超聲紅外熱像技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其在航空材料缺陷檢測中的應用*

馮輔周，朱俊臻，李志農(nóng)

（1. 陸軍裝甲兵學院，北京 100072；2. 南昌航空大學無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063）

無損檢測 Nondestructive Testing

無損檢測技術(shù)在航空裝備的安全、穩(wěn)定運行中發(fā)揮著不可替代的作用。為了滿足航空裝備智能化、高質(zhì)量制造和高可靠性應用的檢測需求，基于信息化、圖像化、智能化的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和綜合檢測等無損檢測技術(shù)正在快速發(fā)展。

欄目策劃：雪松 良辰

航空裝備常處于高速、高壓、高溫、強腐蝕、交變載荷等惡劣復雜的工作環(huán)境[1]，同時還需兼顧安全性、舒適性、經(jīng)濟性、機動性、承載能力、航程等要求，因此航空裝備相比于其他工業(yè)裝備對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的性能要求更為嚴苛。近年來，伴隨新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，航空結(jié)構(gòu)的綜合性能持續(xù)增強，服役期限逐漸延長，同時，隨著對航空裝備性能要求的進一步提升，航空結(jié)構(gòu)需要在更加復雜的環(huán)境下服役，極易出現(xiàn)各類損傷。航空結(jié)構(gòu)材料通?？梢苑譃榻饘俳Y(jié)構(gòu)材料和復合材料兩大類。金屬結(jié)構(gòu)材料主要有鋼鐵和非鋼鐵材料，鋼鐵材料按其用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、高溫合金等，非鋼鐵材料按其合金類型可分為鈦合金、鋁合金、鎂合金等。復合材料因其靈活的可設(shè)計性，近年來得到了快速發(fā)展，在航空材料中的占比逐年攀升[2–3]。復合材料一般由基體材料與增強材料兩部分組成，根據(jù)基體材料不同，可分為金屬基復合材料、非金屬基復合材料和聚合物基復合材料。目前航空結(jié)構(gòu)中應用最為廣泛的是聚合物基復合材料，如碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料等。在航空裝備服役過程中，疲勞是影響其機動性、可靠性及安全性的重要因素[4]，造成金屬與復合材料不同形式的損傷[5]。金屬結(jié)構(gòu)的損傷通常為疲勞裂紋和腐蝕，復合材料的損傷通常有沖擊損傷、脫黏、孔隙、基體開裂等。航空裝備服役期間各類損傷的存在通常會造成結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性急劇下降，最終導致結(jié)構(gòu)失效，嚴重威脅航空裝備整體安全性和使用壽命[6]。航空裝備事故原因通常是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中存在損傷并擴展到不可控制的水平[5]，如果不能采用技術(shù)手段及時地發(fā)現(xiàn)并處理這些損傷，往往會釀成災難性后果[7–9]。

針對航空結(jié)構(gòu)材料缺陷的檢測，傳統(tǒng)（成熟）無損技術(shù)手段主要包括超聲[10–12]、渦流[13–15]、漏磁[16–18]、磁粉[19–21]、滲透[22–24]、X射線[25–27]等，每種方法都有其自身的優(yōu)缺點，應用范圍存在一定限制：（1）常規(guī)超聲探頭面積很小，每次只能實現(xiàn)小范圍內(nèi)的缺陷檢測，且檢測時需要耦合劑，超聲波檢測對深埋藏缺陷很敏感，但表面和近表面的超聲波信號受噪聲和散射影響變得異常復雜，難以有效檢測表面開口疲勞裂紋[28]；（2）渦流檢測的效果易受探頭大小、集膚深度和提離的限制[29]；（3）漏磁檢測按照探頭類型一般分為磁阻式和感應式檢測，磁阻式探頭容易飽和[30]，感應式探頭僅對特定空間頻率的漏磁場敏感，難以實現(xiàn)跨尺度缺陷檢測[31]；（4）磁粉技術(shù)通常需要人工判定檢測結(jié)果，自動化程度和檢測效率低，檢測人員長時間工作后易疲勞而出現(xiàn)漏檢，且檢測完成后需及時清理磁粉，操作繁瑣[32]；（5）滲透檢測同樣需要人工判定結(jié)果，只能檢出裂紋的表面分布，難以量化深度，且檢測劑對人員健康和環(huán)境都有一定影響[33]；（6）X射線檢測通常是對其他檢測方法的結(jié)果驗證，不易發(fā)現(xiàn)垂直于射線方向上的面類型裂紋，在安裝、實施等方面需要嚴格考慮潛在輻射風險，且檢測時間長[34]。

