纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料國內(nèi)外超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)

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(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095;3.中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán) 材料檢測與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料除了應(yīng)用在航空領(lǐng)域的機(jī)身、機(jī)翼、艙門等結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上。由于復(fù)合材料的大量需求，航空領(lǐng)域引入了多種制作工藝、多種材料組成形式及多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料制件。眾多復(fù)材制件在生產(chǎn)和使用中難免出現(xiàn)缺陷并帶來安全隱患，超聲檢測是纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料最可靠、常用的無損檢測方法之一。無損檢測標(biāo)準(zhǔn)是檢測實(shí)施的重要依據(jù)，可保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，反映了一個(gè)國家或地區(qū)無損檢測技術(shù)的發(fā)展水平。

通過對國內(nèi)外復(fù)合材料超聲檢測及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的對比分析，得出了國內(nèi)外復(fù)合材料超聲檢測方法標(biāo)準(zhǔn)的異同，為我國復(fù)合材料超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)的編制、修訂及應(yīng)用提供參考。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

研究涉及的國外標(biāo)準(zhǔn)有美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)、美國軍用標(biāo)準(zhǔn)(MIL)、國外先進(jìn)復(fù)合材料公司標(biāo)準(zhǔn)等，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有中國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB)和中國航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(HB)，具體標(biāo)準(zhǔn)號與名稱如下所述。

① ASTM E 2580-07StandardPracticeforUltrasonicTestingofFlatPanelCompositesandSandwichCoreMaterialsUsedinAerospaceApplications;② BAC 5980-2002NondestructiveInspectionofCompositePartsandStructures;③ 《空客復(fù)合材料超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)體系》;④ GJB 1038.1A-2004 《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料無損檢驗(yàn)方法 第1部分：超聲波檢驗(yàn)》;⑤ HB 5460-90 《蜂窩構(gòu)件超聲波穿透C掃描檢測方法》;⑥ HB 20095-2012 《復(fù)合材料構(gòu)件超聲C掃描檢測方法》;⑦ SAE ARP5605 《復(fù)合材料層板標(biāo)準(zhǔn)試塊》;⑧ SAE ARP5606 《復(fù)合材料蜂窩標(biāo)準(zhǔn)試塊》;⑨ HB 7825-2007 《復(fù)合材料制件無損檢測對比試塊制作及要求》。

2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容對比分析

2.1 各標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)分析

國內(nèi)外復(fù)合材料超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)分析如表1所示，表1主要給出了各標(biāo)準(zhǔn)的適用性及內(nèi)容特點(diǎn)。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)分析

2.2 適用范圍分析

各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的復(fù)合材料超聲檢測適用范圍如表2所示。

國外復(fù)合材料超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)中，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增加了非平行結(jié)構(gòu)和超聲相控陣檢測方法，實(shí)現(xiàn)了對通用標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充，通用標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合基本可涵蓋航空用各類復(fù)合材料的各種方式的超聲檢測，標(biāo)準(zhǔn)體系層級關(guān)系明確，內(nèi)容全面。國內(nèi)復(fù)合材料超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)各有側(cè)重，目前軍用型號產(chǎn)品中使用較多的是GJB 1038.1A-2004標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)主要適用于各類層板結(jié)構(gòu)制件，缺少對蜂窩結(jié)構(gòu)檢測的要求和規(guī)定，HB 20095-2012標(biāo)準(zhǔn)適用于各類結(jié)構(gòu)，但檢測方法中缺少接觸式超聲檢測方法，檢測方法不全面，在使用中具有局限性。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)適用范圍

2.3 檢測用器材要求

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合材料超聲檢測儀器、探頭及試塊的要求如表3～6所示。

各標(biāo)準(zhǔn)均給出了對設(shè)備主要性能的要求,校驗(yàn)方法國外主要依據(jù)企標(biāo)或ASTM E 317，國內(nèi)引用標(biāo)準(zhǔn)較多，無統(tǒng)一規(guī)定。影響檢測能力的設(shè)備主要指標(biāo)有：脈沖反射法是設(shè)備的垂直線性和水平線性，穿透法是設(shè)備的發(fā)射能量和垂直線性。

表3 各標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合材料超聲檢測用儀器的要求

表4 各標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合材料超聲檢測用探頭的要求

表5 各標(biāo)準(zhǔn)中對比試塊的制作與要求

各標(biāo)準(zhǔn)均給出了探頭類型、頻率要求及選擇的依據(jù)。國外主要依據(jù)企標(biāo)或ASTM E 1065進(jìn)行設(shè)備校驗(yàn)，國內(nèi)種類較多，無統(tǒng)一規(guī)定。影響檢測能力的探頭主要指標(biāo)有頻率、晶片直徑和聲場。

各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人工缺陷種類基本一致，國外主要依據(jù)企標(biāo)或SAE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試塊制作，國內(nèi)無統(tǒng)一規(guī)定。影響檢測效果的對比試塊主要指標(biāo)有人工缺陷制作方式、尺寸等。

