无损检测技术：微观缺陷的检测与评估在复合材料中的应用挑战

无损检测专业在“十三五”期间将重点发展数字化射线和自动化超声检测技术，逐步实现无损检测技术从传统的作业模式向着数字化、自动化方向发展，同时结合信息化技术的发展逐步建立航天型号产品检测数据共享系统，全面提升无损检测技术为型号产品服务的能力。

1）焊缝、铸件CR成像检测技术研究

突破CR检测、数字扫描工艺技术，实现运载火箭贮箱、增压输送动力系统导管、级间杆系、战术型号贮气罐、战术型号发射筒、商用飞机、商用发动机上构件等型号的数字射线检测。包括透照参数、成像板等对数字射线检测结果影响分析，透照参数、成像板、焊接材料、焊缝形式、铸件材料、铸件结构等仿真分析，典型焊缝、典型铸件数字射线检测工艺研究等。该技术广泛应用于航天航空焊接结构和铸造件内部质量检测，其内部质量采用传统的胶片射线照相检测方式，存在检测效率低、成本高、环境污染严重、胶片存储和查询方便性差、数字化程度低的问题，难以采用基于独立探测器的数字射线检测技术方式，因此研究新的射线检测方式进行检测。

2）金属板材/锻件、电阻点焊接头内部质量超声C扫描检测技术研究

针对不同厚度规格的轻合金金属板材、锻件等开展超声C扫描检测检测工艺方法研究，解决常规手动A扫盲区问题，实现检测过程的自动化、图像化。包括（多通道）金属板材/锻件超声C扫描检测工艺、曲面及复杂形状结构超声C扫描自适应扫查技术、点焊超声C扫描检测工艺及评价方法、曲面及复杂形状结构超声C扫描仿真分析、超声C扫描检测缺陷定位、定量统计分析技术及检测标准制定等内容。该技术应用于航天航空大量使用轻合金板材、锻件、旋压件等检测，现阶段由于检测技术手段缺乏，一般采用常规手动超声A扫检测工艺，存在着盲区大、效率低、检测质量无法保证等问题。图3-48所示为金属薄板超声自动检测设备与4 mm厚铝板分层缺陷检测结果。

3）焊缝残余应力、结构件残余应力超声波检测与消除技术

开展航天航空大型结构件的焊缝残余应力、结构件残余应力超声波检测技术研究、焊缝残余应力检测与评价技术研究，为型号设计及工艺人员提供残余应力消除的依据及方法，实现残余应力的闭环调节和控制。关键技术包括焊缝残余应力超声波检测技术、焊缝残余应力超声波检测仿真分析、焊缝残余应力超声波检测结果与其他方法对比分析、焊缝残余应力超声波消除技术研究。该技术解决了残余应力的存在会使航天航空结构件处于不稳定状态，使其发生开裂、变形，甚至影响构件的强度和使用寿命。传统的残余应力检测方法主要有盲孔法和X射线衍射法。前者具有破坏性，不适合实际产品的检测，后者对人体有辐射，而且检测深度较浅，一般为几微米到几十微米，无法反映材料的真实应力状态，并且受设备尺寸、现场环境以及被测工件表面状态的限制，无法满足现场检测的需求。

图3-48　金属薄板超声自动检测设备与4mm厚铝板分层缺陷检测结果(www.xing528.com)

4）盘锻件残余应力检测技术研究

针对高温合金和钛合金盘锻件的组织结构特征，结合制造加工工艺特性来建立其残余应力分析方法和测试技术，采用X射线衍射与中子衍射技术对盘锻件在热加工中所产生的残余应力进行宏观分布，乃至形成机理与演化规律的研究，为控制与调整残余应力奠定研究基础。主要研究内容包括：X射线衍射技术测量盘锻件表层残余应力的研究；X射线衍射剥层技术测量盘锻件残余应力的研究；中子衍射测量盘锻件内部残余应力的研究。

5）复材无损检测

复合材料的无损检测考虑到所检测制件的结构特点和工艺特性，有针对性地定制检测方案。由于大型客机中复合材料结构的多样性和复杂性，如封闭式结构、加筋壁板结构、夹层结构等，常规的无损检测手段无法完成所有的检测。因此，复合材料无损检测的包括：封闭结构中内梁的检测、R角区域的检测、泡沫夹层结构的检测。

（1）封闭结构中内梁的检测。通常外梁和壁板区域可以使用常规的超声检测手段，而常规的超声检测探头由于受到长度的限制一般无法达到内梁进行检测。因此，对于此类特殊的结构需采用专制辅助探测机构，针对受检件的外形尺寸，特别是根据受检件的长度和各梁之间的距离来设计探测机构的尺寸。探测机构的形状一般为长轴形，将专用探头放置在顶端使其可以进入盒段内部这样常规检测手段无法达到的区域进行检测，同时在顶端探头位置配备相应的耦合控制设备以达到检测时探头与工件表面的完全耦合，保证了对受检区域真实客观的评估。

（2） R角区域的检测。R角区域由于构造的特性，无法采用喷水穿透C扫法，可采用手动脉冲反射法进行检测，为了提高检测效率，也可以使用自动脉冲反射C扫法进行检测。一般情况下R角区域检测可使用相应的相控阵R角区域专用探头，检测效果直观但是成本较高；或者使用R角检测组合构件，使用探头配备相应的R角楔块，可针对不同大小的R角进行相应的检测，检测成本较低。对于部分加筋壁板结构，长桁之间的间距小，R角专用探头由于尺寸过大无法实施检测，因此需使用专用的小型R角检测组合构件，同样配备相应的辅助探测机构，使小间距长桁内的R角检测同样可行并且效率。

（3）泡沫夹层结构的检测。泡沫夹层区域则容易出现脱粘，应根据工艺的特点选择相应的检测方法。泡沫夹层结构粘接情况的检测可以运用脉冲反射法（A扫或C扫）必须从单面检测，因为泡沫层间超声信号衰减严重，穿透法一般无法反应内部缺陷的真实情况或者另一面的粘接状况。泡沫芯的缺陷则无法用超声检测法，但可以用射线检测法实现。超声检测时将良好区域的粘接界面回波调至满屏的20%～30%处，并设置闸门，通过粘接界面的回波高度来判断粘接的情况，高于70%的波高区域为脱粘，闸门与70%之间的波高为弱粘接。若在粘接界面回波之前出现回波，同时粘接界面的回波亦降低至满屏20%以下，应有缺陷出现在蒙皮内，在相应区域做记录。

（4）孔隙率对比试块的研制。孔隙率的出现在复合材料中不可避免，一般不同的部位对孔隙率的要求也不一样，作为飞机的主承力结构件，对孔隙率的控制非常严格，一般不能高于1%～1.5%；对于次承力结构件，一般要求孔隙率低于1.5%～2%。普通分层、夹杂、气孔等缺陷的检测与评估相对来说较为成熟，但是孔隙率这类微观缺陷的检测与评估技术至今仍是复合材料无损检测公认的技术难题。 目前，对比试块法是业界公认的孔隙率检测的最佳方法：针对某种体系的碳纤维复合材料，制造出一系列不同厚度、不同孔隙率阶梯的标准试块，再通过采集超声底波衰减信号，以建立评估曲线。