“碳纖維復(fù)合材料在外部受到?jīng)_擊時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生一些內(nèi)部損傷，而這些內(nèi)部損傷往往又難以被肉眼察覺(jué)出來(lái)，所以材料開發(fā)人員必須確保這些難以發(fā)現(xiàn)的傷害不會(huì)損害到材料結(jié)構(gòu)的完整性，進(jìn)而影響其整體性能”。來(lái)自英國(guó)高附加值制造業(yè)領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)專家、布里斯托大學(xué)（University of Bristol）的Robert Smith教授說(shuō)道。
從超聲波檢測(cè)、渦流檢測(cè)到磁粉檢測(cè)技術(shù)等，目前已經(jīng)有十多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在航空航天領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。根據(jù)不同的材料、不同的檢測(cè)需求，人們可以選擇最合適的檢測(cè)技術(shù)。
“現(xiàn)在，工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域正朝著另一種趨勢(shì)發(fā)展，就是在不需要使用更為復(fù)雜的設(shè)備的前提下做到快速診斷問(wèn)題”，來(lái)自英國(guó)航空航天技術(shù)研究所（ATI）的科技主管Mark Summers說(shuō)道。
與此同時(shí)，布里斯托大學(xué)的工程師關(guān)心的問(wèn)題之一就是能否以及如何加快對(duì)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)過(guò)程。
Smith指出：航空航天工程師將把無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與材料、缺陷類型相匹配——試圖最大程度地提高材料結(jié)構(gòu)的安全性，同時(shí)最大限度地降低檢測(cè)成本。
“工程師都渴望找到盡可能小的、真正意義上的所有缺陷，而并不需要找到那些不是缺陷的東西（錯(cuò)誤的指示），花費(fèi)時(shí)間和精力進(jìn)行的檢測(cè)，最后找到的卻是錯(cuò)誤的指示，這樣所帶來(lái)的成本代價(jià)是很高昂的。因此，你需要一種能夠準(zhǔn)確區(qū)分缺陷和結(jié)構(gòu)框架或系統(tǒng)噪音的技術(shù)，以避免花費(fèi)不必要的時(shí)間和成本”。
Stefan Sahlen是一位來(lái)自瑞典林雪平市Exova材料技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（為全國(guó)各地的操作人員進(jìn)行培訓(xùn)的無(wú)損檢測(cè)培訓(xùn)中心）的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)專家。據(jù)他所說(shuō)，對(duì)飛機(jī)零部件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的關(guān)鍵無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是對(duì)鋁制機(jī)身進(jìn)行的渦流檢測(cè)技術(shù)，此外，超聲波檢測(cè)和X射線檢測(cè)技術(shù)也是非常常用的。
“隨著越來(lái)越多的復(fù)合材料被用于航空航天領(lǐng)域，所采用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也在不斷變化”，Sahlen說(shuō)道：“在十年前，渦流檢測(cè)技術(shù)的使用率比現(xiàn)在要大得多”。但是，這種方法現(xiàn)在依然還被航空公司普遍使用，主要用來(lái)評(píng)估在役飛機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性。例如，斯堪的納維亞航空公司（北歐航空公司）表示，其80％的檢查仍然使用渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行。
渦流檢測(cè)技術(shù)的原理主要是將通電線圈放置在待檢測(cè)金屬樣品附近，金屬樣品內(nèi)會(huì)感應(yīng)出渦流。與不含缺陷的同類金屬制品相比，被檢制品中若存在缺陷或者結(jié)構(gòu)發(fā)生改變都會(huì)導(dǎo)致渦流變化。因?yàn)闇u流的分布和大小，除與線圈的形狀和尺寸、電流的大小和頻率等有關(guān)外，還取決于試件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀和尺寸、與線圈的距離以及表面有無(wú)裂紋缺陷等因素。因而，在保持其他因素相對(duì)不變的條件下，利用探測(cè)線圈測(cè)量渦流所引起的磁場(chǎng)變化，可推知試件中渦流的大小和相位變化，進(jìn)而獲得有關(guān)電導(dǎo)率、缺陷、材質(zhì)狀況和其他物理量(如形狀、尺寸等)的變化或缺陷是否存在等信息。
