航空發(fā)動機用樹脂基復合材料無損檢測技術研究與應用

何方成 ， 王 錚 ， 宋永鋒 ， 李雄兵

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.中南大學 交通運輸工程學院，長沙 410075）

0 引言

先進的航空發(fā)動機需要先進材料來驅動，以滿足其性能、推重比和燃油效率的要求。傳統(tǒng)的金屬材料在航空發(fā)動機研制中扮演了重要角色，而復合材料的出現(xiàn)又為發(fā)動機性能和減重提供了進一步的發(fā)展空間。樹脂基復合材料因具有質輕高強、結構可設計性好、抗疲勞性能好、阻尼減振性能優(yōu)異、易于一體化整體成型[1-2]的優(yōu)點，已成為飛機發(fā)動機冷端部件理想的結構材料[3]，在發(fā)動機結構優(yōu)化、經濟性、環(huán)保性等方面都有顯著成效[4]。

但是，樹脂基復合材料在成型過程中涉及樹脂流動、氣泡遷移等多種復雜變化，且成型后沒有后續(xù)工藝對材料組織分布和內部缺陷情況進行改善，因此，難免出現(xiàn)分層、空洞、脫粘等缺陷。并且，發(fā)動機在惡劣的環(huán)境中工作極有可能引起原始缺陷的擴展，從而造成構件失效等更加嚴重的災難性后果。因此，有必要對發(fā)動機用樹脂基復合材料構件進行全面、可靠的無損檢測，以保證產品質量。

航空發(fā)動機用樹脂基復合材料制件有風扇機匣、風扇葉片、發(fā)動機短艙、進氣道消聲襯板等[5]，涵蓋大尺寸變曲率層板/板芯結構、小型雙曲率變厚度扭轉結構、多形態(tài)R角等復雜結構形式，在一定程度上增加了結構全尺寸、高可靠性檢測的難度。

在航空領域，樹脂基復合材料在飛機中的應用較為成熟，在發(fā)動機中的應用則起步較晚，導致與材料研制緊密結合并為之配套的發(fā)動機用復合材料無損檢測技術也有待進一步完善。因此，本文首先介紹樹脂基復合材料內部主要缺陷及其成因，分析針對該材料缺陷的主要無損檢測技術，然后介紹這些檢測技術在國外典型發(fā)動機復合材料制件上的應用，最后對航空發(fā)動機用樹脂基復合材料無損檢測技術發(fā)展方向進行展望。

1 樹脂基復合材料主要缺陷

樹脂基復合材料是一種非均勻、多界面結構，其內部缺陷特征和無損評估方法與金屬材料有較大差異。在樹脂基復合材料的制造及使用過程中，易形成孔隙、孔洞、分層、脫粘、夾雜、疏松、基體開裂、貧膠、富膠、纖維含量不正確、裂紋、纖維屈曲與錯位等缺陷。表1列舉部分樹脂基復合材料內部缺陷種類、成因及特征。

表1 樹脂基復合材料內部缺陷成因及特征[6]Table 1 Causes and characteristics of internal defects in composite[6]

復合材料內部缺陷的存在可造成材料局部應力集中以及強度、剛度等力學性能下降等現(xiàn)象。當缺陷達到一定嚴重程度時，甚至引起結構失效。因此，用于復合材料制造和服役階段缺陷評估的無損檢測技術對于保障構件使用可靠性具有重要意義。

分層、夾雜、脫粘等面積型缺陷通常采用缺陷面積或當量作為評價指標，孔隙、疏松等彌散性缺陷宜采用缺陷嚴重程度和缺陷面積的結合數(shù)據(jù)來作為缺陷驗收與否的評價指標。

2 樹脂基復合材料無損檢測技術

由表1可知，樹脂基復合材料內部缺陷種類和形態(tài)十分繁雜，并且該材料制件本身的結構組成也具有復雜的多樣性，僅采用一種無損檢測技術往往不能滿足復合材料制件不同結構、不同階段對缺陷檢測的可靠性需求。因此，用于復合材料缺陷檢測的無損檢測方法也十分豐富，如超聲、X射線、紅外熱像、激光散斑、敲擊等多種檢測技術，且各種檢測方法分別在不同類型的缺陷檢測中具有優(yōu)勢。表2給出了不同檢測方法對復合材料中典型缺陷的檢測能力對比。

表2 各種檢測技術對復合材料典型缺陷檢測能力的對比Table 2 Comparison of detection capabilities of various detection technologies for typical defects of composite material