近年來，新型無損檢測方法不斷出現(xiàn)[35]，其中主動紅外熱像技術(shù)伴隨熱成像集成技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制和計算機技術(shù)的交叉融合與系統(tǒng)微型化方面的迅猛發(fā)展，已成為科學和工業(yè)領(lǐng)域中快速發(fā)展的技術(shù)之一，具有廣闊的應用前景[36]。主動紅外熱像技術(shù)是一種通過主動受控式激勵源來激發(fā)被測對象升溫，然后利用熱成像技術(shù)記錄被測對象表面溫度場變化，提取異常信息，進而實現(xiàn)缺陷識別的新型無損檢測技術(shù)[37]。和常規(guī)無損檢測方法相比，主動紅外熱像技術(shù)優(yōu)勢明顯：檢測效率高、信噪比高、覆蓋面積大且可視化程度高[38]。目前，根據(jù)不同激勵源、激勵信號、檢測模式、檢測狀態(tài)等，該技術(shù)已發(fā)展出多個不同分支。其中，超聲紅外熱像（Sonic infrared imaging）是通過對被測對象注入高功率振動激勵使缺陷附近產(chǎn)生摩擦生熱、塑性生熱和黏彈性生熱，進而基于熱像圖的分析處理實現(xiàn)缺陷的識別[39–41]。借助上述生熱方式，超聲紅外熱像能顯著提升缺陷區(qū)域生熱，增強信噪比，輕松檢測出大多數(shù)材料中的微小閉合裂紋[42–45]，且振動激勵可受控于多種激勵信號，如長脈沖、階躍脈沖、鎖相、模擬調(diào)頻等。

圍繞超聲紅外熱像技術(shù)在航空材料缺陷檢測中的應用，本文將在介紹超聲紅外熱像技術(shù)的基本原理、系統(tǒng)組成、發(fā)展歷程和技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，著重梳理該技術(shù)檢測金屬結(jié)構(gòu)材料和復合材料缺陷的應用現(xiàn)狀，并闡明其未來發(fā)展趨勢。

1 超聲紅外熱像技術(shù)的原理 與優(yōu)勢

本節(jié)首先簡要介紹超聲紅外熱像的技術(shù)原理和系統(tǒng)組成，進一步從振動特性、生熱特性、仿真模型、檢測條件、熱像處理與缺陷識別、缺陷可檢測性和應用試驗7個方面理清超聲紅外熱像技術(shù)的發(fā)展歷程，并在此基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)其相比于其他主動紅外熱像的技術(shù)優(yōu)勢。

1.1 技術(shù)原理與系統(tǒng)組成

超聲紅外熱像技術(shù)，又稱為振動紅外熱像（Vibrothermography）、超聲激勵振動熱像（Ultrasound excited vibrothermography）等，是以超聲脈沖為激勵源的一種主動紅外熱像技術(shù)[46]，綜合運用超聲激勵和紅外熱成像技術(shù)實現(xiàn)對被測對象表面及埋藏缺陷的檢測。通過超聲激勵裝置將振動能量注入被測對象，激發(fā)脈沖聲波傳播至缺陷區(qū)域，缺陷區(qū)域因摩擦、塑性變形、黏彈性效應等[47]作用產(chǎn)生明顯的局部熱量積累，并以附加溫升的形式體現(xiàn)，于是利用紅外熱像儀捕捉傳播至被測對象表面的溫度時空分布情況，并通過分析異常熱像圖序列判斷缺陷位置、尺寸、類型等信息，這是超聲紅外熱像技術(shù)實現(xiàn)缺陷檢測的基本原理[48]。雖然基于局部缺陷共振的低功率激勵裝置近年來引起一定關(guān)注，但由于超聲塑焊槍作為激勵源可激發(fā)多種生熱效應，因而以此為基礎(chǔ)的超聲紅外熱像檢測系統(tǒng)應用更為普遍，典型系統(tǒng)主要由超聲電源、超聲槍（主要構(gòu)成為超聲換能器、變幅桿和工具桿）、紅外熱像儀、控制采集終端和其他輔助裝置構(gòu)成，如圖1所示[49–50]。超聲電源可將低頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻電能；超聲換能器是超聲槍的核心部件，其借助壓電陶瓷單元將高頻電能轉(zhuǎn)換為同頻的機械振動，因振動頻率通常高于20 kHz，也稱為超聲振動；為適應不同工況，變幅桿與工具桿一起可實現(xiàn)超聲槍振動幅值的擴增，并通過工具桿端面輸出特定幅值的超聲振動；紅外熱像儀用于采集被測對象在超聲槍激振下表面的熱分布情況；控制采集終端（PC）控制超聲槍激勵和紅外熱像儀采集的同步，并實現(xiàn)后續(xù)熱像圖序列的記錄和處理；其他輔助裝置包含超聲槍支撐導軌、壓力傳感器與預緊單元、試件支架和夾具等。

