氣作為耦合介質、利用空氣耦合超聲換能器激勵和接收超聲波進而檢測材料和結構中缺陷的無損檢測技術，具有完全無損和非接觸的特點，通常采用的檢測方法主要包括穿透法、脈沖反射法以及表面波法、蘭姆波法等，其中以穿透法的應用最為廣泛?；诖┩阜ǖ目諝怦詈铣暀z測原理示意如圖1所示。

圖1　穿透式空氣耦合超聲檢測技術的基本原理示意

空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)與普遍采用的液浸式超聲無損檢測系統(tǒng)類似，可通過對已有檢測系統(tǒng)進行適當改造來實現，重點是需要配置與空氣耦合超聲換能器相匹配的專用功率放大器和超低噪聲前置信號放大器，以提高空氣耦合超聲信號的幅度和信噪比。典型的穿透式空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)的基本原理示意如圖2所示。

圖2　穿透式空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)的基本原理示意

2　空氣耦合超聲無損檢測系統(tǒng)

根據空氣耦合超聲檢測技術的基本原理，建立了空氣耦合超聲無損檢測系統(tǒng)[14-16]，該系統(tǒng)的總體構成示意見圖3，實物照片如圖4所示，主要包括任意信號(函數)發(fā)生器、功率放大器、空氣耦合超聲換能器、前置放大器、數據采集卡、運動控制器、2軸運動控制器、2維掃描執(zhí)行機構和工控機等。

圖3　空氣耦合超聲無損檢測系統(tǒng)的總體構成示意

圖4　空氣耦合超聲無損檢測系統(tǒng)的實物照片

其中，采用的任意函數發(fā)生器可以生成任意信號，也可通過軟件創(chuàng)建多種自定義的波形信號(包括方波、正弦、尖脈沖及相應的脈沖串，復雜的調頻、調相等調制信號以及其他任意自定義信號)；采用的功率放大器可以將任意函數發(fā)生器產生的信號進行放大并激勵發(fā)射換能器；配置了一系列不同頻率的空氣耦合超聲換能器來激勵和接收超聲波信號；采用的前置放大器可以將接收信號的增益放大164 dB；采用了高性能的工業(yè)控制計算機作為控制中樞，計算機中安裝了高性能數據采集卡來接收放大后的空氣耦合超聲信號；采用了多軸運動控制器以匹配2維掃描執(zhí)行機構，運動控制器負責接收計算機程序設定的運動參數及采集步進電機編碼信息等功能，實現超聲掃描成像過程的運動控制，并實時運動狀態(tài)顯示，可設置的掃描范圍為1 820 mm×910 mm；最高掃描速度為250 mm·s-1；最高掃描精度為0.1mm。

基于模式化程序設計理論與方法，開發(fā)了空氣耦合超聲檢測軟件，軟件主界面如圖5所示。軟件基本功能包括：超聲信號數據實時采集和存儲、掃描過程的運動控制(設置掃描范圍、速度及步進精度等)、A型信號實時顯示(多閘門設置、采樣率、采集深度設置)、C掃描成像、A型信號及C掃描圖像存儲、缺陷分析以及其他信號分析與處理(高通、低通、帶通濾波)等。

圖5　空氣耦合超聲無損檢測系統(tǒng)的軟件主界面

同時，為提高空氣耦合超聲檢測信號的幅度和信噪比，開發(fā)了內置多種脈沖壓縮算法的專用信號處理程序模塊[8-11]，如圖6所示。

圖6　內置多種脈沖壓縮算法的專用信號處理程序模塊

在空氣耦合超聲信號處理程序模塊的開發(fā)過程中，首先基于脈沖壓縮信號處理技術的原理、實現方法及參數選優(yōu)方法，編制了可靈活設置參數的脈沖壓縮實時處理模塊，該模塊不僅可實現線性調頻、非線性調頻、相位編碼脈沖壓縮實時處理，同時具備靈活的參數設置功能(包括時寬、帶寬、激勵信號類型、窗函數、脈沖壓縮區(qū)間)；其后，編制了參數可調的小波閾值濾噪實時處理模塊，可實現小波基選取、分解層數、閾值函數等參數設置。最后，編制了基于小波閾值濾噪及脈沖壓縮聯(lián)合算法的實時處理模塊，該模塊可實現基于聯(lián)合信號處理方法的空氣耦合超聲C掃描檢測。