渦流檢測(cè)通常能夠在幾秒鐘內(nèi)完成，這使得它易于整合到生產(chǎn)線中，并且此過(guò)程不需要用到耦合劑，檢測(cè)前也不需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)清洗工作。此外，由于渦流還受電導(dǎo)率影響，這種技術(shù)還可以用來(lái)檢測(cè)合金材料之間的差異性等。例如，如果鋁材料中含有裂紋，形成的渦流則不會(huì)發(fā)生流動(dòng)，工程師就可以據(jù)此使用渦流檢測(cè)儀器來(lái)確定裂紋的位置。
對(duì)于復(fù)合材料而言，如果其中存在損傷，那么在材料中則會(huì)出現(xiàn)較大的分層，人們可以很容易的觀察到復(fù)合結(jié)構(gòu)受到的一些明顯沖擊（諸如鳥擊或冰雹等），但對(duì)于一些難以察覺(jué)的沖擊影響就不是那么容易被發(fā)現(xiàn)了。Sahlen解釋道：“你必須評(píng)估結(jié)構(gòu)深處受到損傷的程度，以及沖擊影響是否使得碳纖維從基體中分離出來(lái)，因?yàn)檫@些對(duì)于復(fù)合材料的整體性能具有很大的影響”。
超聲波檢測(cè)是利用材料及其缺陷的聲學(xué)性能差異對(duì)超聲波傳播波形反射情況和穿透時(shí)間的能量變化來(lái)檢驗(yàn)材料內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。超聲波脈沖反射法有縱波檢測(cè)和橫波檢測(cè)兩種。在超聲波儀器示波屏上，一般以橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間，以縱坐標(biāo)表示回波信號(hào)幅度。對(duì)于同一均勻介質(zhì)，脈沖波的傳播時(shí)間與聲波傳輸距離成正比。因此可由缺陷回波信號(hào)的出現(xiàn)判斷缺陷的存在；又可由回波信號(hào)出現(xiàn)的位置來(lái)確定缺陷距探測(cè)面的距離，實(shí)現(xiàn)缺陷定位；通過(guò)回波幅度來(lái)判斷缺陷的尺寸大小。
利用超聲波技術(shù)檢測(cè)復(fù)合材料具有穿透能力強(qiáng)、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使其能夠輕易檢測(cè)到較小的內(nèi)部損傷缺陷；而且由于具有較高的穿透能力，該技術(shù)還可以檢測(cè)到零部件內(nèi)更深處的缺陷信息。
磁粉檢測(cè)則僅用于對(duì)鐵磁材料進(jìn)行檢測(cè)，磁粉檢測(cè)技術(shù)的原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是：利用合適的磁化力對(duì)待檢制件進(jìn)行磁化，然后在制件表面待檢區(qū)域施加鐵磁粉（干粉或者懸浮液形式）。磁化后在那些材料不連續(xù)處的磁場(chǎng)將發(fā)生崎變，在部分磁通泄漏工件表面產(chǎn)生了漏磁場(chǎng)，從而吸引磁粉形成一種跡象指示——磁粉堆積（磁痕），在適當(dāng)?shù)墓庹諚l件下，能夠有效顯現(xiàn)出缺陷的位置和形狀，然后根據(jù)材料驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些缺陷的尺寸、形狀及其分布等因素進(jìn)行分析對(duì)比。
磁粉檢測(cè)方法尤其適用于檢測(cè)材料的線狀缺陷，例如裂縫、含有非金屬的夾雜物、未焊透部分以及一些其他可能會(huì)導(dǎo)致磁漏現(xiàn)象的缺陷。該方法主要就是用來(lái)檢測(cè)鐵磁性材料表面或者近表面上的不連續(xù)處。由于磁場(chǎng)發(fā)出的磁通線是定向的，因此必須考慮到這些磁通線與不連續(xù)處的方向問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，最大響應(yīng)通常發(fā)生在不連續(xù)處與磁通線方向呈90°。Sahlen說(shuō)道：“通過(guò)采用對(duì)紫外線敏感的熒光粉，你可以很快看到金屬缺陷。這種方法和滲透檢測(cè)方法在生產(chǎn)環(huán)境中是應(yīng)用最為普遍的”。
事實(shí)上，航空航天企業(yè)的生產(chǎn)部門和設(shè)計(jì)部門都是無(wú)損檢測(cè)的重要用戶。得益于計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，“在過(guò)去的20年里，無(wú)損檢測(cè)已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化。無(wú)損檢測(cè)變得更加直觀，可以形成更多的圖像，包括二維和三維圖像，可以更為有效地為人們進(jìn)行檢測(cè)。然而，傳統(tǒng)方法仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，因?yàn)樾录夹g(shù)一般需要很長(zhǎng)時(shí)間才能投入使用?！?Smith說(shuō)道。
