孫廣開，周正干,3,*，陳 曦

(1.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063；2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083；3. 先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100083)

激光超聲技術(shù)在先進(jìn)復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用研究

孫廣開1,2，周正干1,2,3,*，陳 曦1,2

(1.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063；2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083；3. 先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100083)

為實(shí)現(xiàn)航空航天先進(jìn)復(fù)合材料的非接觸、高精度檢測，研究激光超聲技術(shù)在復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用。制備預(yù)埋人工缺陷的碳纖維樹脂基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料試樣，利用自主研制的激光激勵(lì)、激光探測的全光學(xué)激光超聲無損檢測系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)模擬分層缺陷檢測，層壓復(fù)合材料緊固孔邊沿分層檢測，以及陶瓷基復(fù)合材料分層檢測。研究結(jié)果表明：激光超聲檢測技術(shù)可以有效檢出碳纖維樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部直徑2 mm以上分層型缺陷，可檢出碳纖維復(fù)合材料緊固孔邊沿的小尺寸分層，可表征C/SiC復(fù)合材料內(nèi)部直徑5 mm以上分層，在航空航天工程領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

激光超聲；無損檢測；復(fù)合材料；航空航天

0 引言

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是以有機(jī)高分子材料為基體、高性能連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料、通過復(fù)合工藝制備而成，具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新型材料，是繼鋁合金、鈦合金和鋼之后最重要的飛行器結(jié)構(gòu)材料之一。復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度和比剛度高、抗疲勞斷裂性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可有效降低飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量(減重20%～30%)[1-3]。從20世紀(jì)90年代至今，新型飛行器的復(fù)合材料使用量大幅增加，并且已經(jīng)成為飛行器先進(jìn)性的重要標(biāo)志。但是，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造和使用過程中容易產(chǎn)生分層、孔隙、脫粘、夾雜等缺陷，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全性能造成致命威脅。因此，在航空航天領(lǐng)域，除了采用嚴(yán)格的工藝要求盡量避免出現(xiàn)缺陷外，各種無損檢測技術(shù)是保證復(fù)合材料可靠應(yīng)用的重要手段。但是，隨著飛行器性能要求的不斷提高和復(fù)合材料技術(shù)的快速發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝不斷出現(xiàn)并得到應(yīng)用，這對無損檢測技術(shù)提出了新的要求，研究與新型復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展水平相適應(yīng)的無損檢測技術(shù)已成為國內(nèi)外研究人員普遍關(guān)注的新課題。

激光超聲無損檢測技術(shù)是近年來國內(nèi)外研究的重要方向[4-7]。這是一種利用激光來產(chǎn)生和探測超聲波進(jìn)而檢測材料和結(jié)構(gòu)中缺陷的非接觸無損檢測方法，與常規(guī)壓電超聲檢測技術(shù)相比，激光超聲檢測技術(shù)具有非接觸和高分辨力的特點(diǎn)，并可與光學(xué)掃描技術(shù)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)高效率的檢測，在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速檢測中具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，也可現(xiàn)場應(yīng)用[8-12]。早在80年代初期，通用動(dòng)力就預(yù)測利用激光超聲波技術(shù)能夠大幅縮短復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)檢測周期、降低生產(chǎn)成本，并在1983年啟動(dòng)一項(xiàng)專門的技術(shù)研究和設(shè)備研制計(jì)劃。到80年代末，通用動(dòng)力率先建立起完備的工業(yè)用激光超聲無損檢測系統(tǒng)原型機(jī)，并示范了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的激光超聲無損檢測。90年代初，在美國空軍的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)項(xiàng)目資助下，通用動(dòng)力對原型機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)升級，并在1997年建立起工業(yè)型激光超聲無損檢測系統(tǒng)，以提高飛行器復(fù)合材料構(gòu)件的檢測效率、降低制造成本。從2000年起，洛克希德·馬丁陸續(xù)安裝了兩套激光超聲系統(tǒng)用于檢測飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。據(jù)文獻(xiàn)[4-5]報(bào)道，該系統(tǒng)解決了極復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自動(dòng)掃描檢測問題，檢測效率提高近10倍。與此同時(shí)，加拿大國家研究理事會在90年代中期也開發(fā)出激光超聲系統(tǒng)并提供給達(dá)索公司用于檢測飛行器復(fù)合材料部件。但是，隨著航空航天材料與結(jié)構(gòu)檢測要求的不斷提高，以及新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的應(yīng)用，在利用激光超聲技術(shù)進(jìn)行航空航天先進(jìn)復(fù)合材料的非接觸、高精度無損檢測方面仍然需要開展必要的試驗(yàn)研究與驗(yàn)證。

