張翠翠 潘 蘭 陳 曦 宋錦奪 俱可超

工業(yè)CT在噴管擴(kuò)散段絕熱層無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

張翠翠 潘 蘭 陳 曦 宋錦奪 俱可超

（西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025）

針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擴(kuò)散段絕熱層的常見(jiàn)缺陷和工業(yè)CT技術(shù)特點(diǎn)，采用工業(yè)CT技術(shù)對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)分析，結(jié)果表明：工業(yè)CT技術(shù)對(duì)提高制品質(zhì)量和改進(jìn)制品工藝有指導(dǎo)性的意義，在三維重建后更高層面上保證了產(chǎn)品質(zhì)量，為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作提供了強(qiáng)有力的保障手段。

噴管擴(kuò)散段；絕熱層；工業(yè)CT；三維重建

1 引言

擴(kuò)散段絕熱層具有可靠性高、生產(chǎn)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于高性能固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管推力和能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵部件上[1，2]。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)噴管擴(kuò)散段絕熱層由碳布/酚醛和高硅氧/酚醛復(fù)合纏繞材料構(gòu)成，整個(gè)擴(kuò)散段是平行于軸線方向布帶重疊纏繞成型的二維層合結(jié)構(gòu)形式，受其工藝特點(diǎn)的限制，碳布/酚醛與高硅氧/酚醛層之間的結(jié)合界面容易產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)，如：裂紋、分層、氣泡、疏松、樹(shù)脂積聚、厚度與設(shè)計(jì)要求不符等缺陷，這些缺陷的存在容易造成噴管燒蝕不均勻，并影響固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道的性能[3]，但是噴管擴(kuò)散段絕熱層服役中必須要求承受高壓、高溫和高速燃?xì)獾淖饔?，并且能夠在幾秒或幾十秒的工作時(shí)間內(nèi)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠地工作。因此，對(duì)擴(kuò)散段絕熱層的性能要求極為苛刻，用工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步嚴(yán)格控制其生產(chǎn)和加工過(guò)程的質(zhì)量非常必要。

2 噴管擴(kuò)散段絕熱層工業(yè)CT檢測(cè)現(xiàn)狀

工業(yè)CT檢測(cè)被譽(yù)為當(dāng)今最佳無(wú)損檢測(cè)和無(wú)損評(píng)估技術(shù)，能在對(duì)檢測(cè)物體無(wú)損傷的情況下，采用密度差異，即把不同密度的被檢測(cè)物體對(duì)穿透射線（X射線）的衰減系數(shù)換算成物質(zhì)的CT值，然后以二維灰度圖像的形式將物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成、密度變化等清晰、準(zhǔn)確、直觀地顯示出來(lái)，解決了一些關(guān)鍵性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)難題，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益[4]。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家趙付寶等[5]、李金鹿等[6]對(duì)噴管擴(kuò)散段絕熱層進(jìn)行了工業(yè)CT檢測(cè)，結(jié)果都證明了工業(yè)CT對(duì)于此類(lèi)產(chǎn)品缺陷具有很高的檢出效率。隨著工業(yè)CT三維重建技術(shù)的成熟，工業(yè)CT不僅可以獲得與膠片相媲美的斷層圖像數(shù)據(jù)，而且配合三維軟件后可以對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面、詳細(xì)地分析。歐美著名的ARACOR、BIR等公司已針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際檢測(cè)需求運(yùn)用三維重建進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)[7]，檢測(cè)效果較好。基于工業(yè)CT的以上優(yōu)點(diǎn)，本文采用工業(yè)CT對(duì)噴管擴(kuò)散段絕熱層進(jìn)行檢測(cè)分析，并對(duì)一些小型噴管擴(kuò)散段絕熱層缺陷區(qū)域進(jìn)行了三維重建以及全面展示。

3 工業(yè)CT在噴管擴(kuò)散段絕熱層無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 檢測(cè)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

空間分辨率：5lp/mm；密度分辨率：0.3%；射線機(jī)管電壓：430kV；射線機(jī)管電流：3.4mA；射線機(jī)焦點(diǎn)尺寸：0.4mm；探測(cè)器：線陣列探測(cè)器和面陣列平板探測(cè)器。

3.2 檢測(cè)應(yīng)用

3.2.1 工業(yè)CT在噴管擴(kuò)散段絕熱層缺陷檢測(cè)分析中的應(yīng)用

工業(yè)CT圖像充分再現(xiàn)了材料的組分及密度特性，適合于噴管擴(kuò)散段絕熱層中多種類(lèi)型缺陷的檢測(cè)，如裂紋、分層、氣泡、疏松、厚度不符等缺陷。有效的缺陷檢測(cè)，不僅提高了噴管擴(kuò)散段絕熱層的使用可靠性，而且為擴(kuò)散段絕熱層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了更多的選擇機(jī)會(huì)，使得工業(yè)CT檢測(cè)和制造工藝相結(jié)合，及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)缺陷的工序，便于改進(jìn)工藝，縮短研制周期，降低成本。

