CC BY
317
Жарова Ю.А. ©
МГТУ им. Н.Э. Баумана
ОБЗОР МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация
В статье рассмотрены основные методы неразрушающего контроля, используемые в промышленности при производстве и эксплуатации изделий авиационной техники из полимерных композиционных материалов. Отмечены их особенности и области применения.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, неразрушающие методы контроля, акустический метод, радиационные методы, термографический метод.
Keywords: polymer composite materials, non-destructive control methods, acoustic method, x-ray methods, termography method.
Накопленный к настоящему времени опыт эксплуатации полимерных композиционных материалов (ПКМ) в ответственных конструкциях авиационной техники показал, что их применение взамен металлических сплавов обеспечивает снижение массы конструкции на 3050%, повышает ресурс эксплуатации в 2-5 раз, возникает возможность повышения функциональности материалов и придания им специальных свойств.
Благодаря большой жесткости, прочности, химической стойкости они используются для изготовления таких высоконагруженных деталей, как лопатки вентилятора, кили, элероны руля, закрылки, обшивки законцовок крыла, обтекатели и др. В то же время их эффективно применяют для изготовления вспомогательных элементов — коммуникационных труб, тормозных щитков, капота двигателя и др.
В настоящее время нет ни одного летательного аппарата, в котором не были бы использованы композиты. Примером тому могут быть российские пассажирские и транспортные самолеты ИЛ-86, ИЛ-96-300, Ту-204, Ту-334, АН-124, АН-224, ИЛ-114, истребители МИГ-29, ЯК-36, С-37, спортивные самолеты СУ-29, СУ-31м и вертолеты Ка-26, Ка-32, Ка-50, Ка-60, МИ-28, МИ-38. Небольшие самолеты и вертолеты, а также спортивные машины можно с большим основанием назвать композитными, так как весовая доля этих материалов достигает 80% от веса планера [1].
Но с появлением композитных материалов вопросы технического обслуживания, диагностики и ремонта не исчезли. Основные дефекты композиционных материалов -трещины, расслоения, инородные включения, воздушные раковины и т.д. - могут возникнуть как в процессе изготовления, так и при эксплуатации, что приводит к существенному снижению прочности материала.
Для обнаружения дефектов в ПКМ возможно использование различных методов неразрушающего контроля, применяемых для традиционных материалов из металла и их сплавов. Это акустические, оптические, радиационные, вихретоковые, тепловые, магнитные и другие методы контроля.
Исследования и практика показали, что одними из наиболее широко используемых методов неразрушающего контроля и диагностики композитных материалов являются акустические методы.
Акустические методы контроля позволяют обеспечить высокую чувствительность, надёжное выявление и регистрацию дефектов. Получаемая при помощи акустического контроля информация о размере, площади и ориентации дефекта в пространстве, даёт возможность построения качественного изображения для последующей оценки работоспособности и ресурса конструкции из ПКМ.
©© Жарова Ю.А., 2014 г.
На основе проведенного анализа были определены наиболее эффективные и распространенные методы акустического контроля качества изделий из ПКМ, применяемые в авиационно-космической и строительной отраслях.
Теневой ультразвуковой метод неразрушающего контроля основан на регистрации изменения амплитуды (амплитудный метод прохождения) или времени прихода сквозного сигнала (временной метод прохождения), прошедшего от излучателя к приемнику [2]. Чем больше размер дефекта, тем меньше амплитуда прошедшего сигнала, тем больше запаздывание времени прихода импульса. Излучатель и приемник ультразвуковых волн располагают соосно на противоположных поверхностях объекта контроля. Метод применяют для поиска зон с нарушением соединений, обнаружения расслоений, пустот и пористости в многослойных конструкциях из ПКМ.
К достоинствам метода можно отнести низкую зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта, высокую помехоустойчивость, отсутствие мертвой зоны, метод подходит для материалов с высоким затуханием. Недостатками метода являются: сложность ориентации преобразователей относительно центральных лучей, двухсторонний доступ к контролируемому объекту, невозможность точной оценки координат дефекта (глубине залегания), более низкая чувствительность по сравнению с чувствительностью эхо-импульсного метода.
Эхо-импульсный метод основан на излучении в контролируемый объект импульса ультразвуковых волн и регистрации эхосигнала, отраженного от дефектов, структурных неоднородностей и противоположной поверхности [3]. Эхо-метод при контроле ПКМ применяют для выявления непроклеев, расслоений, повреждений от удара, включений, пустот, трещин и пористости.
