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超材料是由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的人工復(fù)合電磁材料，其通過(guò)結(jié)構(gòu)單元中特殊電磁模式的激發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)自然材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)或很難實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特功能。含超材料的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料更是一種兼具了某種電磁功能與結(jié)構(gòu)承載功能的新型結(jié)構(gòu)。隨著現(xiàn)代航空航天技術(shù)的發(fā)展以及武器裝備的不斷更新?lián)Q代，含超材料的結(jié)構(gòu)功能一體化制件因其獨(dú)特的功能特征正逐步應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

 

超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)于含超材料的結(jié)構(gòu)功能一體件是否仍然適用，目前國(guó)內(nèi)鮮有相關(guān)研究。實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)復(fù)合材料，超材料會(huì)呈現(xiàn)出一些特殊的超聲表征，石英纖維預(yù)浸料的單層厚度是碳纖維的1/2，使用常規(guī)的超聲檢測(cè)手段無(wú)法同時(shí)發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和遠(yuǎn)表面缺陷。

 

為此，沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司的技術(shù)人員采用穿透法和反射法，對(duì)某種含超材料的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料試塊進(jìn)行了超聲檢測(cè)試驗(yàn)，確定了適用于零件各個(gè)工序階段的檢測(cè)方法；針對(duì)常規(guī)探頭近表面分辨力與穿透性無(wú)法同時(shí)兼顧的問(wèn)題，研發(fā)定制了改進(jìn)型高頻探頭，通過(guò)檢測(cè)效果對(duì)比和檢測(cè)實(shí)例驗(yàn)證，確定了一次掃查就能可靠識(shí)別出材料內(nèi)部所有缺陷的檢測(cè)方法，為后續(xù)檢測(cè)工作奠定基礎(chǔ)。

 

試驗(yàn)方法

 

檢測(cè)試塊

 

檢測(cè)對(duì)象為含某種超材料的石英纖維層壓板與碳纖維層壓板黏接結(jié)構(gòu)試塊，采用熱壓罐二次固化成型。為了保證超材料與基體材料之間的強(qiáng)度，超材料兩側(cè)與石英纖維預(yù)浸料均使用膠膜進(jìn)行黏接。

 

試塊整體厚度為3.095 mm，超材料置于石英纖維層板中(約為0.46 mm深度處)，石英纖維預(yù)浸料的單層理論厚度為0.09 mm。

 

試塊中預(yù)埋了雙層聚四氟乙烯薄膜制成的人工缺陷，缺陷直徑為6 mm，分別預(yù)埋在不同的深度位置上，包括石英纖維層板的上表面2~3層之間、超材料與膠膜之間、石英纖維層板的下表面2~3層之間，以及石英纖維層板與碳纖維層板之間的膠接界面、碳纖維層板的上表面2~3層間、中間層和下表面2~3層間。試塊的鋪層結(jié)構(gòu)及人工缺陷的預(yù)埋位置如圖1、圖2所示。

 

 

圖1 試塊鋪層結(jié)構(gòu)示意

 

 

圖2 試塊缺陷平面位置示意

 

檢測(cè)設(shè)備與探頭

 

分別采用噴水穿透法C掃描和接觸反射法A掃描兩種方法對(duì)試塊進(jìn)行檢測(cè)。超聲C掃描采用NUSCAN型超聲噴水穿透法C掃描檢測(cè)系統(tǒng)；超聲換能器為水浸平探頭，晶片直徑為19 mm，頻率為5 MHz；噴嘴直徑為6 mm。反射法超聲A掃描采用聲納公司制造的Masterscan700型超聲波檢測(cè)儀，探頭晶片尺寸為0.25 inch的延遲平探頭，探頭頻率為5~15 MHz。

 

檢測(cè)過(guò)程

 

噴水穿透法使用平探頭時(shí)，應(yīng)使被檢件處于發(fā)射探頭與接收探頭的有效工作區(qū)內(nèi)，即近場(chǎng)距離前后。把水程距離調(diào)整到探頭的近場(chǎng)距離附近，使試塊位于超聲波聲場(chǎng)的最后一個(gè)聲壓極大值處。

 

由于穿透法只能檢測(cè)在聲傳播路徑中相對(duì)聲束而言尺寸較大的缺陷，故噴嘴直徑應(yīng)不大于人工缺陷的大小，以保證能夠清晰顯示需檢出的人工缺陷。檢測(cè)過(guò)程中需隨時(shí)保持兩探頭的聲束軸線與試塊表面垂直。