2.1 超聲檢測技術

超聲檢測技術是復合材料檢測使用最多的無損檢測方法，它是基于聲波在材料內部傳播過程中遇異質界面產生反射、折射及散射現(xiàn)象來識別缺陷。該方法適用范圍較廣，可用于層板、板芯等結構中分層、脫粘、夾雜、孔隙等缺陷檢測。按檢測結果顯示方式可分為：A掃描，利用波形反映缺陷深度和衰減信息，不能直觀記錄缺陷位置和尺寸（圖2a）；B掃描，反映缺陷深度及某一縱截面形態(tài)，不能顯示缺陷尺寸，且不能記錄缺陷位置（圖2b）；C掃描，反映缺陷衰減、位置和尺寸，是使用最廣泛的一種顯示方式（圖2c）；D掃描，以采集缺陷深度信息形成的整件被檢件的地圖圖像，可反映缺陷的深度、位置及尺寸，但不能體現(xiàn)缺陷衰減程度（圖2d）。

圖2 超聲檢測常見的顯示方式Fig.2 Common display modes of ultrasonic testing

除了上述最常用的傳統(tǒng)超聲檢測技術外，還有一些基于聲波傳播原理的檢測技術可用于復合材料檢測：

1）超聲相控陣技術。利用其聲束偏轉和陣列掃查，提高檢測效率和復雜結構檢測可達性，在復合材料檢測中的應用日趨成熟。

2）空氣耦合超聲技術。采用可在空氣中傳播的低頻聲波實現(xiàn)非接觸檢測，對高衰減材料有較高穿透能力。

3）激光超聲技術。利用激光脈沖激發(fā)超聲波進行檢測，具有非接觸和可遠程檢測的特點，但由于該技術需要更高的成本，尚未普遍應用于工業(yè)領域。

4）聲發(fā)射技術。通過接收和分析缺陷變化產生的應力波來實時監(jiān)控正在擴展的缺陷，但缺陷停止演變后，檢測信號無法再現(xiàn)，并且缺陷應力波信號的識別，需要借助復雜的信號處理技術，增加了聲發(fā)射技術的應用難度。

5）聲振法是激勵被檢件產生機械振動，通過測量被檢件振動的特征來判斷被檢件膠接質量。

2.2 X射線檢測技術

X射線檢測技術是采用射線源透照物體，利用穿過被檢件射線能量強弱來判斷材料內部缺陷。該方法對分層、脫粘類缺陷不敏感，但對發(fā)泡膠空洞、夾雜、芯格斷裂、節(jié)點脫開、芯格壓縮等缺陷具有較好的檢測效果。

近年來，計算機射線成像技術（CR）、數(shù)字化射線成像技術（DR）、計算機層析成像檢測（CT）等數(shù)字射線技術發(fā)展迅速，使復合材料X射線檢測技術實現(xiàn)了檢測結果實時顯示與數(shù)字化存儲，大幅提升了復合材料微觀結構精密測量和表征能力。并且，隨著自動化檢測水平的提高（圖3），借助自動操縱裝置，實現(xiàn)零件擺放、射線源位置等的自動布局和移動，可以提高檢測效率和精度。

圖3 X射線機械化檢測Fig.3 X-ray automatic detection

2.3 其他檢測技術

超聲和X射線檢測技術是復合材料生產制造階段常用的無損檢測技術，除此之外，還有一些檢測技術也在復合材料缺陷檢測中獲得廣泛應用。例如，紅外熱像檢測技術、激光散斑檢測技術以及敲擊檢測技術等。上述3種檢測技術均可檢出分層、脫粘、夾雜等缺陷，具有檢測效果好的特點，但也都受到檢測深度的限制，適用于埋深較小的缺陷檢測。

3 國外發(fā)動機用樹脂基復合材料制件無損檢測技術

早在20世紀50年代，國外就開始樹脂基復合材料制件應用于航空發(fā)動機的研究[7]，目前已取得較為成熟的成果，重要的代表性零件有風扇機匣、風扇葉片、發(fā)動機短艙等。保障該類制件內部質量的無損檢測技術也隨之快速發(fā)展。發(fā)動機復合材料制件以層板結構和蜂窩夾層結構為主，具有雙曲率、多拐角、變厚度等結構特點，并采用多種制作工藝和材料體系，給無損檢測可達性、完整性、準確性及一致性帶來較大挑戰(zhàn)。了解國外先進航空發(fā)動機復合材料制件無損檢測技術發(fā)展現(xiàn)狀，對提高我國同類制件無損檢測技術水平、保障發(fā)動機復合材料制件質量可靠性，具有重要意義。