3　先進復合材料的空氣耦合超聲檢測

3.1GFRP蒙皮Nomex蜂窩夾芯復合材料檢測

制備了GFRP蒙皮Nomex蜂窩夾芯復合材料試樣，試樣長度為220 mm、寬度為66 mm、厚度為6 mm，蜂窩芯格邊長為3 mm。在GFRP蒙皮和Nomex蜂窩芯層之間預置10片厚度0.1 mm、直徑3～15 mm的銅箔片以模擬此類蜂窩夾芯材料中的脫粘型缺陷。

制備的GFRP蒙皮Nomex蜂窩夾芯復合材料試樣的結構形式和材料內部模擬缺陷的布置方式如圖7所示。

圖7　GFRP蒙皮Nomex蜂窩夾芯復合材料試樣結構及模擬缺陷的布置示意

基于研制的空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)進行GFRP蒙皮Nomex蜂窩夾芯復合材料檢測試驗，通過多次試驗選定適用于GFRP-Nomex蜂窩夾芯復合材料的檢測參數，其中空氣耦合超聲換能器頻率為225 kHz、焦斑直徑為1.2 mm、焦距為30.5 mm，掃描過程中的采樣點間距為1 mm。采用穿透式空氣耦合超聲C掃描方法得到的試樣圖像如圖8所示，其中可以觀測到直徑6 mm以上模擬夾雜缺陷的形狀和分布特征。

圖8　GFRP蒙皮Nomex蜂窩夾芯復合材料的空氣耦合超聲C掃描檢測

試驗結果表明：采用空氣耦合超聲無損檢測方法可以有效檢出GFRP蒙皮Nomex蜂窩夾芯復合材料中直徑6 mm以上的層間脫粘缺陷；對直徑<6 mm的脫粘缺陷，可采用常規(guī)水浸/噴水超聲檢測方法，而空氣耦合超聲檢測方法可以應用于此類材料及結構中大尺寸(直徑≥6 mm)脫粘缺陷的非接觸無損檢測。

3.2玻璃鋼、碳纖維模壓復合材料檢測

采用模壓法制備了圓形的玻璃鋼、碳纖維復合材料試樣，在試樣中預置了直徑尺寸分別為12、10、9、8、7、6、5、4、3 mm的9個圓形銅箔片模擬材料內部的分層缺陷，制備試樣的實物照片和模擬缺陷的分布如圖9所示。

圖9　玻璃鋼、碳纖維模壓復合材料試樣實物照片與模擬缺陷尺寸及分布示意

采用空氣耦合超聲系統(tǒng)進行玻璃鋼、碳纖維模壓復合材料檢測試驗，通過多次試驗選定適用于模壓復合材料的檢測參數，其中空氣耦合超聲換能器頻率為400 kHz、焦斑直徑為1.0 mm、焦距為27.94 mm，掃描步長為0.5 mm。為提高模壓復合材料中空氣耦合超聲信號的幅度和信噪比，試驗過程中采用了相位編碼脈沖壓縮和小波濾噪聯(lián)合處理方法，其參數設置界面如圖6所示。采用穿透式空氣耦合超聲C掃描方法得到的模壓復合材料試樣圖像如圖10所示，其中可以觀測到直徑5 mm以上模擬內部分層缺陷的形狀和分布特征。

圖10　玻璃鋼、碳纖維模壓復合材料試樣的空氣耦合超聲C掃描圖像

試驗結果表明：采用空氣耦合超聲無損檢測方法可以有效檢出玻璃鋼、碳纖維模壓復合材料中直徑5 mm以上的內部分層型缺陷；對直徑<5 mm且具有體積型特征的分層缺陷，可采用射線方法進行檢測，而空氣耦合超聲檢測方法可以應用于此類材料及結構中大尺寸(直徑≥5 mm)分層缺陷的非接觸無損檢測。

3.3陶瓷基(C/SiC)復合材料檢測

制備了模擬材料內部分層缺陷的C/SiC復合材料試樣。以T300碳纖維為增強材料編織成二維疊層碳布，在碳布層間預置厚度約0.2 mm的石墨紙模擬分層缺陷(石墨紙中含有圓形、橢圓、矩形的通孔，圓形通孔直徑5～15 mm，矩形通孔長×寬約10 mm×8 mm，通孔處可近似為完整區(qū)域，即不存在分層)，當碳布疊層達到標定厚度時，采用碳纖維束縫合碳布疊層，得到二維預制體；采用化學氣相沉積法在二維預制體上沉積熱解碳界面層，并通過化學氣相沉積法制備SiC基體，得到厚度約為4.2 mm的C/SiC復合材料試樣，試樣幾何尺寸(長×寬×厚)約200 mm×100 mm×4.2 mm。制備的C/SiC復合材料試樣實物和缺陷分布示意如圖11所示，其中缺陷分布圖中的灰色矩形區(qū)域為預置石墨紙，石墨紙中的白色圓形和矩形區(qū)域為不同形狀的通孔。

