無損檢測技術在飛機復合材料修理中的應用

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在飛機復合材料構件修理中具有重要意義。文章介紹了適用于飛機復合材料構件的無損檢測技術，對其在飛機修理檢測中應用的優勢、適用范圍以及原因進行探討。結果表明，結合實際檢測的各種環境，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對復合材料構件損傷進行綜合評判以及新技術的工程化應用。

關鍵詞：復合材料;無損檢測;應用

中圖分類號：V250.2 文獻標志碼：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

復合材料具有高強度、高模量重量比、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損以及抗氧化等優良性能，并大量應用在飛機的外翼、安定面、方向舵等主承力結構。在飛機高強度的訓練以及飛行中，由于承載、承壓和環境因素的影響，復合材料構件容易出現分層、脫粘、沖擊損傷、開裂、積水等損傷，造成復合材料構件性能下降。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，在飛機復合材料構件檢測中發揮了重要作用。

1 飛機復合材料構件損傷特點

飛機復合材料構件主要分為纖維增強型樹脂層壓結構和蒙皮-蜂窩芯結構，復合材料構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生分層、脫粘、夾雜、孔隙等各類原始缺陷。當飛機服役時，受到載荷、振動、濕熱酸堿等環境因素，導致纖維增強樹脂層壓結構部件中原始缺陷的擴展以及新的分層、脫粘、撕裂等損傷的產生，蒙皮-蜂窩芯結構部件也可能出現原始缺陷的擴展，或者產生新的分層、脫粘、蜂窩芯積水、蜂窩芯壓塌等問題。

2 飛機復合材料構件的常用無損檢測技術

目前，飛機符合材料構件常見損傷主要是復合材料層壓結構的分層損傷、蒙皮壁板與T字型加強筋條的脫粘損傷、T字型加強筋條分層損傷以及蒙皮-蜂窩結構的脫粘損傷、蜂窩芯壓塌以及蜂窩芯積水等。現針對飛機復合材料結構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 常規超聲檢測技術

超聲波檢測技術是常規的無損檢測技術之一。原理是超聲波在材料內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界面就會發生聲波反射，通過測量反射回波的時間、透射強度變化來判斷損傷的類型、大小以及位置。在飛機復合材料構件的現場檢測中，常使用脈沖反射法對復合材料構件進行檢測，通過A型掃描顯示的幅值、位置對復合材料構件損傷進行判定。超聲波檢測出復合材料中分層、脫粘等損傷。超聲波檢測的優勢是穿透能力大，探傷靈敏度高，檢測時可逐點覆蓋檢測面，設備簡單便攜。超聲波檢測技術常用于飛機外翼、水平安定面、垂直安定面、方向舵等大型復合材料構件的檢測。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，超聲檢測方法難以對所有類型復合材料進行檢測。另一方面，超聲檢測結果并非十分直觀，對缺陷和損傷的判斷需要有經驗的操作人員。目前，便攜式超聲波檢測儀在飛機復合材料構件檢測中的應用最為廣泛。

2.2 超聲相控陣快速成像檢測技術

超聲相控陣成像檢測是一種快速的檢測方式。其原理是檢測系統按照一定的規則和時間順序激發一組探頭晶片，通過調整晶片的序列、數量、時間來控制波束的形狀、線軸的偏轉角度及焦點位置等參數從而進行自動化電子掃查檢測的模式。在飛機復合材料構件現場檢測中，常用一種便攜式手動超聲相控陣快速成像檢測系統，與常規相控陣不同的是，該超聲相控陣檢測系統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射超聲脈沖聲束，當進行聲束掃描時，沒有聲束的偏轉與聚焦。超聲相控陣成像檢測技術能夠直觀顯示復合材料構件的結構和內部損傷，通常用于現場檢測飛機外翼蒙皮壁板、垂直安定面的分層和脫粘損傷。相比于常規超聲波檢測，超聲相控陣像檢測技術具有效率高、定位準的優勢，尤其適合檢測大型復合材料構件。

2.3 聲阻檢測技術

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

2.4 X射線檢測技術

X射線照相檢測技術是最直觀的無損檢測技術，當復合材料構件出現損傷時，穿透構件的X射線強度會發生變化，使射線膠片影響黑度發生變化。對于復合材料構件檢測而言，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構的垂直安定面等構件。