針對這一問題，本研究利用自主研制的激光超聲無損檢測系統(tǒng)，開展航空航天先進(jìn)復(fù)合材料無損檢測的應(yīng)用研究，試驗(yàn)驗(yàn)證該技術(shù)在航空航天先進(jìn)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的非接觸、高精度無損檢測方面的適用性，以進(jìn)一步推進(jìn)激光超聲無損檢測技術(shù)在航空航天工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 激光超聲檢測的基本原理

激光超聲檢測技術(shù)是利用激光來激勵(lì)和接收超聲波進(jìn)而檢測材料和結(jié)構(gòu)中缺陷的無損檢測技術(shù)，具有非接觸和高精度的特點(diǎn)，以及大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速檢測和現(xiàn)場應(yīng)用能力。通常采用的檢測方法主要包括穿透法、脈沖反射法以及表面波法、蘭姆波法等，其中以脈沖反射法和穿透法的應(yīng)用最為廣泛。基于脈沖反射法和穿透法的激光超聲檢測原理如圖1所示。

圖1 脈沖反射式和穿透式激光超聲檢測技術(shù)的基本原理

通常，激光超聲無損檢測系統(tǒng)是利用脈沖激光器產(chǎn)生超聲波，并利用激光干涉測量儀接收超聲信號的全光學(xué)系統(tǒng)[5,8-10]，主要包括脈沖激光器、激光干涉測量儀、信號處理器、數(shù)據(jù)采集卡、精密掃描裝置、運(yùn)動(dòng)控制器、工控機(jī)和超聲C掃描軟件等儀器部件。典型的激光超聲無損檢測系統(tǒng)的基本原理如圖2所示。

圖2 激光超聲無損檢測系統(tǒng)的基本原理

2 激光超聲無損檢測系統(tǒng)

根據(jù)激光超聲檢測技術(shù)的基本原理，建立激

光超聲無損檢測系統(tǒng)，實(shí)物如圖3所示。該系統(tǒng)利用Nd:YAG脈沖激光器產(chǎn)生超聲信號，脈沖激光波長為1 064 nm、脈沖時(shí)間寬度為10 ns、單次脈沖激光能量調(diào)節(jié)范圍0～50 mJ、激光焦斑直徑調(diào)節(jié)范圍0.7～2 mm；采用雙波混合型激光干涉探測裝置接收超聲信號[9]，探測激光波長為1 550 nm、激光功率調(diào)節(jié)范圍0～0.1 mW、探測焦斑直徑約100 μm，響應(yīng)頻帶范圍0.050～100 MHz；采用增益放大器和組合濾波器處理超聲信號；接收到的超聲信號由數(shù)字示波器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化和顯示以實(shí)時(shí)監(jiān)測超聲信號，同時(shí)采用DAQ數(shù)據(jù)采集卡同步采集模擬超聲信號，由脈沖激光器發(fā)射數(shù)據(jù)采集同步信號；掃描過程由一套精密二維位移平臺(最小步進(jìn)長度5 μm)和控制裝置帶動(dòng)試件運(yùn)動(dòng)完成；自主開發(fā)了一套激光超聲C掃描程序?qū)崿F(xiàn)試件的成像檢測。

