摘 要:对一种含超材料的结构功能一体化复合材料试块进行了超声 C扫描和 A 扫描检测。 针对5MHz探头无法检出近表面分层及15MHz探头声波无法穿透试块的问题,研发定制了具备 高分辨力和高穿透力的超声换能器,建立了适用于含超材料的结构功能一体化复合材料的超声检 测方法和特征缺陷判定方法,并对某典型结构件开展了实际检测。结果表明:超声喷水式穿透法可 以有效检测出分层、脱黏等缺陷,适合制造阶段的检测;使用定制的改进型高频探头进行接触式检 测,能可靠、直观地检测出材料的内部结构和缺陷信息,适合装配和在役阶段的检测。
关键词:超材料;电磁微结构;复合材料;超声波检测
中图分类号:TG115.28 文献标志码:A 文章编号:1000-6656(2022)07-0055-05
超材料是由亚波长结构单元构成的人工复合电 磁材料,其通过结构单元中特殊电磁模式的激发,可 以实现 自 然 材 料 无 法 实 现 或 很 难 实 现 的 独 特 功 能[1-2]。含超材料的结构功能一体化复合材料更是 一种兼具了某种电磁功能与结构承载功能的新型结 构。随着现代航空航天技术的发展以及武器装备的 不断更新换代,含超材料的结构功能一体化制件因 其独特的功能特征正逐步应用于航空航天领域。
超声检测技术对于含超材料的结构功能一体件 是否仍然适用,目前国内鲜有相关研究。实际生产 检测中发现,相比传统复合材料,超材料会呈现出一 些特殊的超声表征,石英纤维预浸料的单层厚度是 碳纤维的1/2,使用常规的超声检测手段无法同时 发现近表面缺陷和远表面缺陷。
文章采用穿透法和反射法对某种含超材料的结 构功能一体化复合材料试块进行了超声检测试验, 确定了适用于零件各个工序阶段的检测方法;针对 常规探头近表面分辨力与穿透性无法同时兼顾的问 题,研发定制了改进型高频探头,通过检测效果对比和检测实例验证,确定了一次扫查就能可靠识别出 材料内部所有缺陷的检测方法,为后续检测工作奠 定基础。
1 试验制备与检测过程
1.1 检测试块
检测对象为含某种超材料的石英纤维层压板与 碳纤维层压板黏接结构试块,采用热压罐二次固化 成型。为了保证超材料与基体材料之间的强度,超 材料两侧与石英纤维预浸料均使用胶膜进行黏接。
试块整体厚度为3.095mm,超材料置于石英纤 维层板中(约为0.46mm 深度处),石英纤维预浸料 的单层理论厚度为0.09mm。
试块中预埋了双层聚四氟乙烯薄膜制成的人工 缺陷,缺陷直径为6mm,分别预埋在不同的深度位 置上,包括石英纤维层板的上表面2~3层之间、超 材料与胶膜之间、石英纤维层板的下表面2~3层之 间,以及石英纤维层板与碳纤维层板之间的胶接界 面、碳纤维层板的上表面2~3层间、中间层和下表 面2~3层间。试块的铺层结构及人工缺陷的预埋 位置如图1、图2所示。
1.2 设备与探头
分别采用喷水穿透法 C 扫描和接触反射法 A 扫描两种方法对试块进行检测。超声 C 扫描采用 NUSCAN 型超声喷水穿透法 C 扫描检测系统;超 声换能器为水浸平探头,晶片直径为19 mm,频率 为5MHz;喷嘴直径为6mm。反射法超声 A 扫描采用声纳公司制造的 Masterscan700型超声波检测 仪,探头晶片尺寸为0.25inch(1inch=25.4 mm) 的延迟平探头,探头频率为5~15MHz。
1.3 检测过程
喷水穿透法使用平探头时,应使被检件处于发 射探头与接收探头的有效工作区内,即近场距离前 后。把水程距离调整到探头的近场距离附近,使试 块位于超声波声场的最后一个声压极大值处。
由于穿透法只能检测在声传播路径中相对声束 而言尺寸较大的缺陷[3],故喷嘴直径应不大于人工 缺陷的大小,以保证能够清晰显示需检出的人工缺 陷。检测过程中需随时保持两探头的声束轴线与试 块表面垂直。