圖1 超聲紅外熱像檢測系統(tǒng)Fig.1 Sonic infrared imaging system

1.2 主要發(fā)展歷程

超聲紅外熱像技術(shù)的出現(xiàn)與光學熱像技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，由于閉合型缺陷難以有效形成熱傳導特性差異，光學熱像技術(shù)受限于檢測金屬材料的閉合裂紋和復合材料的沖擊損傷，存在固有的局限性[51]。針對這一問題，Busse等[52]在1992年QIRT會議上首次提出了由機械振動激勵代替光激勵的主動紅外熱像技術(shù)，稱為鎖相振動熱像法（Lockin vibroradiometry）。之后，此方法進一步用于檢測復合材料和聚合物中存在的沖擊損傷、分層、孔隙、裂紋等缺陷，評估材料的應力分布、涂層厚度、粘接質(zhì)量等狀況[53]。Busse團隊[54]在1998年提出并使用超聲鎖相熱像技術(shù)（Ultrasonic lock-in thermography），利用超聲換能器產(chǎn)生的高頻聲波替代由拉力測試機產(chǎn)生的低頻高幅振動激勵，更適用于因應力集中、裂紋、邊界的存在而產(chǎn)生內(nèi)摩擦的場合，同時還表明超聲鎖相熱像技術(shù)具有對缺陷區(qū)域選擇性加熱的特點。此后，各國研究人員對超聲鎖相熱像技術(shù)開展了廣泛細致的研究工作，使其發(fā)展成為超聲紅外熱像技術(shù)乃至主動紅外熱像檢測技術(shù)的一個重要分支。但超聲鎖相紅外熱像技術(shù)存在一些固有問題：一方面是經(jīng)調(diào)制的激勵聲波能量相對較低，導致缺陷生熱速率低，熱圖的信噪比低，檢測時間長；另一方面，鎖相方式對于激勵和采集的同步要求很高，提高了檢測系統(tǒng)的成本，也不利于被測對象的原位檢測。針對上述不足，F(xiàn)avro等[46]進一步采用高功率超聲塑焊槍將振動激勵以短時單脈沖方式注入被測對象，使得激發(fā)的脈沖聲波能量集中，強度大，缺陷區(qū)域?qū)β暡ǖ乃p更顯著，進而形成與非缺陷區(qū)域更明顯的溫升差異，提高缺陷的可檢測性。這一改進得到了眾多研究人員的關(guān)注，促進了超聲紅外熱像技術(shù)的快速發(fā)展與應用，研究較為深入的方向主要集中在振動特性、生熱特性、仿真模型、檢測條件、熱像處理與缺陷識別、缺陷可檢測性和應用試驗，表1給出了具體研究情況。

表1 超聲紅外熱像技術(shù)的重點研究內(nèi)容Table 1 Key research areas of sonic infrared imaging

續(xù)表

續(xù)表

1.3 技術(shù)特點

相比于其他主動紅外熱像技術(shù)，超聲紅外熱像的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在僅對缺陷區(qū)域加熱，從而使缺陷與非缺陷區(qū)域之間的溫度差異表現(xiàn)更為顯著。被測對象所激發(fā)的聲波傳播至缺陷區(qū)域時，由于損傷結(jié)構(gòu)的不均勻性或應力的存在，引起聲波的顯著衰減，進而以熱源的形式表現(xiàn)，而不是阻礙熱傳遞（如光激勵熱像）的方式，同時非缺陷區(qū)的聲波衰減程度很低，使得兩者之間形成明顯的“亮暗”對比，這種“缺陷選擇性”加熱的方式，有利于熱像儀捕捉由缺陷產(chǎn)生的微小熱信號。表2簡要概括了5種常見的主動紅外熱像技術(shù)的優(yōu)點和局限性，經(jīng)過對比分析，超聲紅外熱像的技術(shù)特點主要包括：（1）超聲激勵源可受控于各類激勵信號，如長/短脈沖、鎖相、模擬調(diào)頻等；（2）適于金屬、復合材料、木材、陶瓷、牙齒等各類材料中存在的自然閉合裂紋和非連續(xù)區(qū)域；（3）僅造成缺陷區(qū)域生熱，熱像信噪比高；（4）聲波可傳播至距離激勵源較遠或較深的位置，且衰減相對較低，可檢測面積大；（5）對于檢測幾何形狀復雜的結(jié)構(gòu)，不需要考慮加熱均勻性，檢測系統(tǒng)配置方便。

表2 5種主動紅外熱像技術(shù)的簡要對比Table 2 Comparisons of five active thermographic methods

2 超聲紅外熱像技術(shù)對航空 金屬結(jié)構(gòu)材料缺陷的檢測

本節(jié)重點討論超聲紅外熱像技術(shù)在發(fā)動機葉片及涂覆層、各類鋼結(jié)構(gòu)和合金結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵航空金屬結(jié)構(gòu)缺陷檢測的應用情況。

2.1 航空發(fā)動機葉片損傷檢測

由于空氣動力學特性要求，航空發(fā)動機葉片具有復雜型面，且在服役過程中承受高溫、高壓、交變應力、高速沖擊等復雜載荷，容易產(chǎn)生疲勞裂紋、變形、熱障涂層剝落等損傷[138]，一旦葉片失效，會給發(fā)動機帶來極大的安全隱患，甚至導致災難性的后果，因此，葉片結(jié)構(gòu)完整性的準確快速檢測，對于提高發(fā)動機的服役安全性顯得尤為重要。傳統(tǒng)無損檢測手段在用于型面復雜的葉片時有各自的局限性[139]，借助超聲紅外熱像的技術(shù)優(yōu)勢，國內(nèi)外學者廣泛開展了針對葉片損傷檢測的研究工作[140]。Holland[126]設(shè)計了一套廣譜超聲紅外熱像系統(tǒng)，用于檢測渦輪導向葉片中的缺陷，如圖2所示，并討論了激勵頻率對缺陷生熱的影響。