圖3 激光超聲無損檢測系統(tǒng)的實(shí)物圖

3 先進(jìn)復(fù)合材料的激光超聲檢測

3.1 碳纖維樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部分層檢測

基于熱壓罐成型工藝制備碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基層壓復(fù)合材料試樣，碳纖維型號HT3，環(huán)氧樹脂型號NY9200，碳纖維預(yù)浸料厚度約0.36 mm，鋪層數(shù)量28層，鋪層方式[0°/+45°/-45°/90°]28，試樣幾何尺寸約86 mm×44 mm×10 mm。在試樣制備過程中，在試樣厚度中央位置橫向布置圓形聚四氟乙烯薄片模擬內(nèi)部分層型缺陷(模擬缺陷界面距試樣表面距離約4.75 mm)，薄片數(shù)量10，薄片直徑為2～8 mm、厚度約0.5 mm。制備的碳纖維樹脂基復(fù)合材料試樣及其內(nèi)部模擬缺陷分布如圖4所示。

采用脈沖反射法(通過底面回波衰減表征缺陷)和穿透法對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基層壓復(fù)合材料試樣進(jìn)行激光超聲C掃描檢測。主要試驗(yàn)參數(shù)為：脈沖激光能量2 mJ、脈沖激光光斑直徑5 mm，探測激光功率0.2 mW、探測激光光斑直徑100 μm，超聲信號頻帶范圍1～2 MHz，掃描分辨率0.35 mm。

試驗(yàn)得到的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料試樣中有無分層缺陷位置的激光超聲信號如圖5，掃描試樣得到的C型圖如圖6所示，其中分層型缺陷的形狀、尺寸和分布與試樣中預(yù)置聚四氟乙烯薄片的特征相符，但存在圖像噪聲。

通過分析C掃描過程中激光干涉測量裝置探測靈敏度變化和超聲幅度波動(dòng)，結(jié)合層狀各向異性材料內(nèi)部缺陷表征相關(guān)研究得出，C型掃描圖中出現(xiàn)的圖像噪聲主要與以下因素有關(guān)：1)碳纖維層壓復(fù)合材料的層狀各向異性導(dǎo)致聲波的非對稱性傳播、聲束傾斜和畸變，掃描過程中測量位置的微小變化會導(dǎo)致測量點(diǎn)處底面回波和透射波能量出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)；2)探測激光入射方向與試樣表面法向間的角度和相對位置變化以及材料表面粗糙度的變化會影響激光干涉測量裝置的探測靈敏度進(jìn)而導(dǎo)致聲波幅度的波動(dòng)。上述聲波幅度波動(dòng)會導(dǎo)致圖像噪聲。

圖4 碳纖維樹脂基復(fù)合材料試樣及其內(nèi)部模擬缺陷分布

圖5 碳纖維樹脂基復(fù)合材料有無分層位置的激光超聲信號

圖6 碳纖維樹脂基復(fù)合材料分層激光超聲C掃描檢測

試驗(yàn)表明：采用激光超聲無損檢測方法可以有效檢出碳纖維樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部直徑2 mm以上的分層型缺陷。

3.2 特殊材料與結(jié)構(gòu)的激光超聲檢測

1)緊固孔邊沿分層的檢測。

采用HT3高強(qiáng)型碳纖維、NY9200G環(huán)氧樹脂基體和熱壓罐成型工藝制備復(fù)合材料試樣，試樣幾何尺寸為95 mm×46 mm×7.6 mm，試樣的單層厚度約0.27 mm、共28層、鋪層方式為[±45°]28。采用振動(dòng)制孔工藝在試樣中加工5個(gè)緊固孔，緊固孔直徑在10～12 mm范圍，制備的含有緊固孔的碳纖維層壓復(fù)合材料試樣如圖7所示。

圖7 碳纖維樹脂基復(fù)合材料鉆孔分層試樣

試樣中5處緊固孔以1～5號數(shù)字標(biāo)識，其中3號緊固孔在制造過程中采用粗加工工藝完成，緊固孔邊沿處存在明顯分層缺陷(尺寸約0.5 mm)，分層位于試樣表層和半壁厚位置。

基于脈沖反射法和穿透法，對復(fù)合材料緊固孔模擬分層試樣進(jìn)行C型掃描檢測，超聲信號的激光激勵(lì)參數(shù)和探測參數(shù)與3.1節(jié)相同，采用帶通濾波器提取2～4 MHz頻率范圍的窄帶超聲信號用于表征鉆孔分層缺陷，掃描步長0.2 mm，在試樣中緊固孔邊沿測得的有無分層位置的激光超聲反射和透射信號如圖8，掃描試樣得到的C型圖如圖9所示。