Преимущества метода: возможность точного определения координат дефекта (глубины залегания), односторонний доступ к контролируемому объекту. При контроле эхометодом изделий из ПКМ большой толщины приходится переходить на низкие частоты (200 - 1200 кГц), что обусловлено высоким затуханием ультразвука. Переход на низкие частоты приводит к снижению чувствительности контроля, что является недостатком метода.
Эхо-импульсный метод ультразвукового контроля при помощи техники фазированных решеток более усовершенствованный по сравнению с традиционным эхо-импульсным контролем, в котором используется одноэлементный преобразователь. При решении многих прикладных задач дефектоскопии при техническом диагностировании используют фазированные решетки, благодаря которым контроль осуществляется гораздо быстрее, качественнее и проще.
Фазированная решетка представляет собой набор идентичных пьезоэлементов, расположенных на расстоянии < X (длина волны) друг от друга. В линейной решетке центры пьезоэлементов расположены на одной оси, причем длина пьезоэлемента значительно превосходит их ширину. При использовании фазированных решеток ультразвуковой сигнал формируется за счет интерференции сигналов, генерируемых несколькими элементами, которые контролируются и синхронизируются электронно.
Преимуществами метода являются: возможность настройки ультразвукового луча (формирование диаграммы направленности), возможность определения характеристик и тип дефекта, возможность контроля сложных геометрий, универсальность преобразователей (возможность использования одних и тех же преобразователей для решения различных задач), уменьшение времени контроля и увеличение производительности, возможность визуализации изображений с развертками типа А, В, С и Б. Основным недостатком является высокая стоимость преобразователей.
Резонансный метод (локальный метод вынужденных колебаний) применим при контроле многослойных конструкций из ПКМ. Вынужденные колебания предполагают постоянную связь колеблющегося объекта контроля с возбуждающим генератором, частоту которого изменяют. Частота колебаний модулируется, фиксируются частоты, на которых возбуждаются резонансы колебаний [4]. По резонансным частотам определяют толщину изделий и наличие дефектов. Дефекты, параллельные поверхности изделия, вызывают погрешность измеряемой толщины, а расположенные под углом к поверхности — исчезновение
резонансных явлений. К недостаткам метода относят сложность (или невозможность) контроля криволинейных изделий, а также необходимость в смачивании поверхности контролируемого изделия.
Метод свободных колебаний основан на возбуждении импульсов свободно затухающих упругих колебаний путем кратковременного внешнего воздействия на объект контроля, например, ударом, после чего он колеблется свободно, и последующем анализе спектра принятых сигналов. В дефектных изделиях спектр, как правило, смещен в сторону высоких частот. Данный метод применим для контроля многослойных конструкций для выявления пустот, непроклеев и т.п., не требует сканирования, является высокопроизводительным, но не дает точной оценки координат и характера дефекта.
Реверберационно-сквозной ультразвуковой метод сочетает в себе признаки метода прохождения (теневого) и ультразвукового реверберационного метода и основан на анализе времени объемной реверберации, т.е. процесса постепенного затухания звука в контролируемого объекте. Информативным показателем метода является затухание многократно отраженных импульсов, вызванное рассеянием ультразвуковых волн на различных структурных неоднородностях контролируемого объекта и поглощением энергии ультразвука в материале [5]. Благодаря многократному прохождению ультразвуковых волн через контролируемый объект возможно обнаружение не выявленных традиционными методами мелких структурных дефектов, оказывающих влияние на эксплуатационных свойства материала. К недостаткам метода можно отнести сложность расшифровки результатов контроля, применение контактной жидкости, контроль конструкций с небольшой кривизной.
Импедансный метод ультразвукового контроля основан на различии механических импедансов бездефектной и дефектной зон контролируемого объекта. Механический импеданс в точке приложения возмущающей силы определяется отношением этой силы к вызываемой ею колебательной скорости. Подавляющая часть сотовых клеевых конструкций контролируется именно импедансным методом. Импедансным методом контролируют материал с целью выявления расслоений, непроклеев для различных композитных и сотовых материалов и структур. Следует отметить, что при проведении контроля данным методом не требуется контактной жидкости.
Импедансный метод применяется в двух вариантах: с использованием совмещенного и раздельно-совмещенного преобразователя. Преимуществом варианта с совмещенным преобразователем является высокая чувствительность. К недостатку можно отнести сравнительно малую глубину залегания выявляемых несплошностей (7 - 10 мм). Импедансным методом с использованием раздельно-совмещенного преобразователя выявляют несплошности в ПКМ на глубине до 15 мм, что значительно превышает возможности совмещенных преобразователей, однако он менее чувствителен к близко залегающим нарушениям сплошности.
