肖軻迪,高晨家, 陳 博, 吳君豪,王博堯, 吳時紅, 金 珂, 徐 林

(航天材料及工藝研究所,北京 100076)

隨著航天工業(yè)的快速發(fā)展,復(fù)合材料越來越多地應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu),并起到重要作用[1]。在這些復(fù)合材料中,復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用非常廣泛[2-4]。復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)主要包括蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、泡沫夾層結(jié)構(gòu)、防隔熱材料與金屬殼體膠接結(jié)構(gòu)等。防隔熱材料與金屬殼體膠接結(jié)構(gòu)屬于新型結(jié)構(gòu),其中的防隔熱材料具有密度低、質(zhì)量輕、孔隙率高等特點,而金屬殼體厚度一般較大,同時含有蒙皮、筋條等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。以上特點為此類復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的無損檢測帶來了困難,檢測時往往需要結(jié)合多種檢測手段進行[5-9]。

針對鋁管與泡沫隔熱層膠接結(jié)構(gòu)脫黏缺陷的無損檢測問題進行研究,分析了其結(jié)構(gòu)特點和缺陷類型,制作了人工缺陷試樣,采用空氣耦合超聲穿透法對試樣進行檢測,并對掃描發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域開展了微焦點CT檢測,分析了異常區(qū)域的缺陷類型及成因,以為航天復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)脫黏缺陷的檢測提供參考。

1 材料結(jié)構(gòu)與缺陷試樣

鋁管與泡沫隔熱層膠接結(jié)構(gòu)由位于內(nèi)側(cè)的鋁管、位于外側(cè)的泡沫隔熱層和兩者之間的膠層構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋁管直徑為600 mm,厚度為2.5 mm,鋁管表面加工了數(shù)根凸出的環(huán)向筋條(每根筋條間距160 mm)。鋁管外表面分塊黏貼預(yù)加工和彎曲成型的泡沫隔熱層,其厚度為25 mm。泡沫內(nèi)表面在筋條處加工對應(yīng)位置和尺寸的凹槽,以利于黏貼時泡沫與筋條的貼合。黏貼時,在鋁管表面和泡沫表面均刷膠,然后將泡沫置入黏貼位置,結(jié)構(gòu)整體包裹真空袋并使用熱壓罐固化。

圖1 鋁管與泡沫隔熱層膠接結(jié)構(gòu)示意

對于上述鋁板-膠層-泡沫材料結(jié)構(gòu),從檢測角度分析,該結(jié)構(gòu)包含兩個界面,分別是鋁板-膠層界面、膠層-泡沫界面,其脫黏缺陷類型如圖2所示,主要分為兩種,第一種是鋁板與膠層界面脫黏缺陷,第二種是膠層與泡沫界面脫黏缺陷。從材料成型角度分析,還有一類缺陷為膠層中間存在空氣層,此類缺陷對檢測信號產(chǎn)生的影響與第二種類型的相同,故與第二種合并制作。

圖2 復(fù)合結(jié)構(gòu)脫黏缺陷類型示意

針對這兩種脫黏缺陷,設(shè)計并制作了人工缺陷試樣,其實物如圖3所示。筆者在一件完整的鋁管與泡沫隔熱層膠接結(jié)構(gòu)的一端制作了兩排人工缺陷,每排對應(yīng)一種缺陷類型。試樣的上排缺陷模擬鋁板與膠層脫黏缺陷,其制作方法是不在缺陷位置的鋁板表面刷膠且鋁板背面黏貼內(nèi)置聚四氟乙烯薄膜的壓敏膠帶片,泡沫不下壓。試樣的下排缺陷模擬膠層與泡沫脫黏缺陷,其制作方法是缺陷位置的鋁板表面正常刷膠、泡沫下壓約1 mm。試樣上每排制作4個不同尺寸的圓形缺陷,其直徑從小到大分別為20,40,60,100 mm。

圖3 人工缺陷試樣實物

2 脫黏缺陷檢測方法

膠接結(jié)構(gòu)脫黏缺陷的檢測方法分為兩類,一類是從材料一側(cè)進行檢測的單面檢測方法,另一類是縱向穿透整體材料的穿透檢測方法。

在單面檢測方法中,敲擊法、超聲脈沖多次反射法、紅外法的檢測面是鋁管的內(nèi)表面,由于鋁管直徑為600 mm,手持式敲擊儀或一般超聲平探頭放置在內(nèi)表面后會處于架空狀態(tài),聲耦合效果差。同理,紅外檢測使用的熱像儀也難以進入鋁管中進行操作。激光錯位散斑法可從被檢件外表面進行檢測,檢測時在泡沫外側(cè)施加聲加載,而泡沫材料弧度大,受迫振動性能差,難以在聲加載下產(chǎn)生泡沫層的離位。

