航空航天复合材料无损检测技术现状

随着材料工艺的成熟及产品质量的提高，高性能复合材料在航空航天领域的使用比例大幅度提升，有些甚至已代替金属成为某些核心部件的主要结构材料，从而使航空航天技术的发展有了质的飞跃。

在航空航天领域已得到应用的新型复合材料主要包括纤维增强复合材料(CFRP、GFRP、GLARE)、夹芯结构复合材料(蜂窝夹芯复合材料、泡沫夹芯复合材料)、耐高温复合材料(C/C复合材料、C/SiC复合材料)等，此类材料普遍具有高比强度、高比刚度、高模量和耐腐蚀等优异性能。

由于航空航天新型复合材料制造成本高、结构特殊和使用环境特殊等特点，对无损检测技术提出了更苛刻、更有针对性的检测条件和检测要求，包括不能使用耦合剂、检测空间狭小、构件尺寸大、结构复杂、检测高效和检测结果实时直观等。研究与新型复合材料技术发展水平相适应的无损检测技术，针对不同检测条件及检测要求提出合理的检测与评价方法已成为国内外研究人员需要思考的新课题。

超声检测技术是复合材料检测使用非常多的无损检测方法，它是基于声波在材料内部传播过程中遇异质界面产生反射、折射及散射现象来识别缺陷。该方法适用范围较广，可用于层板、板芯等结构中分层、脱粘、夹杂、孔隙等缺陷检测。

按检测结果显示方式可分为：A扫描，利用波形反映缺陷深度和衰减信息，不能直观记录缺陷位置和尺寸(图1a);B扫描，反映缺陷深度及某一纵截面形态，不能显示缺陷尺寸，且不能记录缺陷位置(图1b);C扫描，反映缺陷衰减、位置和尺寸，是使用最广泛的一种显示方式(图1c);D扫描，以采集缺陷深度信息形成的整件被检件的地图图像，可反映缺陷的深度、位置及尺寸，但不能体现缺陷衰减程度(图1d)。

图1 超声检测常见的显示方式

除了上述最常用的传统超声检测技术外，还有一些基于声波传播原理的检测技术可用于复合材料检测：

1)超声相控阵技术。利用其声束偏转和阵列扫查，提高检测效率和复杂结构检测可达性，在复合材料检测中的应用日趋成熟。

2)空气耦合超声技术。采用可在空气中传播的低频声波实现非接触检测，对高衰减材料有较高穿透能力。

3)激光超声技术。利用激光脉冲激发超声波进行检测，具有非接触和可远程检测的特点，但由于该技术需要更高的成本，尚未普遍应用于工业领域。

4)声发射技术。通过接收和分析缺陷变化产生的应力波来实时监控正在扩展的缺陷，但缺陷停止演变后，检测信号无法再现，并且缺陷应力波信号的识别，需要借助复杂的信号处理技术，增加了声发射技术的应用难度。

5)声振法是激励被检件产生机械振动，通过测量被检件振动的特征来判断被检件胶接质量。

X射线检测技术是采用射线源透照物体，利用穿过被检件射线能量强弱来判断材料内部缺陷。该方法对分层、脱粘类缺陷不敏感，但对发泡胶空洞、夹杂、芯格断裂、节点脱开、芯格压缩等缺陷具有较好的检测效果。

近年来，计算机射线成像技术(CR)、数字化射线成像技术(DR)、计算机层析成像检测(CT)等数字射线技术发展迅速，使复合材料X射线检测技术实现了检测结果实时显示与数字化存储，大幅提升了复合材料微观结构精密测量和表征能力。并且，随着自动化检测水平的提高(图3)，借助自动操纵装置，实现零件摆放、射线源位置等的自动布局和移动，可以提高检测效率和精度。

图2 X射线机械化检测

红外热像技术是基于物体的热辐射特性，使用红外热像仪观测材料缺陷区及完好区红外辐射差异来检测物体内部缺陷。对红外辐射差异信号的数字化处理使人眼可视范围扩展到红外波段。

该技术非常适合大型部件的全场快速检测，检测速度是水浸C扫描检测速度的30倍以上，还具有操作简单、检测结果直观、实时、便于原位检测等特点，但是此方法也有一些缺陷：

(1)对于“冷零件”，即自身没有可检出的热辐射的被检测件，目前的热加载方式，无论其加载的方式、加载效果、加载工艺性、加载效率等，还是检测设备、实际应用的可行性等方面都需要有质的进步或技术提升;

(2)就复合材料而言，红外的缺陷检出能力还是非常有限的，其更适合一些蒙皮较薄的蜂窝夹芯的无损检测，或者夹芯结构进水的检测;