3.1 風扇機匣

采用多軸噴水式自動超聲檢測系統(tǒng)實現(xiàn)對變結構、變厚度的風扇機閘的三維C掃檢測[8]，一次掃查零件所有部位。同時，在復合層合材料中嵌入特氟龍材料模擬缺陷，利用先進的信號處理工具，以較高信噪比識別出復雜結構部位的預制缺陷，如圖4所示[8]。

圖4 多軸噴射式超聲檢測平臺及機閘C掃描成像[8]Fig.4 Multi axis jet ultrasonic testing platform and C-scan imaging [8]

3.2 風扇葉片

羅羅公司“超級風扇”發(fā)動機風扇葉片采用水浸式超聲穿透法進行成像檢測，檢測利用自校準和自評價系統(tǒng)，以超過200 mm/s高速對復雜雙曲率型面葉片和金屬包邊進行高分辨率測量[9-10]，多軸超聲水浸平臺及“超級風扇”的高分辨率測量如圖5。

圖5 多軸超聲水浸平臺及“超級風扇”高分辨率測量示意圖[9]Fig.5 Multiaxial ultrasonic water immersion platform and schematic diagram of "super fan" with high resolution measurement [9]

DantecDynaminc公司利用激光散斑技術，同時結合六自由度的機械臂（圖6）[11]，對復合材料葉片進行成像檢測，根據(jù)相位圖上的蝶形圖案檢測樹脂基復合葉片的沖擊損傷。

圖6 復合材料葉片自動激光散斑檢測[11]Fig.6 Automatic laser speckle detection of composite blade[11]

3.3 短艙

航空發(fā)動機復合材料短艙通常采用蜂窩夾層結構制作，且尺寸較大，檢測耗時較長。SAFRAN公司利用紅外檢測技術檢測效率高的優(yōu)勢，結合Kuka機器人自動控制技術[12]（圖7），將紅外自動檢測技術應用于LEAP-1A和Trebt7000發(fā)動機短艙復合材料的測量，檢測時間減少一半。

圖7 發(fā)動機短艙紅外無損檢測平臺[12]Fig.7 Infrared NDT platform for engine nacelle [12]

3.4 微觀缺陷檢測

NSI北極星公司對樹脂基編織復合材料進行CT檢測，用于識別復合材料中脫毛、屈曲、材料、纖維取向以及均勻性等問題。CT檢測結果如圖8所示。

圖8 樹脂基編織復合材料CT檢測結果Fig.8 CT inspection result of resin matrix braided composite[

Suragus研制渦流自動檢測系統(tǒng)，用于纖維編織、預制材料和復合材料檢測，可以分析多層結構碳纖維內的紋理缺陷，如失真、錯位、褶皺、重疊以及間隙等缺陷。檢測系統(tǒng)及缺陷檢測結果如圖9所示。

圖9 渦流檢測系統(tǒng)及檢測結果舉例Fig.9 Eddy current testing system and examples of testing results

Suragus公司則基于高頻渦流檢測，制作了用于纖維的面積纖維密度和均勻性評估原型機，如圖10 所示[13]。

圖1 樹脂基復合材料中部分缺陷形態(tài)Fig.1 Partial defect form in resin matrix composite

圖10 渦流密度檢測平臺及材料均勻性和密度圖[13]Fig.10 Eddy current density testing platform and material testing results of uniformity and density diagram [13]

3.5 其他

德國航天輕量化生產技術中心DLR提出用于加工大型CFRP飛機構件過程質量控制平臺（圖11），用于裝配質量保證、纖維鋪帶質量控制等[14-15]。

圖11 大型CFRP飛機構件過程控制平臺[14]Fig.11 Process control platform for large CFRP aircraft components [14]

羅羅公司建設世界上最大的X射線檢測平臺（圖12），用于觀察發(fā)動機運行時，2萬多個部件在不同條件下的極端表現(xiàn)。

圖12 大型X射線在線監(jiān)測平臺Fig.12 Large X-ray online monitoring platform

4 展望

無損檢測技術的發(fā)展，有助于進一步推動復合材料的應用，提升發(fā)動機性能和降低發(fā)動機制造和維護成本。在今后的復合材料無損檢測技術發(fā)展中，自動化和機械化的檢測平臺將逐漸取代傳統(tǒng)的手動檢測，數(shù)字化檢測技術將進一步在復雜型面結構檢測中發(fā)揮優(yōu)勢。

除了檢測技術的革新，無損檢測和過程控制的結合以及人工智能和不同數(shù)據(jù)分析評價方法的引入，將推動著樹脂基復合材料的性能和可靠性向高標準高要求發(fā)展，以保證服役安全。同時，航空發(fā)動機樹脂基復合材料重要部件與實時傳感器的融合，進一步保證了發(fā)動機的服役安全。