穿透檢測方法主要包括超聲噴水穿透法和空氣耦合超聲穿透法。在超聲噴水穿透法中,超聲波縱向穿透整體結(jié)構(gòu),穿透波幅度會受到入射位置各組成材料的缺陷或衰減的共同影響。被檢件使用的泡沫材料密度低且孔隙率高,對常用頻率(500 kHz～2.25 MHz)的聲波衰減大,聲波穿透能力有限。空氣耦合超聲穿透法與超聲噴水穿透法原理相同,但是空氣耦合超聲檢測不需要使用耦合劑,聲波在空氣中傳播并進入被檢件,對泡沫材料無影響。同時,空氣耦合超聲的常用頻率更低(50 kHz～200 kHz),且空氣耦合超聲波一般使用脈沖串形式激發(fā),聲波穿透性更強,適用于泡沫材料的檢測。因此,筆者使用空氣耦合超聲穿透法對被檢件進行檢測研究。

3 空氣耦合超聲穿透法檢測

在空氣耦合超聲穿透法檢測中,發(fā)射探頭和接收探頭安裝在機械掃查機構(gòu)的探頭桿上,分別位于被檢件的兩側(cè),相互對中且與被檢件表面垂直。檢測時,機械掃查機構(gòu)對被檢件作逐行掃描,對應(yīng)每個位置坐標的穿透波信號幅度由采集卡采集,然后傳輸?shù)焦た貦C進行C掃描成像。檢測使用的探頭頻率為50 kHz,晶片直徑為70 mm,探頭類型為直探頭,激勵電壓為350 V,激勵脈沖周期數(shù)為6個,發(fā)射和接收探頭與試樣表面距離均為50 mm。人工缺陷試樣的空氣耦合超聲C掃描結(jié)果如圖4所示,可見空氣耦合超聲信號的幅度以灰度形式顯示在圖像中,顏色越淺表示穿透波信號幅度越高,顏色越深表示穿透波信號幅度越低;黏接完好處穿透波信號幅度最高,顯示為白色,其他深色區(qū)域表示穿透波信號幅度下降,為異常區(qū)域。

圖4 人工缺陷試樣的空氣耦合超聲C掃描結(jié)果

圖4中,沿橫向分布的灰黑色條對應(yīng)筋條區(qū)域,筋條之間的區(qū)域?qū)?yīng)鋁板區(qū)域。紅色虛線圓圈標記的是人工缺陷的制作位置,其中上面一行人工缺陷的類型為膠層與泡沫界面脫黏缺陷;下面一行人工缺陷的類型為鋁板與膠層界面脫黏缺陷。由掃描結(jié)果可見,上面一行對應(yīng)直徑為60 mm和100 mm的人工缺陷檢測效果較好,邊緣清晰明顯;下面一行對應(yīng)直徑為20 mm和100 mm的人工缺陷的邊緣檢測效果欠佳,可能是固化時膠液流進置入膠帶片的區(qū)域所致。其他人工缺陷均不同程度包含和圍繞在穿透波幅低的異常區(qū)域內(nèi)。除人工缺陷所處區(qū)域,未制作人工缺陷的筋條和鋁板區(qū)域也發(fā)現(xiàn)較大面積的異常區(qū)域。為確定異常區(qū)域是否屬于脫黏缺陷,并確定脫黏缺陷所屬的類型,需要結(jié)合其他檢測手段進一步分析。