(3)受被检测结构表面的涂料、漆层等残留或零件表面颜色不均匀等的影响，红外检测经常会造成缺陷伪像，从而影响缺陷的判别。

不过，随着高速、高像元、高灵敏度红外热像仪的出现及计算机数字信号处理技术的进步，该技术得到了快速发展。目前，美国GE、波音、洛克希德、NASA等已将红外热像技术作为重要检测手段应用于实际生产，ASTM已制定脉冲红外热像检测标准和航空航天复合材料无损检测导则。瑞典、加拿大、俄国、德国、法国等已将该技术应用于航空航天领域金属、陶瓷、橡胶、发动机金属喷管、胶接CFRP材料、铆接蒙皮、胶接蜂窝夹芯结构等的质量检测方面。

电子散斑干涉(ESPI)是以激光、光电子技术、数字图像处理技术为基础的现代光学测量技术，该技术以激光散斑作为被测物场变化信息的载体，通过对待测材料加载时观察缺陷表面因异常变形导致的异常光学干涉条纹来判断缺陷特征。

该技术研究重点关注加载方式、检测方法、调制加载技术及图像信号处理等。采用的加载方式主要包括真空加载、热加载、声加载、电磁加载等，选择不同的加载方式，可实现复合材料不同类型缺陷的检测及评估。

电子散斑干涉(ESPI)以及电子剪切散斑干涉(ESSPI)技术能实时、可靠地检测出GLARE、GFRP、蜂窝夹芯材料中的脱粘、分层、冲击损伤、蜂窝积水等典型缺陷，尤其对复合材料内部开裂、裂纹较敏感。

目前，散斑干涉技术已被广泛应用于航空航天复合材料的质量评价中。美国空军将ESSPI技术作为检测B-2飞机蒙皮与芯子粘接质量的主要手段，肯尼迪航天中心用该技术检测航天飞机外部燃料箱热保护层和固体火箭推进器的热保护层。国内天津大学、南京航空航天大学、上海交通大学等也将相应技术应用于复合材料夹杂、脱粘、芯格断裂、冲击损伤等缺陷的检测。

发动机复合材料制件以层板结构和蜂窝夹层结构为主，具有双曲率、多拐角、变厚度等结构特点，并采用多种制作工艺和材料体系，给无损检测可达性、完整性、准确性及一致性带来较大挑战。以下是一些具体的应用案例：

采用多轴喷水式自动超声检测系统实现对变结构、变厚度的风扇机闸的三维C扫检测，一次扫查零件所有部位。同时，在复合层合材料中嵌入特氟龙材料模拟缺陷，利用先进的信号处理工具，以较高信噪比识别出复杂结构部位的预制缺陷，如图3所示。

图3 多轴喷射式超声检测平台及机闸C扫描成像

罗罗公司“超级风扇”发动机风扇叶片采用水浸式超声穿透法进行成像检测，检测利用自校准和自评价系统，以超过200 mm/s高速对复杂双曲率型面叶片和金属包边进行高分辨率测量，多轴超声水浸平台及“超级风扇”的高分辨率测量如图4。

图4 多轴超声水浸平台及“超级风扇”高分辨率测量示意图

DantecDynaminc公司利用激光散斑技术，同时结合六自由度的机械臂(图5)，对复合材料叶片进行成像检测，根据相位图上的蝶形图案检测树脂基复合叶片的冲击损伤。

图5 复合材料叶片自动激光散斑检测

航空发动机复合材料短舱通常采用蜂窝夹层结构制作，且尺寸较大，检测耗时较长。SAFRAN公司利用红外检测技术检测效率高的优势，结合Kuka机器人自动控制技术(图6)，将红外自动检测技术应用于LEAP-1A和Trebt7000发动机短舱复合材料的测量，检测时间减少一半。

图6 发动机短舱红外无损检测平台

NSI北极星公司对树脂基编织复合材料进行CT检测，用于识别复合材料中脱毛、屈曲、材料、纤维取向以及均匀性等问题。CT检测结果如图7所示。

图7 树脂基编织复合材料CT检测结果

Suragus研制涡流自动检测系统，用于纤维编织、预制材料和复合材料检测，可以分析多层结构碳纤维内的纹理缺陷，如失真、错位、褶皱、重叠以及间隙等缺陷。检测系统及缺陷检测结果如图8所示。

图8 涡流检测系统及检测结果举例

Suragus公司则基于高频涡流检测，制作了用于纤维的面积纤维密度和均匀性评估原型机，如图9 所示。

图9树脂基复合材料中部分缺陷形态

图9 涡流密度检测平台及材料均匀性和密度图

6、展望

无损检测技术的发展，有助于进一步推动复合材料的应用，提升发动机性能和降低发动机制造和维护成本。在今后的复合材料无损检测技术发展中，自动化和机械化的检测平台将逐渐取代传统的手动检测，数字化检测技术将进一步在复杂型面结构检测中发挥优势。

除了检测技术的革新，无损检测和过程控制的结合以及人工智能和不同数据分析评价方法的引入，将推动着树脂基复合材料的性能和可靠性向高标准高要求发展，以保证服役安全。同时，航空发动机树脂基复合材料重要部件与实时传感器的融合，进一步保证了发动机的服役安全。