圖2 超聲紅外熱像系統(tǒng)檢測渦輪導向葉片[126]Fig.2 Sonic infrared system for testing a turbine stator vane[126]

Bolu等[141–142]通過開發(fā)一套穩(wěn)定、可重復的試驗流程，對60個含已知裂紋的葉片進行檢測，評估了超聲紅外熱像對裂紋檢測的可靠性，結(jié)果表明超聲紅外熱像可作為一種補充技術(shù)，實現(xiàn)葉片疲勞裂紋的快速檢測。Zhang等[76]考慮到構(gòu)建裂紋接觸面需要將單元節(jié)點分離為一對平面，但因普通四面體單元節(jié)點不在一個平面而無法分離，結(jié)合Inventor、ANSYS和Hypermesh軟件，提出了一種改進的有限元仿真模型。后續(xù)他們又提出了“兩步仿真模型”，用于真實模擬試驗過程中施加預緊力和基于夾層換能器的超聲激勵兩個過程[77]。針對裂紋尺寸的變化性和環(huán)境變量對裂紋響應的影響，Gao等[95]通過構(gòu)建混合效應回歸模型來確定渦輪葉片的檢測條件，使檢出概率維持在高值而報警概率在低值。Jia等[97]通過對比研究發(fā)現(xiàn)，在檢測渦輪葉片中的裂紋時，醫(yī)用膠布比金屬薄片更適合作為耦合材料。Dyrwal等[143]提出了一種基于非線性空氣耦合的超聲紅外熱像技術(shù)，用于無接觸、快速準確檢測渦輪葉片中的疲勞微裂紋。江海軍[144]和蘇清風[145]等開發(fā)了一套超聲紅外熱像檢測試驗平臺，實現(xiàn)了對導向葉片和工作葉片的微裂紋檢測。賈庸等[146]對鈦合金發(fā)動機葉片表面疲勞裂紋進行了檢測，并利用ABAQUS建立了三維有限元仿真模型?？芄饨艿萚147]進一步研究了24CrMoV合金鋼葉片中預制裂紋的生熱特征及預緊力對檢測效果的影響。郭偉等[148–149]采用相位偏移方法，通過提取熱障涂層表面相位特征識別涂層下基體中的疲勞裂紋，如圖3所示[149]。

圖3 超聲激勵下被測試件涂層表面熱像圖及兩個裂紋的截面SEM圖[149]Fig.3 IR image of coating surface under ultrasonic excitation and SEM images of two cracks after intersection[149]

針對有/無涂覆層的空腔葉片裂紋，袁雅妮等[150]對比分析了熒光滲透和超聲紅外熱像的檢測效果，結(jié)果表明超聲紅外熱像對裂紋的檢測受涂覆層狀態(tài)的影響較小，可檢出熒光檢測漏檢的裂紋。習小文等[151]還對服役中的含裂紋航空發(fā)動機工作葉片進行了檢測，表明超聲紅外熱成像技術(shù)可有效發(fā)現(xiàn)葉片的疲勞損傷和寬度約為0.5 μm的微裂紋。Mevissen等[152]設(shè)計了一套針對渦輪葉片的檢測系統(tǒng)，不同之處在于葉片通過夾具固定，而激勵裝置（壓電換能器）則與夾具相連，使得葉片與激勵裝置未直接接觸，從而起到保護葉片及其熱障涂層的作用，改進的檢測系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 基于間接激勵的超聲紅外熱像系統(tǒng)檢測渦輪葉片[152]Fig.4 Sonic infrared system based on indirect excitation for testing a turbine blade[152]

渦輪葉片表面的熱障涂層對于保護基體結(jié)構(gòu)，提高葉片耐腐蝕、高溫、沖擊等性能，具有至關(guān)重要的作用。在葉片服役過程中，熱障涂層常見的損傷形式包括變薄、脫黏、開裂[153]。Piau等[154]利用超聲紅外熱像檢測了貫穿熱障涂層的裂紋，并對比了短時脈沖和鎖相兩種激勵方式，結(jié)果表明，通過鎖相激勵得到的相位圖效果更好。Holland[126]通過廣譜超聲紅外熱像系統(tǒng)初步實現(xiàn)了熱障涂層脫黏的識別。但后續(xù)利用超聲紅外熱像對熱障涂層損傷檢測的深入研究較少。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)材料缺陷的檢測