3 飛機復合材料構件的其他檢測技術及應用研究現狀

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

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檢測結構的檢測方法。紅外熱像檢測技術可用于檢測復合材料的分層、沖擊損傷、脫粘等缺陷。紅外熱像檢測技術最突出的優勢在于檢測過程快，操作簡單，能夠獲得時效性的信息，并且該技術在檢測過程中不需要對測件表面進行預處理，也不受待測件外形的影響。但紅外熱像檢測技術也有一些缺點，楊小林等人[1]對某新型戰機機頭雷達罩蜂窩夾芯結構件進行紅外熱成像檢測，結果表明這種檢測方法能夠得到復合材料構件損傷的位置、大小、及形狀等信息，但是由于脈沖激勵范圍有限，無法對檢測件進行全面檢測。劉穎韜等人[2]對某雷達進行維修前的現場脈沖熱成像檢測，結果表明這種方法難以檢測出埋深較深的缺陷，并且成像結果容易受到導熱影響，使得圖像邊界模糊。

激光散斑檢測技術是利用計算機對物體變形前兩個數字相關散斑場做相減運算，從而得到相關條紋圖像，當有缺陷時，條紋發生畸變，形成“牛眼形圖案”。該檢測技術具有非接觸、全面檢測的優勢，可檢測出下料的分層、脫粘、夾雜等缺陷。相關研究表明，激光散斑檢測技術仍存在一定的局限性，使其難以應用于實際飛機修理檢測當中。楊慶峰[3]等人使用LT1-6002S激光散斑檢測系統對飛機鋁蜂窩復合材料結構試塊進行檢測，結果發現，激光散斑檢測技術對飛機鋁蜂窩結構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，對于激光散斑的結果判定，需要結合聲阻檢測結果。王玨[4]等人對碳纖維復合材料層壓結構進行激光錯位散斑檢測，結果發現對于埋深較大，尺寸較小的缺陷，檢測較為困難。涂俊[5]等人對鋁蜂窩結構進行激光錯位散斑和超聲C掃描檢測結果對比，結果表明激光錯位散斑檢測速度快，但影響檢測結果的因素很多，且僅適用于近表面缺陷檢測，檢測靈敏度低。

4 分析討論

通過適當的方法對飛機復合材料構件進行檢測是發現缺陷和損傷的重要技術手段。適用于復合材料的無損檢測技術很多，能夠真正有效應工程化應用在飛機復合的材料構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于檢測出所有缺陷類型，所以對某一個復合材料構件，需要使用多種無損檢測方法來對構件損傷進行評估。二是構件形狀和檢測環境的限制。一方面，飛機在內場修理時，復合材料構件在裝機之前必須進行嚴格的檢測，復合材料結構件大多為全封閉或者半封閉的中空結構，限制了檢測設備的使用。另一方面，飛機在外場修理時，復合材料構件往往不便于分解和拆卸，這就要求必須對其進行原位檢測，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 結束語

在飛機修理中，復合材料構件的無損檢測結果是確定復合材料構件損傷修復的關鍵環節。不同的檢測方法都具有各自的不同的優點和局限性，在實際檢測中，應該充分考慮復合材料構件的材料類型、結構特征、損傷類型、損傷區域等因素，結合多種檢測方法對損傷進行判斷。對于新的檢測方法的應用，應積極探索，以適應飛機修理時各種環境下的原位檢測條件。

參考文獻：

[1]楊小林，代永朝，等.紅外熱波技術在飛機復合材料損傷檢測中的應用[J].無損檢測，2007，29（4）：200-202.

[2]劉穎韜，郭廣平，楊黨綱，等.脈沖熱像法在航空復合材料構件無損檢測[J].航空材料學報，2012，32（2）：72-76.

[3]楊慶峰，孫金立，胡丑，等.飛機蜂窩復合材料的典型缺陷檢測[J].無損檢測，2019，41（12）：45-48.

[4]紀瑞東，張旭剛，王玨.飛機復合材料構件的原位紅外熱成像檢測[J].無損檢測，2016，38（1）：13-16.

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