采用空氣耦合超聲系統(tǒng)進行陶瓷基(C/SiC)復合材料檢測試驗，通過多次試驗選定適用于C/SiC復合材料的檢測參數，其中空氣耦合超聲換能器頻率為120 kHz、焦斑直徑為1.8 mm、焦距為36.7 mm，掃描步長為1.0 mm，掃描范圍如圖11(b)中虛線矩形區(qū)域所示。采用穿透式空氣耦合超聲C掃描方法得到的試樣圖像如圖12所示，其中可以觀測到模擬分層缺陷的形狀和分布特征。

圖11　模擬材料內部分層的C/SiC復合材料試樣

圖12　C/SiC復合材料試樣的空氣耦合超聲C掃描圖像

試驗表明：采用空氣耦合超聲無損檢測方法可以有效檢出陶瓷基(C/SiC)復合材料內部的大尺寸面積型分層缺陷，并且可以表征C/SiC復合材料內部直徑5 mm以上的分層/非分層區(qū)域。

4　結論

(1) 自主研制了一套空氣耦合超聲無損檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置了專用的空氣耦合超聲信號處理程序模塊，可實現線性/非線性調頻脈沖壓縮算法、相位編碼脈沖壓縮算法和小波濾噪算法，以及脈沖壓縮/小波濾噪聯(lián)合處理算法，能夠有效提高空氣耦合超聲信號的幅度和信噪比。

(2) 空氣耦合超聲無損檢測方法可以有效檢出GFRP蒙皮Nomex蜂窩夾芯復合材料中直徑6 mm以上的層間脫粘缺陷；對直徑<6 mm的脫粘缺陷，可采用常規(guī)水浸/噴水超聲檢測方法，而空氣耦合超聲檢測方法可以應用于此類材料及結構中大尺寸(直徑≥6 mm)脫粘缺陷的非接觸無損檢測。

(3) 空氣耦合超聲方法可檢出玻璃鋼、碳纖維模壓復合材料中直徑5 mm以上的內部分層缺陷；對直徑<5 mm且具有體積型特征的分層缺陷，可采用射線方法進行檢測，而空氣耦合超聲檢測方法可以應用于此類材料及結構中大尺寸(直徑≥5 mm)分層缺陷的非接觸無損檢測。

(4) 空氣耦合超聲方法可檢出陶瓷基(C/SiC)復合材料內部的大尺寸面積型分層缺陷，并且可以表征C/SiC復合材料內部直徑5 mm以上的分層/非分層區(qū)域。

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Application of Air-Coupled Ultrasonic Technology for Nondestructive Testing of Aerospace Composites

WEI Quan1,JIN Cui-e1,ZHOU Jian-ping1,ZHOU Zheng-gan2,3,SUN Guang-kai2

(1.Shanghai Aerospace Research Institute of Precision Machinery,Shanghai 201600,China;2.School of Mechanical Engineering and Automation,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China;3.The Collaborative Innovation Center for Advanced Aero-Engine (CICAAE),Beijing 100191,China)

Various kinds of composite materials with simulated defects are prepared as specimen,including the GFRP-Nomex honeycomb sandwich composites,molded composites,and ceramic matrix composites. An air-coupled ultrasonic testing system with dedicated signal processing unit is self-developed and the corresponding experiments are conducted based on the system. The nondestructive testing of the composite specimens with simulated defects are realized,including the detection of disbonding in GFRP-Nomex honeycomb sandwich composites,the testing of delamination in molded composite structures,and the detection of delamination in C/SiC composites. The results prove that the air-coupled ultrasonic testing technology is applicable for the noncontact testing of honeycomb sandwich composites,molded composites,and ceramic matrix composites. It has a wide range of applications in aerospace industry.

Air-coupled ultrasonic;Nondestructive testing;Composite;Aerospace

2016-03-31

中國航天科技集團公司航天科技創(chuàng)新基金資助項目(CASC06)。

危荃(1984-),女，碩士，高級工程師，主要研究方向為無損檢測新技術，E-mail:which2003@163.com。

周正干(1967-)，男，博士，教授，博士研究生導師，主要研究方向為無損檢測與計算機測控技術，E-mail：zzhenggan@buaa.edu.cn。

10.11973/wsjc201608002

TB553;TG115.28

A

1000-6656(2016)08-0006-06