接触式反射法对缺陷的检测能力在很大程度上 取决于探头的频率。频率高时,声波波长短、声束 窄、扩散角小、能量集中,因而发现小缺陷的能力强, 空间分辨力好,但声波在材料中的衰减随频率的增 高而增大,故穿透力较低。因此,高分辨力和高穿透 力对于普通延迟平探头而言很难兼得。
针对衰减率大于碳纤维的石英纤维,在选择探 头频率时,若对近表面分辨力的要求较高,则势必会 牺牲声波的穿透能力,因此应根据制件的厚度和空 间分辨力的需求进行综合考量。
试块的一侧是单层厚度为0.09 mm 的石英纤 维层板,人工缺陷预埋在近表面2~3层间,声波需 从石英纤维层板一侧入射,故近表面分辨力要求为 可分辨0.18mm 的?6mm 分层,根据石英纤维的 高衰减率和试块整体厚度较大的客观情况,文章选 取了5MHz和15 MHz两种频率的探头进行对比 分析。
2 结果与讨论
2.1 C扫描检测结果
试块的穿透法 C 扫描检测结果如图 3 所示。 由图3可见,9个缺陷均有明显显示;优区的衰减均匀,无缺陷显示。
试块 C扫描人工缺陷的检测数据如表1所示, 缺陷的检测尺寸均在精确尺寸的±25%以内,满足 设备允许的误差范围;缺陷区与非缺陷区的平均衰 减差约为10dB,可以达到评定缺陷的灵敏度标准, 与常规碳纤维预浸料复合材料制件的检测结果相 比,无明显差异。
由此可见,穿透法 C 扫描能够有效检测出试块 中预埋在不同深度处的人工缺陷,缺陷的显示尺寸 和评定门槛值可以满足工程化检测的需求。
2.2 A扫描检测结果
探头在试块上按照规定的扫描路径进行扫查, 使声束全部覆盖试块待检测部位。对试块的非缺陷 区进行大量的 A 扫描检测试验,5MHz探头的波形 如图4所示。
由图4可见,试块的表面回波和底面回波清晰 可见,且波幅较高,两者之间对应深度的时域位置存 在超材料界面波和板板黏接的胶膜波,其中超材料 界面波的脉冲宽度较宽而与表面回波相连,其波幅 高度略低于表面回波的波幅高度。超材料界面波达 到80%FSH(满 屏 高 度)时,底 面 回 波 达 到 40% FSH,且随着探头在非缺陷区的移动,超材料界面 波高保持不变。
当探头置于超材料与石英纤维层板之间的脱 黏、石英纤维层板与碳纤维层板之间的脱黏、石英纤 维层板的下表面以及碳纤维的上表面/中间层/下表 面的分层缺陷(即2 # ~9 # 缺陷)上时,在时基线上 对应深度的时域位置出现人工缺陷的反射回波,同 时底波消失。人工缺陷的波幅高度均满足4∶1的信 噪比要求。
由图4和脉冲反射法的原理可知,超声波能够 穿透材料内部的超材料和胶膜到达试块底面并发生 反射,超材料界面波波幅较高代表一部分声波被阻 挡产生了较强的反射,故该超材料薄膜对于超声波 具有反射性与透射性的双重特点。
石英纤维层板内近表面缺陷(即1 # 缺陷)的 A 扫波形如图5所示(使用5MHz探头),由于始脉冲 宽度大,近表面分层缺陷的反射回波淹没在表面回 波之中,无法有效识别。
使用15MHz探头对试块采用同样参数进行检 测,非 缺 陷 区 和 近 表 面 分 层 缺 陷 的 A 扫 波 形 如 图6,7所示。
由图6可知,15MHz探头的始脉冲宽度窄,盲 区较小,表面回波与超材料界面波可从时域位置上 显著区分。由于高频声波的波长较短,穿透力较差, 故超材料界面波和胶膜波的波幅较低,底面回波信 号微弱。当探头置于2 # ~9 # 缺陷上时,反射回波 的信噪比小于2∶1,缺陷不易分辨,而更窄的脉冲宽 度能够有效提高探头的纵向分辨力,靠近表面的分层则更容易被识别[4](见图7)。
由此可见,5MHz探头可以穿透试块得到波幅 稳定的底面回波并能识别出其内部的结构特征,却 没有足够的分辨力识别近表面分层;15 MHz探头 的近表面分辨力很好但穿透力不足。为此,研发了 一款改进型高频延迟平探头,以解决两者不可兼顾 的问题。
