復(fù)合材料槳葉無損檢測技術(shù)研究進展

傅天航，劉松平，劉菲菲，高軍鵬

(中國航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300)

纖維增強樹脂基復(fù)合材料(以下簡稱復(fù)合材料)由于其質(zhì)量輕、比強度和比剛度高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、綠色能源領(lǐng)域[1-2]。同時，復(fù)合材料可以通過一系列的表面噴涂工藝處理，提高耐腐蝕、耐高溫、抗雷擊等性能，使其能夠在復(fù)雜的化學(xué)和溫度環(huán)境中服役使用[3]。

復(fù)合材料的可裁剪設(shè)計以及不同鋪層的選擇，非常有利于調(diào)整復(fù)合材料槳葉的質(zhì)量分布及其揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)剛度分布，從而達到預(yù)定的設(shè)計要求，并且與傳統(tǒng)金屬材料相比，在同樣機械強度要求下，復(fù)合材料比鋼減重30%[4]，因此，復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于制造輕量化槳葉[5]，如航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片、直升機旋翼槳葉和風(fēng)力發(fā)電機葉片等。在航空發(fā)動機方面，美國GE公司率先在其GE90系列發(fā)動機上使用增強纖維為碳纖維的復(fù)合材料，這比鈦合金夾芯結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇葉片更輕，在抗振性能方面也優(yōu)于鈦合金，抗鳥撞能力和低噪聲指標(biāo)也獲得了適航當(dāng)局的批準(zhǔn)[6]。在直升機領(lǐng)域，復(fù)合材料旋翼槳葉被設(shè)計和使用，是對傳統(tǒng)金屬直升機槳葉的一個進化，如A109C直升機及其后續(xù)型號中，復(fù)合材料主旋翼槳葉取代了傳統(tǒng)道的金屬(鋁基)槳葉。

復(fù)合材料的制造涉及許多復(fù)雜的工藝程序。在這些工藝過程中可能會在復(fù)合材料制件內(nèi)部產(chǎn)生各種類型的缺陷，這些缺陷會引起嚴(yán)重的安全問題[7]。

由于復(fù)合材料通常是非均質(zhì)和各向異性的，檢測和評估以保持結(jié)構(gòu)完整性尤其具有挑戰(zhàn)性[8]。復(fù)合材料槳葉結(jié)構(gòu)、制造工藝和服役環(huán)境復(fù)雜，在不同的結(jié)構(gòu)區(qū)會產(chǎn)生不同程度的缺陷和損傷。此外，復(fù)合材料槳葉內(nèi)部的應(yīng)力積累與結(jié)構(gòu)強度、剛度和壽命預(yù)測密切相關(guān)。因此，可靠的復(fù)合材料槳葉無損檢測技術(shù)對于減少安全隱患、降低維護成本、減少停機至關(guān)重要。

目前，針對復(fù)合材料槳葉的無損檢測技術(shù)已經(jīng)開展了一些研究[9-10]。每種無損檢測技術(shù)具有各自的優(yōu)點和使用局限性，并且沒有統(tǒng)一的檢測標(biāo)準(zhǔn)或工藝規(guī)范規(guī)定不同無損檢測技術(shù)的適用階段[11]。筆者針對復(fù)合材料槳葉的結(jié)構(gòu)特點，分析了復(fù)合材料槳葉的典型缺陷，介紹了目視、超聲、X射線、紅外熱成像以及聲發(fā)射等無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及在復(fù)合材料槳葉無損檢測方面的應(yīng)用情況。

1 復(fù)合材料槳葉典型缺陷類型

復(fù)合材料槳葉一般由蒙皮、大梁和內(nèi)腔填充物(Nomex蜂窩)等制件組成[12]。在復(fù)合材料槳葉制造過程中，蒙皮與大梁、蒙皮與蜂窩之間通過膠膜粘接，由于膠膜的缺失，會在蒙皮與大梁、蒙皮與蜂窩之間產(chǎn)生脫粘缺陷；蒙皮和大梁由于樹脂的缺失，會產(chǎn)生分層、孔隙缺陷。