圖8 碳纖維樹脂基復(fù)合材料有無分層位置的激光超聲信號

從圖9中可以觀測到緊固孔邊沿的小尺寸分層，初步驗(yàn)證了采用激光超聲方法檢測碳纖維復(fù)合材料緊固孔邊的小尺寸分層的可行性。

2)耐高溫復(fù)合材料分層的檢測。

以T300型碳纖維為增強(qiáng)材料編織成二維疊層碳布，在碳布層間預(yù)置厚度約0.2 mm的石墨紙模擬分層缺陷(石墨紙中含有圓形、橢圓、矩形和不規(guī)則形狀的通孔，通孔處可以近似為完整區(qū)域，通孔直徑約5 mm，即不存在分層)，當(dāng)碳布疊層達(dá)到標(biāo)定厚度時(shí)，采用碳纖維束縫合碳布疊層，得到二維預(yù)制體；采用化學(xué)氣相沉積法在二維預(yù)制體上沉積熱解碳界面層，并通過CVI法制備SiC基體，得到的C/SiC復(fù)合材料試樣的幾何尺寸約200 mm×100 mm×4.2 mm。制備的C/SiC復(fù)合材料試樣及內(nèi)部模擬分層缺陷分布如圖10所示。

圖9 碳纖維復(fù)合材料鉆孔分層激光超聲C掃描檢測

圖10 陶瓷基復(fù)合材料(C/SiC)模擬內(nèi)部分層試樣

利用建立的激光超聲系統(tǒng)，開展C/SiC復(fù)合材料內(nèi)部分層檢測試驗(yàn)。由于C/SiC復(fù)合材料具有耐高溫特性，材料表面不易熔蝕，對于C/SiC復(fù)合材料中激光超聲的激發(fā)問題，可以采用更高脈沖功率密度以提高超聲激發(fā)效率。采用的主要試驗(yàn)參數(shù)為：脈沖激光能量10 mJ、脈沖激光光斑直徑4 mm，探測激光功率1 mW、探測激光光斑直徑100 μm，掃描分辨率0.2 mm，超聲信號頻率范圍0.5～1 MHz。

在C/SiC復(fù)合材料檢測實(shí)驗(yàn)過程中無法提取到頻率1 MHz以上的激光超聲反射信號，超聲信號主要分布在1 MHz以內(nèi)的低頻范圍，因此采用穿透法檢測材料中的分層缺陷。試驗(yàn)得到的C/SiC復(fù)合材料試樣有無分層位置的激光超聲透射信號如圖11。采用穿透法對試樣進(jìn)行激光超聲C掃描檢測，得到的C型圖如圖12，其中分層的形狀、尺寸和分布特征清晰可辨，與試樣中預(yù)置內(nèi)部分層的形狀、尺寸和分布特征一致。

圖11 C/SiC復(fù)合材料有無分層位置的激光超聲信號

試驗(yàn)表明：采用激光超聲無損檢測方法可以有效檢出陶瓷基(C/SiC)復(fù)合材料內(nèi)部的大尺寸面積型分層缺陷，并且可以表征C/SiC復(fù)合材料內(nèi)部直徑5 mm以上的分層/非分層區(qū)域。

圖12 C/SiC復(fù)合材料分層激光超聲C掃描檢測

4 結(jié)論

1) 自主研制的全光學(xué)的激光超聲無損檢測系統(tǒng)，采用脈沖激光器產(chǎn)生超聲波，并采用激光干涉測量儀探測超聲信號，具有完全非接觸和高精度的特點(diǎn)。

2) 激光超聲無損檢測方法可以有效檢出碳纖維樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部直徑2 mm以上的分層型缺陷；可應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料鉆孔分層的高精度檢測，能夠檢出緊固孔邊小尺寸分層缺陷。

3) 激光超聲無損檢測方法可以有效檢出陶瓷基(C/SiC)復(fù)合材料內(nèi)部的大尺寸面積型分層缺陷，并且可以表征C/SiC復(fù)合材料內(nèi)部直徑5 mm以上的分層/非分層區(qū)域。

[1] 陳紹杰. 大型飛機(jī)與復(fù)合材料[J]. 航空制造技術(shù),2008(15):32-37.