從航空材料發(fā)展趨勢來看，現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)材料主要以合金和復合材料為主，鋼用量日趨減少，但一些重要結(jié)構(gòu)和零部件，仍以鋼為主，如飛機起落架、機翼主梁、接頭和對接螺栓等采用超高強度鋼，還有彈簧鋼、軸承鋼、防彈鋼、不銹鋼等專用結(jié)構(gòu)鋼。Miller[155]研究了防彈鋼的彈擊穿透區(qū)域在超聲激勵下的振動情況（圖5），發(fā)現(xiàn)穿透區(qū)域存在剪切帶（Shear bands），且在熱像圖上以帶間生熱的方式體現(xiàn)，如圖5（b）所示。

圖5 超聲紅外熱像系統(tǒng)檢測防彈鋼的剪切帶區(qū)域[155]Fig.5 Sonic infrared system for testing shear bands of bulletproof steel[155]

Burke和Miller[121]還利用超聲紅外熱像檢測了不銹鋼管與鋁板在硬釬焊處的裂紋，如圖6所示。Han等[125]采用超聲紅外熱像對C型鋼內(nèi)外側(cè)的熱疲勞裂紋進行了檢測，He和Han[156]進一步建立了相應的有限元仿真模型，提取了裂紋處的振動波形和頻譜。楊小林等[157]利用超聲紅外熱像對某型飛機前起落架旋轉(zhuǎn)臂進行了檢測，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)角處一淺層疲勞裂紋，驗證了該技術(shù)對鋼構(gòu)件疲勞裂紋進行早期診斷的可行性。Mabrouki等[63]通過構(gòu)建熱–機械耦合有限元模型研究超聲激勵下鋼板試件裂紋處的摩擦生熱規(guī)律，并重點討論了裂紋生熱與激勵頻率間的關(guān)系。Morbidini等[113]構(gòu)建了一個簡易有限元模型，可以利用試驗得到裂紋區(qū)域能量耗散計算出相應溫升，進而研究梁結(jié)構(gòu)鋼試件所含疲勞裂紋在超聲激勵下的可檢測性。缺陷尺寸量化是檢測方法實際應用的重要環(huán)節(jié)，Mendioroz等[158]對埋藏于試件內(nèi)部且垂直于試件表面的均勻熱源進行了定量研究，建立了鎖相超聲激勵下不銹鋼試件表面溫升的理論模型，可進一步用于裂紋特征的提取。Mendioroz等[159]接著設(shè)計了一套穩(wěn)定的反演算法，結(jié)合鎖相超聲熱像對垂直埋藏方形裂紋的特征識別和空間分辨率進行了研究，結(jié)果表明該方法可以重構(gòu)出埋藏在不同深度缺陷的形狀和位置。Castelo等[160]進一步優(yōu)化了反演算法，將其拓展到對不銹鋼結(jié)構(gòu)中任意形狀缺陷的重構(gòu)。此外，Mendioroz等[161–162]還研究了短時超聲脈沖激勵下缺陷的重構(gòu)問題，并考慮實際裂紋生熱產(chǎn)生的非均勻熱源，改進了對應的反演算法。

圖6 超聲紅外熱像檢測不銹鋼管與鋁板在硬釬焊處的裂紋[121]Fig.6 Sonic infrared system for testing brazed joints between stainless steels and aluminum plates[121]

2.3 合金結(jié)構(gòu)材料裂紋的檢測

目前，在航空領(lǐng)域以鋁合金和鈦合金的應用最為廣泛[163]，其中鋁合金主要用于制造飛機蒙皮、翼梁、翼肋、隔框、殼體等零件，鈦合金則主要用于鍛件、鈑金件、支承架、導向葉片等。針對鋁合金結(jié)構(gòu)的檢測，F(xiàn)avro等[119]在2001年就利用超聲紅外熱像技術(shù)檢測了鋁合金試件中的疲勞裂紋，并通過熱像序列清晰地展現(xiàn)了裂紋區(qū)域的生熱及熱擴散過程。Ouyang等[164]還建立了含裂紋鋁合金試件表面溫度隨時間和位置變化的理論模型。Han等[71]通過構(gòu)建有限元模型計算了鋁合金板裂紋區(qū)域的能量耗散，并證實了聲混沌對裂紋生熱的增強，摩擦是金屬結(jié)構(gòu)裂紋的主要生熱形式。此外，Chen等[73]將預緊力因素引入到有限元模型。Lu等[110]設(shè)計了可通過夾持裝置改變裂紋閉合度的鋁合金試件，討論了裂紋的閉合度對生熱的影響，如圖7所示。Obeidat等[165]進一步借助有限元模型研究了含裂紋鋁合金試件的非線性振動現(xiàn)象和不同激勵頻率與工具桿尺寸對能量耗散的影響。高治峰等[166]采用超聲紅外熱像技術(shù)對航空鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)的閉合型疲勞裂紋進行了檢測研究，討論了激勵功率、激勵位置和預緊力對裂紋生熱的影響。劉海龍等[167]通過理論模型研究了鋁合金平板貫穿裂紋在超聲激勵下的生熱及熱擴散過程。