 

接觸式反射法對(duì)缺陷的檢測(cè)能力在很大程度上取決于探頭的頻率。頻率高時(shí)，聲波波長(zhǎng)短、聲束窄、擴(kuò)散角小、能量集中，因而發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力強(qiáng)，空間分辨力好，但聲波在材料中的衰減隨頻率的增高而增大，故穿透力較低。因此，高分辨力和高穿透力對(duì)于普通延遲平探頭而言很難兼得。 

 

針對(duì)衰減率大于碳纖維的石英纖維，在選擇探頭頻率時(shí)，若對(duì)近表面分辨力的要求較高，則勢(shì)必會(huì)犧牲聲波的穿透能力，因此應(yīng)根據(jù)制件的厚度和空間分辨力的需求進(jìn)行綜合考量。

 

試塊的一側(cè)是單層厚度為0.09 mm的石英纖維層板，人工缺陷預(yù)埋在近表面2~3層間，聲波需從石英纖維層板一側(cè)入射，故近表面分辨力要求為可分辨0.18 mm的ф6 mm分層，根據(jù)石英纖維的高衰減率和試塊整體厚度較大的客觀情況，選取了5 MHz和15 MHz兩種頻率的探頭進(jìn)行對(duì)比分析。

 

試驗(yàn)結(jié)果

 

C掃描檢測(cè)結(jié)果

 

試塊的穿透法C掃描檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，9個(gè)缺陷均有明顯顯示；優(yōu)區(qū)的衰減均勻，無(wú)缺陷顯示。

 

 

圖3 試塊的穿透法C掃描檢測(cè)結(jié)果

 

試塊C掃描人工缺陷的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，缺陷的檢測(cè)尺寸均在精確尺寸的±25%以內(nèi)，滿足設(shè)備允許的誤差范圍；缺陷區(qū)與非缺陷區(qū)的平均衰減差約為10 dB，可以達(dá)到評(píng)定缺陷的靈敏度標(biāo)準(zhǔn)， 與常規(guī)碳纖維預(yù)浸料復(fù)合材料制件的檢測(cè)結(jié)果相比，無(wú)明顯差異。

 

表1 試塊C掃描人工缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)

 

缺陷編號(hào)	檢測(cè)面積/mm2	缺陷區(qū)與非缺陷區(qū)的平均衰減差/dB
1	25.7	10.2
2	29.9	10.2
3	26.4	10.2
4	32.6	10.2
5	30.7	10.2
6	23.2	10.2
7	28.3	10.2
8	31.6	10.2
9	24.8	10.2

 

由此可見(jiàn)，穿透法C掃描能夠有效檢測(cè)出試塊中預(yù)埋在不同深度處的人工缺陷，缺陷的顯示尺寸和評(píng)定門(mén)檻值可以滿足工程化檢測(cè)的需求。

 

A掃描檢測(cè)結(jié)果

 

探頭在試塊上按照規(guī)定的掃描路徑進(jìn)行掃查，使聲束全部覆蓋試塊待檢測(cè)部位。對(duì)試塊的非缺陷區(qū)進(jìn)行大量的A掃描檢測(cè)試驗(yàn)，5 MHz探頭的波形如圖4所示。

 

 

圖4 試塊非缺陷區(qū)的A掃描波形

(5 MHz探頭)

 

由圖4可見(jiàn)，試塊的表面回波和底面回波清晰可見(jiàn)，且波幅較高，兩者之間對(duì)應(yīng)深度的時(shí)域位置存在超材料界面波和板板黏接的膠膜波，其中超材料界面波的脈沖寬度較寬而與表面回波相連，其波幅高度略低于表面回波的波幅高度。超材料界面波達(dá)到80%FSH(滿屏高度)時(shí)，底面回波達(dá)到40%FSH，且隨著探頭在非缺陷區(qū)的移動(dòng)，超材料界面波高保持不變。

當(dāng)探頭置于超材料與石英纖維層板之間的脫黏、石英纖維層板與碳纖維層板之間的脫黏、石英纖維層板的下表面以及碳纖維的上表面/中間層/下表面的分層缺陷(即2#~9#缺陷)上時(shí)，在時(shí)基線上對(duì)應(yīng)深度的時(shí)域位置出現(xiàn)人工缺陷的反射回波，同時(shí)底波消失。人工缺陷的波幅高度均滿足4:1的信噪比要求。