復(fù)合材料槳葉面臨著惡劣復(fù)雜的使用環(huán)境，容易受到潮濕、高低溫、腐蝕、疲勞、雷擊等的破壞。Li Dongsheng等[13]的研究成果表明，復(fù)合材料槳葉在服役過程中會產(chǎn)生蒙皮-大梁脫粘、蒙皮-蜂窩脫粘、大梁/蒙皮分層、沖擊損傷、蜂窩區(qū)鼓包/塌陷等缺陷。表1給出了復(fù)合材料槳葉中常見的分層、孔隙、脫粘和沖擊損傷缺陷的分布位置。

表1 復(fù)合材料槳葉常見缺陷分布位置

2 復(fù)合材料槳葉無損檢測技術(shù)

直升機主軸旋轉(zhuǎn)速度可達300～400 r/imn，復(fù)合材料槳葉葉尖的速度會達到290 m/s，而對于風(fēng)力發(fā)電機的復(fù)合材料槳葉，其長度超過50 m，這使得復(fù)合材料槳葉成為直升機和風(fēng)力發(fā)電機中承受壓力最大的部件之一。因此，對復(fù)合材料槳葉進行無損檢測至關(guān)重要。

20世紀(jì)70年代以來，復(fù)合材料無損檢測技術(shù)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。在早期，幾乎所有復(fù)合材料的無損檢測方法都來自于金屬材料。目前，針對復(fù)合材料槳葉的無損檢測研究較少，主要是針對復(fù)合材料中常見的分層、孔隙、脫粘和沖擊損傷缺陷及其分布特點，國內(nèi)外研究人員取得了一些進展，從而間接驗證這些無損檢測技術(shù)在復(fù)合材料槳葉中的應(yīng)用效果[14-17]。這些研究主要集中在超聲[18-22]、X射線[23-24]、目視[25]和聲發(fā)射術(shù)[26-28]等無損檢測技術(shù)。

2．1 超聲檢測技術(shù)

超聲檢測技術(shù)是通過超聲換能器發(fā)射/接收頻率高于20 kHz的超聲波，利用復(fù)合材料和缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對超聲波傳播路徑的影響，根據(jù)超聲換能器接收的聲波反射信號獲取缺陷特征信息。

超聲檢測技術(shù)是目前應(yīng)用最廣的無損檢測技術(shù)，國內(nèi)外針對超聲檢測技術(shù)開展了大量的研究工作[29-32]。E. Jasiūnien?等[33]開發(fā)了一種基于可移動水箱的水浸接觸式脈沖超聲檢測方法，并對復(fù)合材料槳葉進行了超聲C-掃描和超聲B-掃描檢測，最小可檢測缺陷為19 mm。T. R. Hay等[34]采用超聲檢測技術(shù)對CH-53直升機主旋翼槳葉進行了無損檢測試驗，超聲換能器頻率為0.5 MHz。試驗結(jié)果表明，超聲檢測方法對復(fù)合材料槳葉蜂窩區(qū)域有很好的檢測能力。

C. Meola等[35]為了研究超聲檢測技術(shù)的檢測能力，設(shè)計了代號為CFRP_A和CFRP_B兩種碳纖維增強復(fù)合材料試塊，用于模擬復(fù)合材料槳葉中的分層和沖擊損傷缺陷。CFRP_A長度113 mm，寬度63 mm，厚度4.59 mm，在距離表面4個鋪層的位置預(yù)埋了兩層聚酰亞胺薄膜，單層聚酰亞胺薄膜厚度為0.062 5 mm。CFRP_B尺寸為500 mm×500 mm，采用0/90°/+45/-45°多向鋪層鋪疊，并分別用18，29，39 J的能量進行沖擊。檢測結(jié)果表明，超聲檢測技術(shù)對復(fù)合材料中的分層和沖擊損傷有很好的檢測效果，可以提供缺陷的整體圖像，同時可以通過不同的成像方式，在深度方向上再現(xiàn)缺陷的分布特征。