圖1為擴(kuò)散段絕熱層氣孔圖片，從圖中可以看出氣孔呈圓形缺陷，氣孔處影像灰度一致，與空氣密度接近，輪廓光滑，有明顯的邊界。通過(guò)工業(yè)CT軟件可以測(cè)量出該氣孔缺陷距離產(chǎn)品小端端面20mm，距內(nèi)型面7mm，直徑為1.8mm，缺陷處CT值最小值為0.01082，平均CT值為0.01737。根據(jù)CT值和物理密度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算得出密度降值為37.7%，超出設(shè)計(jì)提出的20%的要求，不符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝分析，此氣孔主要出現(xiàn)在制造過(guò)程中，是由于碳布浸泡樹(shù)脂不完全或者樹(shù)脂固化時(shí)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)物等形成的，樹(shù)脂中游離酚含量、膠帶中揮發(fā)份含量和固化壓力工藝都會(huì)影響氣孔的含量。

圖1 氣孔圖片和氣孔處密度降圖片

圖2為擴(kuò)散段絕熱層分層圖片，從圖中可以看出層間嚴(yán)重開(kāi)裂，線狀影像比較規(guī)則，呈弧線狀，層間密度均勻，低于基材密度。通過(guò)工業(yè)CT軟件可以測(cè)量出該分層缺陷距離產(chǎn)品小端端面40mm，距內(nèi)型面23mm，長(zhǎng)度為79.6mm，角度為82.025°，此分層在檢測(cè)圖像中占比較大，缺陷處CT值最小值為0.02610，平均CT值為0.05031，通過(guò)計(jì)算得出密度降值為48.1%，屬于嚴(yán)重缺陷。結(jié)合產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝分析，分層最根本的原因是粘接力不足，基體內(nèi)部或基體與纖維之間的粘接性能不足導(dǎo)致的。這種缺陷在擴(kuò)散段絕熱層中占比較大，其中以空腔型或者界面脫開(kāi)型最為嚴(yán)重，對(duì)噴管擴(kuò)散段絕熱層質(zhì)量影響也相對(duì)較大，也是纏繞工藝中的主要難題之一。一般針對(duì)分層較嚴(yán)重的產(chǎn)品，需要在缺陷中間進(jìn)行軸向檢測(cè)。

圖2 分層角度測(cè)量圖片和分層處密度降圖片

圖3為圖2的軸向檢測(cè)圖片，圖中明顯看出缺陷處平均灰度較周?chē)鷧^(qū)域的平均灰度低，形狀為線狀，中間寬兩端細(xì)，符合裂紋缺陷特征。通過(guò)工業(yè)CT軟件可以測(cè)量出該裂紋缺陷長(zhǎng)度為31.7mm，經(jīng)計(jì)算得出密度降與圖2密度降值相當(dāng)。該裂紋從產(chǎn)品小端端面開(kāi)始貫穿于產(chǎn)品小端，屬于內(nèi)部裂紋。結(jié)合工藝分析得出，其為產(chǎn)品端面受內(nèi)部應(yīng)力與機(jī)械加工時(shí)應(yīng)力共同作用產(chǎn)生的。

圖3 裂紋圖片

在噴管擴(kuò)散段絕熱層中，測(cè)量其結(jié)構(gòu)尺寸為其質(zhì)量控制中的重要內(nèi)容，特別是在燒蝕后其他檢測(cè)方式難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的情況下，工業(yè)CT技術(shù)在保證圖像質(zhì)量的情況下，可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、有效、全面的尺寸分析和測(cè)量。圖4為燒蝕后擴(kuò)散段絕熱層CT檢測(cè)圖，從圖中可以精確測(cè)量燒蝕后擴(kuò)散段絕熱層嚴(yán)重處每個(gè)點(diǎn)的碳層厚度等。從圖中可以看出，噴管燒蝕嚴(yán)重區(qū)域比對(duì)稱(chēng)碳層薄9mm，從而為噴管擴(kuò)散段絕熱層的熱防護(hù)提供理論依據(jù)，為改進(jìn)工藝提供有力的數(shù)據(jù)支持。