由圖4和脈沖反射法的原理可知，超聲波能夠穿透材料內(nèi)部的超材料和膠膜到達(dá)試塊底面并發(fā)生反射，超材料界面波波幅較高代表一部分聲波被阻擋產(chǎn)生了較強(qiáng)的反射，故該超材料薄膜對(duì)于超聲波具有反射性與透射性的雙重特點(diǎn)。

石英纖維層板內(nèi)近表面缺陷(即1#缺陷)的A掃波形如圖5所示(使用5 MHz探頭)，由于始脈沖寬度大，近表面分層缺陷的反射回波淹沒(méi)在表面回波之中，無(wú)法有效識(shí)別。

 

 

圖5 試塊近表面缺陷的A掃描波形

(5 MHz探頭)

 

使用15 MHz探頭對(duì)試塊采用同樣參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，非缺陷區(qū)和近表面分層缺陷的A掃波形如圖6和圖7所示。

 

 

圖6 試塊非缺陷區(qū)的A掃描波形

(15 MHz探頭)

 

 

圖7 試塊近表面分層的A掃描波形

(15 MHz探頭)

 

由圖6可知，15 MHz探頭的始脈沖寬度窄，盲區(qū)較小，表面回波與超材料界面波可從時(shí)域位置上顯著區(qū)分。由于高頻聲波的波長(zhǎng)較短，穿透力較差，故超材料界面波和膠膜波的波幅較低，底面回波信號(hào)微弱。當(dāng)探頭置于2#~9#缺陷上時(shí)，反射回波的信噪比小于2:1，缺陷不易分辨，而更窄的脈沖寬度能夠有效提高探頭的縱向分辨力，靠近表面的分層則更容易被識(shí)別，如圖7所示。

由此可見(jiàn)，5 MHz探頭可以穿透試塊得到波幅穩(wěn)定的底面回波并能識(shí)別出其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征，卻沒(méi)有足夠的分辨力識(shí)別近表面分層；15 MHz探頭的近表面分辨力很好但穿透力不足。為此，研發(fā)了一款改進(jìn)型高頻延遲平探頭，以解決兩者不可兼顧的問(wèn)題。

 

改進(jìn)與對(duì)比分析

 

改進(jìn)的探頭頻率為15 MHz，在不改變檢測(cè)條件的情況下，其對(duì)試塊的檢測(cè)波形如圖8和圖9所示，可見(jiàn)其表面回波的脈沖寬度較常規(guī)5 MHz探頭的脈沖寬度減少了50%，近表面分層缺陷清晰可分辨。同時(shí)，改進(jìn)型探頭對(duì)于非缺陷區(qū)的穿透力與5 MHz探頭的相近，明顯優(yōu)于同類(lèi)型的15 MHz探頭。

 

 

圖8 試塊非缺陷區(qū)的A掃描波形

(改進(jìn)型15 MHz探頭)

 

 

圖9 試塊近表面分層的A掃描波形

(改進(jìn)型15 MHz探頭)

 

在相同的檢測(cè)條件下，對(duì)改進(jìn)型15 MHz延遲平探頭與常規(guī)5 MHz和15 MHz探頭的檢測(cè)效果分別進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。

 

表2 各類(lèi)型探頭檢測(cè)效果對(duì)比

 

探頭類(lèi)型	脈沖寬度(周數(shù))	0.18mm分辨力	穿透力(相同靈敏度)	信噪比
改進(jìn)型15MHz	1.5	清晰可分辨	底波波幅40%	≥4:1
5MHz	2.5	不可分辨	底波波幅40%	≥4:1
15MHz	2.0	清晰可分辨	無(wú)法穿透試塊	＜2:1

 

改進(jìn)型15 MHz探頭兼具了5 MHz探頭的穿透力、信噪比以及15 MHz探頭的近表面分辨力，同時(shí)在空載脈沖周數(shù)和始脈沖寬度上優(yōu)于另兩個(gè)探頭，具有更高的縱向分辨力。

 

檢測(cè)實(shí)例

 