Zhang Zhen等[36]采用數(shù)值模擬和超聲檢測方法，對含有彎曲狀纖維的復(fù)合材料試樣進行了研究，詳細(xì)研究了復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)和多種缺陷類型給超聲檢測信號造成的影響。

M. E. Ibrahim等[37]針對復(fù)合材料中分層缺陷對脈沖超聲的影響進行了定量研究，該研究特別關(guān)注脈沖超聲與分層或弱粘接的相互作用機理，以及超聲檢測技術(shù)對分層和弱粘接缺陷可檢性的影響。

A. E. Pylaev等[38]研究了復(fù)合材料的聲學(xué)性能，研究結(jié)果表明，超聲波在復(fù)合材料中的傳播特性與復(fù)合材料種類和纖維含量有關(guān)，如聲速與超聲波頻率無關(guān)，而超聲波衰減則受頻率影響很大。

D. Palumbo等[39]針對復(fù)合材料槳葉中常見的脫粘缺陷進行了研究，研究對象為經(jīng)過力學(xué)測試的試驗件，試驗件按照ASTM D3165制作，研究結(jié)果表明，超聲檢測技術(shù)對復(fù)合材料槳葉力學(xué)試驗后產(chǎn)生的脫粘缺陷具有很好的檢測能力。

丁珊珊等[40]基于仿真和數(shù)值計算方法，揭示了孔隙形貌的隨機復(fù)雜性導(dǎo)致復(fù)合材料孔隙率與超聲衰減系數(shù)之間呈現(xiàn)非唯一對應(yīng)關(guān)系。I. Pelivanova，M. Schwarz和C. A. Leckey等[41-43]也對復(fù)合材料的超聲檢測技術(shù)進行了研究，結(jié)果表明，超聲檢測技術(shù)對復(fù)合材料中的分層、脫粘、孔隙和沖擊損傷等缺陷具有很好的檢測效果。美國材料實驗協(xié)會頒布了標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2580 -2017 (航空航天用平板復(fù)合材料和夾層芯材的超聲波測試用標(biāo)準(zhǔn)實施規(guī)程)用于規(guī)范復(fù)合材料的超聲檢測。

上述研究結(jié)果表明，超聲檢測技術(shù)對復(fù)合材料槳葉中的分層、孔隙、脫粘和沖擊損傷等缺陷具有很好的檢測效果，缺陷定性定量準(zhǔn)確，沒有繁瑣和復(fù)雜的零件準(zhǔn)備過程。但超聲無損檢測技術(shù)對檢測人員的技術(shù)要求和培訓(xùn)要求較高，并需具備一定的從業(yè)經(jīng)驗。超聲檢測過程中，需要近距離接觸復(fù)合材料槳葉，同時對檢測儀器進行校驗和對檢出缺陷進行評估需要專用參考試塊。這些不足限制了超聲無損檢測技術(shù)在復(fù)合材料槳葉無損檢測領(lǐng)域中應(yīng)用和推廣。

2．2 X射線檢測技術(shù)

X射線檢測技術(shù)是利用專門的感光膠片記錄射線的感光強度，然后通過對膠片進行化學(xué)處理，形成黑度底片，借助專門的觀光燈，通過對底片黑度的觀察分析，確定被照射部位是否存在缺陷。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，感光膠片逐漸被數(shù)字圖像平板接收器取代，發(fā)展成為數(shù)字射線檢測技術(shù)。

在X射線檢測技術(shù)方面，研究人員開展了一些研究工作。M. Balaskó等[44]為了檢測匈牙利軍隊使用的Mi-8型和Mi-24型直升機旋翼葉片中可能存在的缺陷，在布達佩斯研究反應(yīng)堆進行了X射線檢測試驗。試驗結(jié)果表明，X射線檢測技術(shù)可檢出蜂窩-蒙皮膠接界面處的脫粘缺陷，同時對蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部的積水也有很好的檢測效果。