圖7 不同閉合度（夾持力）下裂紋生熱圖[110]Fig.7 Crack heating images under different closures (values of clamping force)[110]

中強度鈦合金兼顧較高強度和足夠塑性，其中的代表為Ti–6Al–4V（TC4）合金。Renshaw等[168]研究了在施加不同彎曲應力下TC4合金中疲勞裂紋的生熱情況，并以此表征裂紋的開合程度。Holland等[111，169]對一組鈦合金板進行了超聲紅外檢測，發(fā)現(xiàn)三階自由彎曲共振模態(tài)不易受試件夾持狀態(tài)和超聲槍與試件接觸狀態(tài)的影響，這樣通過裂紋生熱就能估算出合金板任意位置的應力和應變分布情況。Renshaw等[47]通過觀察TC4合金中疲勞裂紋面經(jīng)超聲激勵后的損傷情況（圖8），驗證了裂紋接觸面摩擦的生熱形式。Vaddi等[170]提出了仿真輔助的線性反演方法，通過鈦合金裂紋表面溫度估算出裂紋面的熱源強度。Zeng等[107，171]結(jié)合支持向量機和二維熱擴散特征實現(xiàn)了鈦合金平板中疲勞裂紋的定位，還建立了基于一維時域熱擴散特征和二維空間域特征的缺陷自動識別方法，可以從熱像序列中提取疲勞裂紋的弱響應信息。

圖8 TC4合金中疲勞裂紋生熱和裂紋面經(jīng)超聲激勵后的損傷情況[47]Fig.8 Crack heating and crack face damage in TC4 after ultrasonic excitation[47]

綜上，超聲紅外熱像技術(shù)對發(fā)動機葉片、鋼和合金等關(guān)鍵航空金屬結(jié)構(gòu)中含有的疲勞裂紋、淺層損傷等缺陷展現(xiàn)了良好的檢測效果，但多數(shù)研究成果局限于被測結(jié)構(gòu)模型的簡化，針對航空復雜結(jié)構(gòu)的檢測研究不夠深入。

3 超聲紅外熱像技術(shù)對航空 復合材料缺陷的檢測

復合材料由于具有比強度高、比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、耐腐減振與可設(shè)計性強等特點，與鋁、鋼、鈦一起構(gòu)成航空結(jié)構(gòu)四大首選材料，且復合材料在現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)材料的占比持續(xù)攀升，新一代的民用飛機，如波音787和空客A350，復合材料的用量均超過40%[1]。但復合材料加工成形過程中，由于工藝參數(shù)的復雜，品控難以把握，質(zhì)量存在較大的隨機性，常伴隨有分層、夾雜、孔隙等缺陷，且復合材料在服役過程中易受沖擊、碰撞、刮擦，出現(xiàn)裂紋和分層等損傷。Rantala等[53]利用幅值調(diào)制的鎖相超聲熱像技術(shù)對復合材料中沖擊損傷、夾雜、孔隙、裂紋等缺陷進行了檢測。Salazar等[172]利用鎖相超聲熱像對復合材料中的分層缺陷進行了檢測，并通過缺陷處相位與頻率的平方根之間的關(guān)系，實現(xiàn)了分層缺陷深度的量化。王成亮等[173–174]利用超聲紅外熱像對正弦波腹板梁、機翼肋段零件等復合材料的工藝缺陷和人工缺陷進行了檢測，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)對淺層、閉合類缺陷的檢測效果較好；還對由碳纖維復合材料（Carbon fiber reinforced plastics，CFRP）構(gòu)成的飛機機翼肋段零件進行了檢測，并通過對缺陷邊緣提取實現(xiàn)了沖擊損傷的定量分析。宋遠佳等[175]通過建立有限元模型對復合材料表面微裂紋進行了超聲激勵下的熱–機械耦合仿真分析，并利用超聲紅外熱像對雙層玻璃纖維增強塑料（Glass fiber reinforced polymer，GFRP）中的分層缺陷進行了檢測，研究了耦合材料對“駐波”的影響。Han等[176]利用超聲紅外熱像技術(shù)檢測了模擬A330垂直穩(wěn)定面板中的脫黏缺陷，并討論了被測結(jié)構(gòu)、激勵位置和激勵時間對檢測效果的影響。金國鋒等[177]將超聲紅外熱像技術(shù)應用于CFRP分層缺陷和疲勞裂紋以及環(huán)氧樹脂基復合材料沖擊損傷的檢測。Li等[178]利用超聲紅外熱像技術(shù)監(jiān)測了復合層壓板的損傷區(qū)域隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化情況，如圖9所示。