對(duì)某型號(hào)飛機(jī)結(jié)構(gòu)功能一體化零件的局部含超材料區(qū)域（在裝配鉆孔后）進(jìn)行了超聲檢測(cè)。該區(qū)域所用的材料、鋪層和結(jié)構(gòu)形式與上文所述的試塊相近，即內(nèi)部鋪貼了超材料膜的石英纖維層板與碳纖維層板的板板膠接結(jié)構(gòu)。由于零件處于裝配階段，采用接觸式反射法進(jìn)行A掃描檢測(cè)。探頭在零件上按照規(guī)定的掃描路徑移動(dòng)，以使聲束全部覆蓋零件的待檢測(cè)部位。

使用常規(guī)5 MHz探頭對(duì)該零件進(jìn)行大范圍的A掃描，得到的兩種典型波形如圖10和圖11所示。

 

 

圖10 零件A掃描的典型波形1

(5 MHz探頭)

 

 

圖11 零件A掃描的典型波形2

(5 MHz探頭)

 

典型波形1的表面回波脈沖寬度為2.5周，超材料界面波、膠膜波與底面回波相距很近，底波波幅高度約為20%FSH，在該掃描區(qū)域緩慢移動(dòng)探頭時(shí)，波形基本保持不變。該類(lèi)波形表示零件內(nèi)部無(wú)缺陷。

典型波形2的表面回波清晰可見(jiàn)，脈沖寬度為2.5周，在表面回波之后無(wú)其他反射回波，無(wú)法從波形圖中判斷引起超材料界面波、膠膜波和底面回波消失的原因。該類(lèi)波形表示零件的對(duì)應(yīng)區(qū)域存在異常。

使用改進(jìn)型15 HMz探頭對(duì)待檢測(cè)部位進(jìn)行重新掃查，得到內(nèi)部無(wú)缺陷區(qū)域的波形如圖12所示，可見(jiàn)表面回波的脈沖寬度為1.5周，超材料界面波、膠膜波與底波之間有一定間距可明顯區(qū)分，底波波幅高度為20%FSH。

 

 

圖12 零件無(wú)缺陷區(qū)的A掃描波形

(改進(jìn)型15 MHz探頭)

 

對(duì)出現(xiàn)典型波形2的區(qū)域，使用改進(jìn)型15 HMz探頭掃查得到的波形如圖13所示，可見(jiàn)在表面回波之后靠近表面回波的位置出現(xiàn)一處明顯的反射回波，同時(shí)超材料界面波、膠膜波和底波消失。由此可以判斷該區(qū)域靠近入射面近表面處存在分層缺陷，缺陷深度約為零件厚度的1/13。

 

 

圖13 零件缺陷區(qū)的A掃描波形

(改進(jìn)型15 MHz探頭)

 

對(duì)比改進(jìn)前后探頭的檢測(cè)結(jié)果可知，改進(jìn)型15 MHz延遲平探頭可以顯著改善始脈沖的周數(shù)和脈沖寬度，提高近表面分辨力，同時(shí)底波波幅相同，說(shuō)明其穿透力與常規(guī)5 MHz探頭相當(dāng)，能夠檢測(cè)整個(gè)工件厚度范圍內(nèi)不同深度的缺陷。 

 

結(jié)語(yǔ)

 

(1) 超聲穿透法C掃描檢測(cè)能夠有效檢測(cè)出試塊中預(yù)埋在不同深度的分層和脫黏缺陷，缺陷的顯示尺寸和評(píng)定門(mén)檻值能夠滿足制造階段工程化檢測(cè)的需求。

 

(2) 對(duì)于反射法超聲A掃描檢測(cè)，當(dāng)采用常規(guī)5 MHz探頭檢測(cè)時(shí)，無(wú)法有效區(qū)分近表面0.18 mm的分層缺陷，其他深度的人工缺陷均可檢出；使用常規(guī)15 MHz探頭可以分辨近表面缺陷，但穿透力不足，無(wú)法有效檢測(cè)其他深度的缺陷。

 

(3) 使用改進(jìn)型15 MHz延遲平探頭能夠彌補(bǔ)常規(guī)5 MHz和15 MHz探頭在檢測(cè)結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料時(shí)的弊端，可同時(shí)具備高分辨力和高穿透力的特性，能夠通過(guò)一次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)試塊中的所有缺陷，有效提高檢測(cè)效率，適合受檢測(cè)面限制的裝配及在役檢測(cè)。