圖4 燒蝕后擴(kuò)散段絕熱層切層圖像

3.2.2 工業(yè)CT三維重建在噴管擴(kuò)散段絕熱層中應(yīng)用

圖5是工業(yè)CT采取一次圓周掃描獲取720幅投影圖像（0.5°采集一次），經(jīng)過(guò)三維重建獲取的三維斷層圖像（精確到每層間隔0.2mm，共計(jì)200層），并通過(guò)三維可視化分析軟件構(gòu)造的三維立體圖。從圖中、、三個(gè)不同方向剖切圖不僅可以看出環(huán)向橫截面的缺陷信息，而且可以看出徑向方向缺陷延伸程度，不用剖切，便可清晰地觀察任意截面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并能通過(guò)三維測(cè)量軟件對(duì)其進(jìn)行全方位測(cè)量，很大限度地排除和避免漏檢產(chǎn)品的可能。從方向角度測(cè)量圖可以明顯地看到擴(kuò)散段內(nèi)型面于軸線之間的角度，通過(guò)三維軟件對(duì)角度等的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)值之間比對(duì)，從而判斷產(chǎn)品是否符合設(shè)計(jì)要求和裝配條件，更高層次地保證了噴管擴(kuò)散段絕熱層質(zhì)量。

圖5 X、Y、Z三個(gè)不同方向剖切圖和Y方向角度測(cè)量圖

4 結(jié)束語(yǔ)

以上檢測(cè)結(jié)果表明：a.工業(yè)CT密度分辨率較高，可以準(zhǔn)確檢測(cè)出噴管擴(kuò)散段絕熱層中的裂紋、分層、氣孔、疏松等缺陷，能及時(shí)總結(jié)缺陷產(chǎn)生的原因，有針對(duì)性地進(jìn)行預(yù)防與控制，起到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。b.工業(yè)CT可以針對(duì)噴管擴(kuò)散段絕熱層內(nèi)部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行定量分析，能夠精確地測(cè)定產(chǎn)品幾何尺寸并且進(jìn)行表征，為噴管擴(kuò)散段絕熱層的質(zhì)量判定提供量化的依據(jù)，同時(shí)也為改進(jìn)工藝提供有力的數(shù)據(jù)支持。c.工業(yè)CT經(jīng)過(guò)三維重建后可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面的三維顯示和測(cè)量，有助于檢測(cè)人員對(duì)失效產(chǎn)品從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、角度等多方面進(jìn)行分析，快速改進(jìn)產(chǎn)品的工藝及質(zhì)量。

在后續(xù)的工作中，還將進(jìn)一步擴(kuò)展、完善工業(yè)CT三維重建技術(shù)的應(yīng)用功能，更高層次的保證噴管擴(kuò)散段絕熱層質(zhì)量。

1 世界導(dǎo)彈與航天發(fā)動(dòng)機(jī)大全中國(guó)航天工業(yè)總公司編輯委員會(huì). 世界導(dǎo)彈與航天發(fā)動(dòng)機(jī)大全[M]. 北京：軍事科學(xué)出版社，1999

2 邱哲明，陳明義，楊傳榮，等. 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)材料與工藝[M]. 北京：宇航出版社，1995

3 楊長(zhǎng)紅. 布帶纏繞制品缺陷分析及修補(bǔ)工藝技術(shù)研究[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006

4 吳東流，郭偉明. 復(fù)合材料計(jì)算機(jī)層析照相檢測(cè)及應(yīng)用[J]. 無(wú)損檢測(cè)，2002，24(4)：136～143

5 趙付寶，王從科，張霞，等. 工業(yè)CT在樹(shù)脂基復(fù)合材料缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 工程塑料應(yīng)用，2013，41(11)：96～98

6 李金鹿，王從科，柴娟，等. 工業(yè)CT技術(shù)檢測(cè)噴管擴(kuò)散段絕熱層坯料的缺陷[J]. 工程塑料應(yīng)用，2011，39(1)：64～67

7 Gonzalez R C, Woods R E.Digital image processing[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2003

Application of Industrial CT in Quality Detection of Nozzle Divergence Cone Insulation

Zhang Cuicui Pan Lan Chen Xi Song Jinduo Ju Kechao

(Xi’an Aerospace Composite Materials Research Institute, Xi’an 710025)

Based on technical properties of industrial CT technology and the common defects of nozzle divergence cone insulation for the rocket motor, the quality of nozzle divergence cone insulation was investigated in this paper. The results showed that industrial CT had instructive significance in improving the quality of the nozzle divergence cone insulation and optimizing the corresponding preparation technology. Especially, the technology of 3-D reconstruction, which provides powerful support for the normal operation of the rocket motor, has better effect in product quality guarantee.

nozzle divergent cone；heat insularting layer；industrial CT；3-D reconstruction

張翠翠（1983），工程師，復(fù)合材料與工程專(zhuān)業(yè)；研究方向：復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)工業(yè)CT檢測(cè)。

2019-12-12