Li等[179]還發(fā)現(xiàn)CFRP缺陷生熱具有不同特征，分層缺陷表現(xiàn)為塊狀亮斑，基體開裂為線形亮斑，纖維斷裂為“工”形亮斑。李胤等[180]進一步對比了超聲紅外熱像和超聲C掃描對復合材料沖擊損傷的檢測效果，表明超聲紅外熱像可以在準確定位沖擊損傷的同時檢測出具體的損傷形式。Obeidat等[165，181]研究了4種圖像處理方法對復合材料中缺陷區(qū)域的提取效果； 還建立了基于格林函數(shù)的解析模型，用于描述復合材料中亞表面缺陷引起的熱擴散問題，并提出了量化缺陷深度的3個特征，即半最大功率時間、峰值斜率時間和二階導數(shù)峰值時間。陳山[182]利用ABAQUS軟件對CFRP結(jié)構(gòu)損傷的生熱影響因素和生熱特征進行了仿真分析，并通過試驗對航空CFRP桁架結(jié)構(gòu)中的分層缺陷進行了檢測。吳昊等[183]利用超聲紅外熱像對CFRP板螺栓孔處的裂紋和分層缺陷進行了檢測。不同于Favro和Han等[46]采用高功率塑焊槍作為激振裝置，Katunin等[184]利用受多諧波信號控制的電動振動臺作為被測試件的激振裝置，提出了基于自生熱的振動熱像方法，用于檢測玻璃纖維增強復合材料中的低速沖擊損傷。Solodov等[185]為避免采用高功率超聲設(shè)備作為激勵源，提出了基于局部缺陷共振（Local defect resonance，LDR）的 超聲熱像，以實現(xiàn)復合材料中分層、沖擊損傷和裂紋的檢測，該方法可以通過較低的功率激發(fā)缺陷振動，且可以通過改變驅(qū)動頻率來辨別不同缺陷。Rahammer等[186]為進一步增強LDR的激發(fā)效率，提出可以控制超聲傳播方向的相位匹配導波激勵，并實現(xiàn)了沖擊損傷的檢測。此外，Rahammer等[187]還提出了共振頻率掃描熱成像，由于引入了寬帶超聲激勵信號，該方法可在LDR頻率未知的情況下實現(xiàn)對缺陷的檢測，圖10為借助快速傅里葉變換（FFT）對缺陷熱信號進行降噪處理后的結(jié)果。

圖10 超聲激勵下復合材料缺陷區(qū)域經(jīng)傅里葉變換后的相位和幅值圖[187]Fig.10 Phase and amplitude images of damage areas in the CFPR after FFT via ultrasonic excitation[187]

Fierro等[188]針對超聲槍激勵可重復性和可靠性較低的問題，提出了非線性超聲熱像，并用于檢測航空結(jié)構(gòu)中常見CFRP加強板（圖11[188]）和面板[189]中的幾乎不可見沖擊損傷（Barely visible impact damage，BVID）。Segers等[190]為 進 一 步增強缺陷區(qū)域的摩擦生熱和黏彈性生熱，提出了基于面內(nèi)LDR的超聲熱像，并應用于BVID的檢測。和文獻[187]類似，Hedayatrasa等采用兩個具有升降頻率調(diào)制率的連續(xù)寬帶掃描振動激勵，用于補償LDR生熱的熱延遲，進而得到正確的LDR頻率[191]； 將基于巴克碼的幅值調(diào)制振動激勵用于檢測CFRP中的沖擊損傷，結(jié)果表明相比于傳統(tǒng)鎖相振動熱像，該方法可以檢測出較深的分層缺陷，且具有較高的對比度噪聲比[192]。Hedayatrasa等[193]還提出了相位反演熱波成像方法，通過提取熱信號中的諧波分量進一步增強信噪比和提高缺陷的可檢測性，能夠?qū)崿F(xiàn)CFRP平板中BVID的檢測。針對結(jié)構(gòu)更加復雜的航空材料，如蜂窩夾層結(jié)構(gòu)缺陷的檢測，Ibarra-Castanedo等[124]將超聲熱像與光激勵脈沖熱像和光激勵鎖相熱像進行了對比，結(jié)果表明超聲熱像具有激勵能量低，檢測深度深等優(yōu)勢，適合于微裂紋的檢測，但對于水浸的檢測不如光激勵檢測直觀。劉慧[194]利用鎖相超聲紅外技術(shù)檢測了蒙皮與蜂窩芯的脫黏缺陷，并通過相位圖檢出了脫黏的位置信息。

從以上論述可以看出，超聲紅外熱像技術(shù)對航空用CFRP等復合材料中沖擊損傷、夾雜、孔隙、裂紋等缺陷的檢測效果顯著，甚至可以借助LDR輕松檢出BVID，但這是以增加激勵裝置的復雜程度為代價的。此外，缺陷尺寸定量化、檢測自動化和識別智能化等方面的相關(guān)研究較少。

4 超聲紅外熱像技術(shù)的發(fā)展 趨勢

超聲紅外熱像技術(shù)作為近30年發(fā)展起來的新型主動紅外無損檢測技術(shù)，相比于傳統(tǒng)檢測手段具有獨特優(yōu)勢，目前已在眾多工業(yè)領(lǐng)域尤其是航空領(lǐng)域受到了重點關(guān)注。但由于發(fā)展時間較短，目前多數(shù)研究成果還處于試驗探索階段，尚未達到成規(guī)范、成系統(tǒng)的應用，未來該技術(shù)的發(fā)展空間很大。結(jié)合該技術(shù)在航空材料缺陷檢測的研究現(xiàn)狀和應用需求，有必要在以下5個方面進一步開展研究工作。