[2] 張立同. 國外航空用陶瓷發(fā)展趨勢[J]. 航空科學(xué)技術(shù),1994(6):25-28.

[3] 張權(quán)明. CMC在航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 宇航材料工藝,2011,41(6):1-3.

[4] Monchalin J P. Laser-ultrasonics: From the laboratory to industry[C]. AIP Conference,2004:3-31.

[5] Dubois M, Drake T E. Evolution of industrial laser-ultrasonic systems for the inspection of composites[J]. Nondestructive Testing and Evaluation,2011,26(3):213-228.

[6] Zhou Z G, Sun G K, Chen X C, et al. Detection of drilling-induced delamination in aeronautical composites by noncontact laser ultrasonic method[J]. Applied Optics,2014,53(12):2656-2663.

[7] Néron C, Padioleau C, Blouin A, et al. Robotic laser-ultrasonic inspection of composites[C]. AIP Conference Proceedings,2013,1511(1):353-359.

[8] Yang J, Lee H, Lim H J, et al. Development of a fiber-guided laser ultrasonic system resilient to high temperature and gamma radiation for nuclear power plant pipe monitoring[J]. Measurement Science and Technology,2013,24(8):1659-1666.

[9] Klein M B, Bacher G D, Grunnet-Jepsen A, et al. Homodyne detection of ultrasonic surface displacements using two-wave mixing in photorefractive polymers[J]. Optics Communications,1999,162(s1-3):79-84.

[10] Zuluaga-Ramírez P, Fr?vel M, Belenguer T, et al. Non contact inspection of the fatigue damage state of carbon fiber reinforced polymer by optical surface roughness measurements[J]. NDT and E International,2015,70:22-28.

[11] Katunin A, Dragan K, Dziendzikowski M. Damage identification in aircraft composite structures: A case study using various non-destructive testing techniques[J]. Composite Structures,2015,127:1-9.

[12] Martarelli M, Chiariotti P, Pezzola M, et al. Delamination detection in composites by laser ultrasonics[C]. AIP Conference Proceedings,2014,1600(1):405-412.

Application of Laser Ultrasonic Technology for Nondestructive Testing of Aerospace Composites

SUN Guang-kai1,2，ZHOU Zheng-gan1,2,3,*，CHEN Xi1,2

(1.KeyLaboratoryofNondestructiveTesting(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China；2.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China；3.CollaborativeInnovationCenterforAdvancedAero-Engine(CICAAE),Beijing100083,China)

In order to realize the noncontact and high precision testing of aerospace composites, the application research for the testing of composite materials with laser ultrasonic technology is carried out. Various kinds of composite materials with simulated defects are prepared as specimen, including the carbon fiber reinforced composites and ceramic matrix composites. An all optical laser ultrasonic testing system with laser generation and detection is self-developed and the corresponding experiments are conducted based on the system. The nondestructive testing of the composite specimens with simulated defects are realized, including the detection of delamination in carbon fiber reinforced composites, the detection of drilling-induced delamination in carbon fiber reinforced composites, and the detection of internal delamination in C/SiC composites. The results prove that the laser ultrasonic testing technology is applicable for the testing of internal delamination with a diameter larger than 2 mm in carbon fiber reinforced composites, the pony-size drilling-induced delamination can be detected, and the internal delamination with a diameter larger than 5 mm in ceramic matrix composites can be characterized. It has a wide range of applications in aerospace industry.

laser ultrasonic; nondestructive testing; composite; aerospace

2016年7月13日

2016年9月20日

無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(ZD200829009)；航空檢測與評價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(HK2008003)

周正干(1967年-)，男，博士，教授，主要從事無損檢測與計(jì)算機(jī)測控技術(shù)等方面研究。

TB553

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.05.003

1673-6214(2016)05-0276-07