S. C. Garcea等[45]研究了復(fù)合材料計算機斷層掃描(CT)成像檢測技術(shù)方面的主要參數(shù)對檢測結(jié)果和缺陷定量、定性評估方面的影響。Chen Xiao[46]利用CT技術(shù)對復(fù)合材料槳葉蒙皮的分層缺陷進行了試驗研究和分析。K. Bliznakova等[47]開發(fā)了一種用CT成像技術(shù)模型，在模擬仿真試驗中采用開發(fā)的CT成像檢測技術(shù)模型對復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)和三維編織結(jié)構(gòu)中的孔隙和夾雜缺陷進行了仿真試驗，試驗結(jié)果表明，開發(fā)的CT成像檢測技術(shù)模型可以用于復(fù)合材料的無損檢測。

E. Dilonardo等[48]采用CT檢測方法評估了復(fù)合材料的孔隙率。結(jié)果表明，在兩種不同分辨率下(5 μm/像素、15 μm/像素)測得的孔隙率分布具有一定差異，但孔隙率的分布趨勢基本一致。I. Hanhan等[49]采用X射線檢測技術(shù)對不連續(xù)玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)、孔隙體積分?jǐn)?shù)、纖維取向分布和纖維長度分布進行了研究。K. I. Tserpes等[50]提出了一種利用CT數(shù)據(jù)模擬含有孔隙缺陷的復(fù)合材料力學(xué)行為的數(shù)值計算分析方法，并利用VG Studio MAX軟件對檢測到的孔隙進行了分析。

上述研究結(jié)果表明，X射線檢測技術(shù)是一種非常有效的非接觸檢測技術(shù)，可有效檢出復(fù)合材料槳葉中脫粘、蜂窩積水、孔隙和夾雜等缺陷，也可對纖維體積含量等特征參數(shù)進行測量，也可表征復(fù)合材料內(nèi)部纖維走向和分布特點。但X射線對人體有害，檢測場地需做好防護。

2．3 目視檢測技術(shù)

目視檢測技術(shù)是基于檢測人員視覺和對材料、工藝、結(jié)構(gòu)等背景知識與經(jīng)驗，通過對目視觀察得到的信息進行分析，得出被檢測制件表面是否存在缺陷的一種無損檢測技術(shù)。它可以通過人眼以及一些光學(xué)輔助儀器、工具等幫助獲取輔助圖像信息，進行檢出缺陷的測量和評估。

B. Ramalingam等[51]設(shè)計了一種名為Kiropter的遠程操作機器人。該機器人基于深度學(xué)習(xí)算法，采用一種增強的SSD MobileNet框架，能夠從圖像中自動識別復(fù)合材料槳葉的缺陷。

賀強等[52]以某民用直升機的復(fù)合材料槳葉為檢測對象，利用眼動儀提取正常狀態(tài)和疲勞狀態(tài)下的目視檢測眼動數(shù)據(jù)，分析了瞳孔直徑、平均注視頻率、平均眼跳時間、平均眼跳頻率注視熱點與軌跡和掃視速度等眼動行動與疲勞的關(guān)系。

孫明波等[53]針對沖擊損傷檢出概率，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理系統(tǒng)相結(jié)合，提出了一種基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)的沖擊損傷目視檢測檢出概率預(yù)測方法，并且通過仿真和實驗，證明自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)預(yù)測模型在目視檢測損傷檢出概率預(yù)測中具有更高的精度。

曹金祥等[54]在對風(fēng)電葉片制造流程分析、葉片主要內(nèi)外缺陷分類及檢出缺陷統(tǒng)計基礎(chǔ)上，提出了采用目視檢測、敲擊檢測和超聲檢測方法的聯(lián)合檢測模型。

目視檢測技術(shù)是一種非常經(jīng)濟和快速的無損檢測技術(shù)，所需的檢測工具非常簡單，適合檢測沖擊損傷等表面缺陷或損傷，檢測人員無需攜帶復(fù)雜的儀器設(shè)備進行高空作業(yè)，避免了對復(fù)合材料槳葉造成二次損傷的風(fēng)險，非常適合復(fù)合材料槳葉日常維護檢測。目視檢測技術(shù)僅適用于表面顯現(xiàn)的缺陷檢測，不能確定缺陷的內(nèi)部分布，并且受到檢測人員的經(jīng)驗、知識以及檢測環(huán)境光線等因素影響較大，不同人員在不同環(huán)境下的檢測結(jié)果可能會有很大差異。