（1）激勵裝置的簡化。目前常見的兩類超聲激勵裝置包括低功率壓電陶瓷和高功率塑焊槍，但兩類裝置都存在一定的局限性。為實現(xiàn)LDR，壓電陶瓷需要輸出連續(xù)寬帶掃描振動激勵，為此其輸入端需要信號發(fā)生器和放大器等設(shè)備，增加了激勵裝置的復雜程度，而塑焊槍需要穩(wěn)定可靠的超聲電源來保證高功率輸出。如何實現(xiàn)激勵裝置控制、電源、輸出等單元的一體化集成，甚至將紅外熱像儀和控制采集終端一起組成便攜式航空材料檢測系統(tǒng)，還有待進一步研究。

（2）仿真模型的優(yōu)化。當前針對仿真模型的研究，主要集中在如何有效模擬壓電結(jié)構(gòu)、超聲槍與平板之間的相互作用，超聲激勵下平板的振動狀態(tài)以及缺陷區(qū)域的振動和生熱情況，但多數(shù)模型過于簡化。如何對一些復雜航空結(jié)構(gòu)（如蜂窩夾層、葉片、搖臂等結(jié)構(gòu)）進行建模，以及對金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋和復合材料沖擊損傷等缺陷真實模擬，將是仿真模型優(yōu)化的重點。

（3）缺陷檢測的自動化和識別的智能化。由于超聲紅外熱像技術(shù)在缺陷檢測過程中涉及激勵源位置與輸出控制、熱像圖采集等重要步驟的協(xié)調(diào)規(guī)劃，相比于自動視覺檢測，出現(xiàn)人工干預的情況較多，導致該方法存在主觀性強、易產(chǎn)生誤漏檢、效率低等不足，如何借助工業(yè)機器人、機械臂等輔助手段，結(jié)合系統(tǒng)辨識、模式識別、智能控制等機器學習方法，進一步提高超聲紅外熱像技術(shù)的自動化水平，實現(xiàn)無干預、高效率、高精度、快速檢測，顯得十分必要。另外，超聲熱像技術(shù)中的缺陷識別主要通過熱像序列預處理、異常信息/特征提取、缺陷關(guān)聯(lián)性判斷這一基本流程，但目前大部分環(huán)節(jié)都要通過人工的方式實現(xiàn)，其識別可靠度和準確率主要取決于人員經(jīng)驗。盡管有部分研究利用人工智能等[109，171]方式進行了缺陷識別，但是在關(guān)鍵環(huán)節(jié)上還是需要人工干預，未來可在缺陷識別全流程的智能化上實現(xiàn)突破。

（4）與其他檢測技術(shù)的互補。超聲紅外熱像雖然優(yōu)勢突出，但其固有局限性也很明顯，如可重復性差、需要“接觸對”來產(chǎn)熱等。以上局限可以通過與其他無損檢測技術(shù)的復合使用來打破，如超聲紅外熱像與渦流紅外熱像結(jié)合檢測飛機蒙皮與蜂窩芯結(jié)構(gòu)，既可以實現(xiàn)對閉合微裂紋和脫黏的檢測，又可以對金屬蒙皮開口裂紋進行檢測。超聲紅外熱像與超聲檢測一起可以實現(xiàn)大面積快檢和小面積細檢。探索超聲紅外熱像與其他檢測手段的融合，研究意義明顯。

（5）檢測的標準化。由于超聲紅外熱像技術(shù)發(fā)展時間較短，研究人員針對該技術(shù)的使用至今未有統(tǒng)一的規(guī)范和標準，這制約了其進一步走向工程實踐應用，大部分工作也都停留在實驗室階段，如何參照超聲、渦流、磁粉、X射線等無損檢測標準制定出超聲紅外熱像的檢測標準，還有待進一步討論。

5 結(jié)論

超聲紅外熱像技術(shù)是主動紅外熱像無損檢測技術(shù)的一個重要分支，具有缺陷定位精準、熱圖信噪比高、材料適用范圍廣等優(yōu)勢。近年來，國內(nèi)外學者在振動特性、生熱特性、仿真建模、檢測條件、熱像處理與缺陷識別、缺陷可檢測性和應用試驗等方面取得了突出進展，尤其在航空材料檢測應用領(lǐng)域開展了大量基礎(chǔ)工作。隨著研究人員對該技術(shù)的不斷深入研究與實際應用，超聲紅外熱像技術(shù)呈現(xiàn)出激勵裝置簡化、仿真模型優(yōu)化、缺陷檢測自動化與識別智能化、檢測互補化和標準化的發(fā)展趨勢，相信未來該技術(shù)將在航空材料檢測領(lǐng)域得到更為廣泛的應用。