Оптико-акустический метод неразрушающего контроля основан на возбуждении очень коротких акустических импульсов при фокусированном лазерном облучении поверхности контролируемого объекта [6].
Благодаря тому, что оптоакустический сигнал имеет широкий спектр, значительно упрощается расшифровка результатов контроля. В связи с тем, что у датчика практически отсутствует мертвая зона, возможно проведение контроля различных материалов начиная с приповерхностной зоны.
Акустико-эмиссионный метод контроля основан на регистрации акустических волн напряжений, вызванных внезапной перестройкой в структуре материала. Классическим источником акустической эмиссии является процесс деформирования, связанный с ростом дефектов, например, трещины или зоны пластической деформации [7].
Метод акустической эмиссии позволяет не только обнаруживать опасные дефекты, но и прогнозировать работоспособность конструкции. Важной особенностью метода является необходимость нагружения контролируемого объекта и сложность методики контроля.
В последнее время тепловые методы неразрушающего контроля рассматриваются как перспективное направление в диагностике изделий из композиционных материалов.
Термографический метод основан на регистрации изменения скорости распространения тепловой волны от дефектной и бездефектной зон контролируемого объекта. Преимуществом метода является возможность осуществления оперативного контроля состояния протяженных поверхностей. К недостаткам контроля следует отнести необходимость обеспечения оптического доступа к поверхности контролируемого объекта, однородности температуры контролируемой поверхности, а также в ряде случаев со сложностью расшифровки результатов контроля [8].
Также при проведении неразрушающего контроля ПКМ используются радиационные методы. Более распространенным является рентгеновский метод, но также применим и метод радиоактивных изотопов. Контролируемый объект при этом помещается в поле рентгеновского источника и подвергается просвечиванию. Метод основан на реконструкции и визуализации внутренней структуры поперечных сечений (томограмм) в результате совместной вычислительной обработки теневых проекций, полученных при рентгеновском просвечивании объекта контроля в различных направлениях [6].
Шерография - это разновидность интерферометрических методов неразрушающего контроля, с помощью которой структурные дефекты могут быть определены с помощью измерения и последующего анализа поверхностных деформаций. Деформации образуются как ответная реакция внутренней структуры на некоторую внешнюю незначительную нагрузку (тепловую и/или вакуумную). Совмещая полученные изображения контролируемого объекта в нагруженном и ненагруженном состоянии, возможно определить изменение деформации каждого участка поверхности. С помощью данного методы возможно обнаружение структурных дефектов ПКМ, таких как расслоения, непроклеи, поры и инородные включения. Системы на основе шерографии сравнительно новые, однако уже сегодня этот метод демонстрирует свою надежность и повторяемость результатов во многих отраслях.
В конечном итоге выбор метода неразрушающего контроля будет зависеть от контролируемого объекта, требований к оценка качества, характера и типа дефектов, требуемой скорости и объемов диагностики и т.д.
Литература
1. М. Л. Кербер, В. М. Виноградов, Г. С. Головкин и др.; под ред. А. А. Берлина. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие. - СПб.: Профессия, 2008. — 560 с.: ил.
2. Алёшин Н.П. Физические методы неразрушающего контроля сварных соединений: учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М.:Машиностроение, 2013. -576 с.: ил.
3. Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энегромашиностроении. 2-е изд., перераб. и доп. - СПБ.: Издательство «СВЕН», 2007. 296с.
4. В.В. Мурашов. Неразрушающий контроль клеевых соединений. Клеи. Герметики. Технологии. 2008. №7. с. 21-28.
5. А. С. Генералов, А. С. Бойчук, В. В. Мурашов. Контроль прочности углепластиков на клеевых препрегах ультразвуковым методом. Клеи. Герметики. Технологии. 2012. №5.
6. Б.В. Бойцов, С.Л. Васильев, А.Г. Громашев, С.А. Юрсенсон. Методы неразрушающего контроля, применяемые для конструкций из ПКМ. Электронный журнал «Труды МАИ». 2011. Выпуск № 49.
7. Неразрушающий контроль: Справочник: в 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. т.3: Ультразвуковой контроль: 2-е изд., испр. И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. М.: Машиностроение, 2006. 864с.
8. В.И. Завидей, Ю.Г. Васенев, С.Л. Ступаченко. Комплексный подход к выявлению дефектов многослойных конструкций из композиционных материалов [Электронный ресурс];ЦКЬ: http://www.panatest.ru/static?al=COMPOSITE+MATERIALS [дата посещения 17.12.2013]