2．4 聲發(fā)射檢測技術(shù)

復(fù)合材料槳葉在服役過程中容易受到低速或高速沖擊，從而產(chǎn)生沖擊損傷、脫粘或分層缺陷。分層、脫粘、沖擊損傷等缺陷產(chǎn)生時，會伴隨產(chǎn)生應(yīng)力波，即聲發(fā)射信號。聲發(fā)射檢測技術(shù)是通過接收和分析復(fù)合材料槳葉內(nèi)部聲發(fā)射信號來評定復(fù)合材料槳葉性能或結(jié)構(gòu)完整性的無損檢測技術(shù)。

Liu Pengfei等[55]采用聲發(fā)射技術(shù)對長度為59.5 m的復(fù)合材料槳葉在加速疲勞載荷作用下的損傷行為進行了試驗研究。首先，利用快速傅里葉變換紅外光譜進行分析，研究聲發(fā)射信號的成分。在此基礎(chǔ)上，通過開發(fā)不同聲發(fā)射傳感器之間的時間差算法，實現(xiàn)了聲發(fā)射波的衰減特性、傳感器的布置以及復(fù)合材料槳葉缺陷源檢測與定位。V. Arumugam等[56]采用聲發(fā)射分析方法，研究了環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料層合板在拉伸狀態(tài)下的各種失效機理。

Z. Jaroslav等[57]討論了聲發(fā)射檢測技術(shù)作為一種在線監(jiān)測方法，用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷識別的可能性。此研究利用聲發(fā)射檢測技術(shù)，對7個樣品進行了單軸拉伸測試，測試采用壓電傳感器對聲發(fā)射信號進行連續(xù)記錄，對實測數(shù)據(jù)進行連續(xù)處理和分析，實時監(jiān)測受力構(gòu)件對機械載荷的反饋。測試結(jié)果表明，聲發(fā)射檢測技術(shù)能夠在受力構(gòu)件中定位性能退化區(qū)域，進而估算退化程度。M. Saeedifar，M. Fotouhi，R. Mohammadi和H. Hoshyarmanesh等[58-61]也在復(fù)合材料聲發(fā)射檢測技術(shù)研究方面取得了一定的進展，這些研究成果表明聲發(fā)射檢測技術(shù)可用于復(fù)合材料槳葉的無損檢測。

上述研究結(jié)果表明，聲發(fā)射檢測技術(shù)通常對復(fù)合材料槳葉在動態(tài)過程中產(chǎn)生的分層、脫粘、沖擊損傷等缺陷比較敏感，能夠做到實時發(fā)現(xiàn)，同時還可以對復(fù)合材料槳葉整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量水平進行評價。由于分層、脫粘、沖擊損傷等缺陷的產(chǎn)生過程都是重要的發(fā)聲源，通過實時監(jiān)測復(fù)合材料槳葉的聲發(fā)射信號，能夠?qū)崟r評估復(fù)合材料槳葉的內(nèi)部質(zhì)量和剩余壽命。聲發(fā)射檢測技術(shù)需在復(fù)合材料槳葉表面布置復(fù)雜的聲發(fā)射傳感器，并且在復(fù)合材料槳葉結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用仍然受到檢測設(shè)備復(fù)雜性、聲發(fā)射信號傳感器、聲發(fā)射信號的瞬態(tài)性以及聲發(fā)射信號與復(fù)合材料槳葉蒙皮和內(nèi)部大梁、內(nèi)腔填充物結(jié)構(gòu)相互作用的限制，還未實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