4 異常區(qū)域分析

4.1 被檢件切割及位置編號

空氣耦合超聲檢測發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域如圖5所示,按圖5所畫線條對掃描結(jié)果對應(yīng)的區(qū)域進行切割得到不同的缺陷試片,黑色線所畫圓圈是人工缺陷制作位置,紅色所畫斜線的區(qū)域是空氣耦合超聲檢測發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域。為分析穿透波幅度低的異常區(qū)域?qū)?yīng)的缺陷類型,從試片上選擇了4個有代表性的區(qū)域,用亮紅色圓圈標出并編號,以進行進一步分析。其中,1#區(qū)域為切面邊緣區(qū)域,可直接觀察切面。2#區(qū)域為筋條及附近位置的異常區(qū)域,可用微焦點CT進行成像,分析筋條位置的缺陷類型。3#區(qū)域為缺陷制作區(qū)域,該缺陷的制作面積為直徑60 mm的圓形,在空氣耦合超聲檢測圖像中顯示的是直徑約為56 mm的圓形。4#區(qū)域為鋁板位置的異常區(qū)域,該位置未制作人工缺陷,若通過微焦點CT發(fā)現(xiàn)缺陷,則屬于自然缺陷。該區(qū)域在空氣耦合超聲檢測圖像中的顯示尺寸約為28 mm×20 mm(長×寬)。

圖5 空氣耦合超聲檢測發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域示意

4.2 切面觀察

切割試樣后觀察1#區(qū)域切面,1#筋條區(qū)域切面與完好處切面形貌如圖6所示,對比發(fā)現(xiàn)1#切面的筋條位置泡沫與鋁板型面不貼合,膠層未填滿,存在縫隙,屬于脫黏缺陷。

圖6 1#筋條區(qū)域切面與完好處切面形貌

使用高倍顯微鏡觀察1#區(qū)域筋旁邊的鋁板處,其結(jié)果如圖7所示,圖中上部亮色為鋁板,下部深色為膠層,可見在膠層中靠近鋁板的一側(cè)存在條形間隙。

圖7 鋁板1#區(qū)域高倍顯微照片

4.3 微焦點CT檢測

使用微焦點CT對編號2#～4#的異常區(qū)域進行檢測。

2#區(qū)域(即筋條異常區(qū)域)微焦點CT檢測結(jié)果如圖8所示,發(fā)現(xiàn)筋條處泡沫與鋁板及筋條型面不匹配,存在縫隙,屬于脫黏缺陷。

圖8 2#筋條區(qū)域微焦點CT檢測結(jié)果

3#區(qū)域(即膠層與泡沫界面脫黏缺陷的制作區(qū)域)微焦點CT檢測結(jié)果如圖9所示,可見,缺陷制作效果較好,泡沫明顯下陷,鋁面板與泡沫之間存在縫隙,通過圖像測量得到其直徑約為57 mm,與制作的尺寸基本相同。

圖9 3#區(qū)域微焦點CT檢測結(jié)果

4#區(qū)域的微焦點CT檢測結(jié)果如圖10所示,可見膠層中存在平面空氣間隙層,其靠近鋁板的一側(cè),尺寸約為20 mm,屬于脫黏缺陷,缺陷處的材料結(jié)構(gòu)為鋁板-膠層-空氣層-膠層-泡沫。由于此區(qū)域未制作人工缺陷,該缺陷應(yīng)為自然缺陷。

圖10 4#區(qū)域微焦點CT檢測結(jié)果

5 脫黏缺陷形成原因分析

通過試片切面觀察及微焦點CT檢測,發(fā)現(xiàn)1#～4#位置均為脫黏缺陷,驗證了空氣耦合超聲穿透法的檢測結(jié)果。

對微焦點CT檢測圖像進行分析,發(fā)現(xiàn)脫黏缺陷的類型按形成原因劃分,主要有兩種。第一種對應(yīng)1#區(qū)域和2#區(qū)域的筋條位置,其泡沫與鋁板型面不匹配,兩者之間存在較大縫隙,膠層未填滿縫隙而產(chǎn)生脫黏缺陷。第二種對應(yīng)3#區(qū)域鋁板位置和4#區(qū)域,其膠層中存在空氣間隙層。

6 結(jié)語

針對鋁管與泡沫隔熱層膠接結(jié)構(gòu)脫黏缺陷的無損檢測問題,筆者采用空氣耦合超聲C掃描對其進行檢測,在檢測圖像中,發(fā)現(xiàn)多處穿透波波幅較低的異常區(qū)域。為說明異常區(qū)域的性質(zhì),對試樣進行了微焦點CT檢測和切面觀察,結(jié)果表明,脫黏缺陷成因分為兩類,一類是型面不貼合引起膠層未填滿,另一類是膠層內(nèi)空氣未完全排出產(chǎn)生了空氣間隙層。