2.3 改进与对比分析
改进的探头频率为15 MHz,在不改变检测条 件的情况下,其对试块的检测波形如图8,9所示,可 见其表面回波的脉冲宽度较常规5MHz探头的脉 冲宽度减少了 50%,近表面分 层 缺 陷 清 晰 可 分 辨 (见图8,9)。同时,改进型探头对于非缺陷区的穿 透力与 5 MHz探 头 的 相 近,明 显 优 于 同 类 型 的 15MHz探头。
在相同的检测条件下,对改进型15 MHz延迟 平探头与常规5 MHz和15 MHz探头的检测效果分别进行了对比分析,结果如表2所示。
改进型15 MHz探头兼具了5 MHz探头的穿 透力、信噪比以及15MHz探头的近表面分辨力,同 时在空载脉冲周数和始脉冲宽度上优于另两个探 头,具有更高的纵向分辨力。
3 检测实例
对某型号飞机结构功能一体化零件的局部含超 材料区域(在装配钻孔后)进行了超声检测。该区域 所用的材料、铺层和结构形式与上文所述的试块相 近,即内部铺贴了超材料膜的石英纤维层板与碳纤 维层板的板板胶接结构。由于零件处于装配阶段, 采用接触式反射法进行 A 扫描检测。探头在零件 上按照规定的扫描路径移动,以使声束全部覆盖零 件的待检测部位。
使用常规5 MHz探头对该零件进行大范围的 A 扫描,得到的两种典型波形如图10,11所示。
典型波形1的表面回波脉冲宽度为2.5周,超材 料界面波、胶膜波与底面回波相距很近,底波波幅高 度约为20%FSH,在该扫描区域缓慢移动探头时,波形基本保持不变。该类波形表示零件内部无缺陷。
典型波形2的表面回波清晰可见,脉冲宽度为 2.5周,在表面回波之后无其他反射回波,无法从波形 图中判断引起超材料界面波、胶膜波和底面回波消失 的原因。该类波形表示零件的对应区域存在异�！�
使用改进型15HMz探头对待检测部位进行重 新扫查,得到内部无缺陷区域的波形如图12所示, 可见,表面回波的脉冲宽度为 1.5 周,超材料界面 波、胶膜波与底波之间有一定间距可明显区分,底波 波幅高度为20%FSH。对出现典型波形2的区域, 使用改进型15 HMz探头扫查得到的波形如图13 所示,可见,在表面回波之后靠近表面回波的位置出 现一处明显的反射回波,同时超材料界面波、胶膜波 和底波消失。由此可以判断该区域靠近入射面近表 面处存在分层缺陷,缺陷深度约为零件厚度的1/13。
对比 改 进 前 后 探 头 的 检 测 结 果 可 知,改 进 型 15MHz延迟平探头可以显著改善始脉冲的周数和 脉冲宽度,提高近表面分辨力,同时底波波幅相同, 说明其穿透力与常规5MHz探头相当,能够检测整 个工件厚度范围内不同深度的缺陷。
4 结语
(1)超声穿透法 C扫描检测能够有效检测出试 块中预埋在不同深度的分层和脱黏缺陷,缺陷的显 示尺寸和评定门槛值能够满足制造阶段工程化检测 的需求。
(2)对于反射法超声 A 扫描检测,当采用常规 5MHz探头检测时,无法有效区分近表面0.18mm 的分层缺陷,其他深度的人工缺陷均可检出;使用常 规15MHz探头可以分辨近表面缺陷,但穿透力不 足,无法有效检测其他深度的缺陷。
(3)使用改进型15MHz延迟平探头能够弥补 常规5MHz和15 MHz探头在检测结构功能一体 化复合材料时的弊端,可同时具备高分辨力和高穿 透力的特性,能够通过一次检测发现试块中的所有 缺陷,有效提高检测效率,适合受检测面限制的装配 及在役检测。
参考文献:
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<文章来源>材料与测试网>期刊论文>无损检测>44卷>7期(pp:55-59)>