英國(guó)航空航天技術(shù)研究所的Summers補(bǔ)充道：“無(wú)損檢測(cè)的市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大，但隨著高性能計(jì)算的發(fā)展，其復(fù)雜性也隨之不斷提高。不斷出現(xiàn)的無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)將逐步融入到包括航空工業(yè)在內(nèi)的眾多領(lǐng)域中?！边@些技術(shù)最終將檢測(cè)結(jié)果有效的反饋到新飛機(jī)的設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中。
Smith說(shuō)道：“在生產(chǎn)制造過(guò)程，未來(lái)的無(wú)損檢測(cè)將涉及到工藝驗(yàn)證程序；可以驗(yàn)證你設(shè)計(jì)的制造過(guò)程是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，并且判斷每一個(gè)制造部件的設(shè)計(jì)是否合理、一致。這一方面增加了設(shè)計(jì)的成功率，降低了風(fēng)險(xiǎn)，并有可能減輕飛機(jī)機(jī)身的重量，即意味著你可以用較輕的結(jié)構(gòu)達(dá)到相同的安全等級(jí)”。
令工程師們特別感興趣的還包括將傳感器嵌入到整個(gè)機(jī)身和其他能夠傳輸關(guān)于結(jié)構(gòu)完整性數(shù)據(jù)的飛機(jī)組件中（稱為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，即SHM）的潛力?！敖Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)已經(jīng)談了近30年了，盡管人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，但是還沒(méi)有能夠在飛機(jī)上真正實(shí)現(xiàn)”，Smith指出。
“人們對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)有著極大的興趣，”Summers補(bǔ)充道?！耙詣谒谷R斯為例，碳纖維風(fēng)機(jī)葉片如果被嵌入了傳感器，它就可以在使用時(shí)提供有關(guān)部件結(jié)構(gòu)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，因此你并不需要專門對(duì)它們進(jìn)行檢測(cè)?！边@很可能會(huì)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化改革進(jìn)程中的一部分，也將會(huì)是“第四次工業(yè)革命”的重要內(nèi)容。
但是現(xiàn)在的飛機(jī)只有少數(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器，Smith說(shuō)道：“部分原因是，傳感器必須從一開始就被安裝到結(jié)構(gòu)中，這使得初始成本很高，而且現(xiàn)在還不清楚如何驗(yàn)證這種系統(tǒng)的具體功能。此外，如果這些嵌入了傳感器的部件發(fā)生了故障而且必須做局部修復(fù)時(shí)，你可能會(huì)損失部分的監(jiān)測(cè)功能”。
Smith坦言：人們的潛意識(shí)里總是希望能夠盡量減少使用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，因?yàn)樗前嘿F的。在零部件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是為了證明每一個(gè)制造的部件都是正確、合理，并且都符合最初設(shè)計(jì)的。如果飛機(jī)制造商可以證明這一點(diǎn)，那么在制造之后進(jìn)行的質(zhì)量控制過(guò)程可能就不再是那么有必要了。但是，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)必將持續(xù)發(fā)展下去，因?yàn)轱w機(jī)等結(jié)構(gòu)的安全性離不開這些高效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。
文章來(lái)源于：無(wú)損檢測(cè)公眾號(hào)
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