2．5 其它無損檢測技術(shù)研究進展

王占吉等[62]采用空氣耦合超聲無損檢測儀，對部分浸潤預(yù)浸料中樹脂沿纖維層厚度方向的浸漬流動進行了實時檢測研究，結(jié)果表明，空氣耦合超聲C-掃描方法是檢測預(yù)浸料中樹脂沿纖維層厚度方向流動的一種快速和有效的方法。

近幾年，紅外熱成像無損檢測成為了研究熱點，M. Barus等[63]提出了一種基于主動紅外熱像儀的無損檢測技術(shù)，通過對不同鋪層的復(fù)合材料表面溫度場的測量與模擬結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)不同鋪層的復(fù)合材料表面溫度場在時間和空間上的變化規(guī)律非常一致，為粘接修復(fù)后復(fù)合材料的無損檢測提供了新的解決方案。V. P. Vavilov[64]回顧了紅外熱成像儀的發(fā)展歷史，介紹了紅外熱成像檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，重點介紹了該技術(shù)在航空航天復(fù)合材料測試中的應(yīng)用。

Zhang Wenjun等[65]研究了目視、敲擊、超聲、X射線等直升機復(fù)合材料槳葉損傷的檢測與修復(fù)方法，以及修復(fù)后的試驗情況，解決了直升機復(fù)合材料槳葉損傷檢測與修復(fù)的技術(shù)難題。

Meng Xianlin等[66]采用主動熱像法和三維結(jié)構(gòu)光學(xué)成像相結(jié)合的方法，對具有表面缺陷的曲面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進行了無損檢測。檢測過程中，在測試目標(biāo)的背景上標(biāo)記定位點，將二維熱成像數(shù)據(jù)映射到三維空間數(shù)字模型，并將三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為新的坐標(biāo)系統(tǒng)，然后將其精確地投影到熱成像圖像上。試驗結(jié)果表面，該方法能夠可靠地檢測復(fù)合材料試件的缺陷，并能準(zhǔn)確地定位缺陷在曲面試件上的位置。

3 檢測技術(shù)總結(jié)

根據(jù)上述超聲檢測技術(shù)、X射線檢測技術(shù)、目視檢測技術(shù)、聲發(fā)射檢測技術(shù)、紅外熱成像檢測技術(shù)以及其它無損檢測技術(shù)的研究結(jié)果，表2總結(jié)了不同無損檢測技術(shù)針對復(fù)合材料槳葉常見缺陷的可檢性。

表2 不同無損檢測技術(shù)針對復(fù)合材料槳葉常見缺陷的可檢性

從表2可以看到，超聲、X射線、聲發(fā)射和紅外熱成像對復(fù)合材料槳葉中常見的分層、脫粘、夾雜、孔隙、沖擊損傷和蜂窩浸水等缺陷有很好的檢測性。但每種檢測技術(shù)都有自身的使用環(huán)境和檢測條件限制，在制定復(fù)合材料槳葉的無損檢測方案時，還需根據(jù)實際情況、檢測時效、檢測成本和檢測技術(shù)要求等因素選用合適的無損檢測技術(shù)。

4 復(fù)合材料槳葉無損檢測發(fā)展趨勢與展望

經(jīng)過50年的發(fā)展，針對復(fù)合材料槳葉已經(jīng)開發(fā)了多種無損檢測技術(shù)，但沒有一種方法能夠滿足復(fù)合材料槳葉的所有檢測需求。

未來復(fù)合材料槳葉無損檢測的發(fā)展趨勢將對航空發(fā)動機、直升機和風(fēng)電行業(yè)產(chǎn)生重大影響。在制造領(lǐng)域，機器人技術(shù)和其它靈活的自動化設(shè)備將取代目前成本較高、占地面積較大的固定檢測系統(tǒng)。復(fù)合材料槳葉由于其復(fù)雜的使用環(huán)境，使用無損檢測傳感器的結(jié)構(gòu)健康檢測越來越引起人們的興趣。通過開發(fā)和利用自動化缺陷分析和人工智能，進而減少人工和更好地利用收集到的數(shù)據(jù)來提高制造和檢測效率，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，也將成為未來復(fù)合材料槳葉無損檢測技術(shù)的發(fā)展方向。