SAE ARP 5605和SAE ARP 5606規(guī)定了分層、脫黏缺陷的試塊制作，內(nèi)容系統(tǒng)、全面。波音和空客標(biāo)準(zhǔn)給出了詳細(xì)的缺陷制作方法和對比試塊圖紙。GJB 1038.1A-2004和HB 20095-2012從應(yīng)用角度對常用復(fù)材試塊類型及制作方法進(jìn)行了介紹。標(biāo)準(zhǔn)HB 7825-2007《復(fù)合材料制件無損檢測對比試塊制作與要求》規(guī)定內(nèi)容多，部分內(nèi)容不易操作，缺少可參考的試塊設(shè)計(jì)圖紙，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用不多。

表6 各對比試塊制作標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容對比

綜上所述，國內(nèi)外復(fù)合材料超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)中對設(shè)備、探頭及試塊的使用要求有所不同。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對檢測器材的要求方面引用的標(biāo)準(zhǔn)種類較多，不利于實(shí)現(xiàn)器材技術(shù)指標(biāo)的統(tǒng)一，不利于檢測中各標(biāo)準(zhǔn)的交替使用。

2.4 檢測參數(shù)分析

2.4.1 脈沖反射式超聲檢測

復(fù)合材料脈沖反射式超聲檢測主要的檢測參數(shù)有檢測靈敏度和掃查間距。國內(nèi)外常用的復(fù)合材料超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)中脈沖反射式檢測參數(shù)的對比分析如表7，8所示。

表7 各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脈沖反射式檢測靈敏度對比

表8 各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脈沖反射式掃查間距對比

由表7可知，各標(biāo)準(zhǔn)對檢測靈敏度的規(guī)定都是以人工缺陷的反射回波為基準(zhǔn)來進(jìn)行調(diào)節(jié)的，具體調(diào)節(jié)方法上略有不同。

由表8可知，掃查間距主要從規(guī)定數(shù)值(1/4水柱直徑等)或檢測效果(缺陷至少被掃查3次)兩方面進(jìn)行規(guī)定，各標(biāo)準(zhǔn)間略有不同，但理論上均滿足缺陷不漏檢的要求。

2.4.2 脈沖穿透式超聲檢測

復(fù)合材料脈沖穿透式超聲檢測主要的檢測參數(shù)有水距、檢測靈敏度和掃查間距。國內(nèi)外常用復(fù)合材料超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)中脈沖穿透式檢測參數(shù)的對比分析分別如表9～11所示。

表9 各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水距對比

表10 各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脈沖穿透式檢測靈敏度對比

表11 各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脈沖穿透式掃查間距對比

ASTM E 2580-07將水距的規(guī)定分為兩部分:一部分在水套內(nèi)，根據(jù)被檢件情況選擇水套尺寸(并未給出選擇原則);另一部分在水套外，要求其盡可能小，以保證水柱的穩(wěn)定及減小水衰減。

標(biāo)準(zhǔn)GJB 1038.1A-2004和HB 20095-2012對整體水距進(jìn)行了規(guī)定，認(rèn)為在探頭的有效聲束區(qū)域中，聲場能量最強(qiáng)，聲波對工件的穿透效果更好。

根據(jù)檢測經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際檢測時(shí)二者可結(jié)合使用，整體水距盡量接近探頭有效工作區(qū)長度，水套外距離盡可能小。

對穿透式檢測靈敏度的規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 2580-07給出了儀器增益調(diào)節(jié)方法；標(biāo)準(zhǔn)GJB 1038.1A-2004和HB 20095-2012給出了閘門設(shè)置方法，無固定的增益調(diào)節(jié)，給出缺陷報(bào)警要求；這兩種靈敏度調(diào)節(jié)方法可以結(jié)合使用，即將穿透信號調(diào)至較高幅度(如80%)，然后設(shè)置閾值監(jiān)控缺陷。

總體來說，掃查間距主要從規(guī)定數(shù)值(如缺陷尺寸的一半)或檢測效果(如缺陷至少被掃查3次)兩方面進(jìn)行規(guī)定，各標(biāo)準(zhǔn)間略有不同，但理論上均滿足缺陷不漏檢的要求。從操作方面和數(shù)值角度進(jìn)行規(guī)定更有利于操作和統(tǒng)一。

2.5 檢測結(jié)果評定分析

復(fù)合材料檢測結(jié)果的評定通常包含缺陷性質(zhì)評定和缺陷尺寸評定兩方面。復(fù)合材料缺陷種類多，不同性質(zhì)、不同嚴(yán)重程度的缺陷在檢測中表現(xiàn)的信號形式不同，異常信號對應(yīng)缺陷性質(zhì)的判斷是復(fù)合材料超聲檢測的難點(diǎn)。各主要常用標(biāo)準(zhǔn)對檢測結(jié)果的評定方法如表12所示。

表12 各標(biāo)準(zhǔn)對檢測結(jié)果的評定方法

上述標(biāo)準(zhǔn)在缺陷性質(zhì)評定方面具有以下特點(diǎn)。

(1) ASTM E 2580-07標(biāo)準(zhǔn)給出缺陷尺寸評定方法，未提及缺陷信號判別方法。作為通用標(biāo)準(zhǔn)，不同行業(yè)使用的復(fù)合材料的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)各不相同，很難給出全面的缺陷信號判別方法。

(2) 波音標(biāo)準(zhǔn)未給出詳細(xì)的缺陷評定方法。

(3) 空客標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)本行業(yè)復(fù)合材料常用結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了缺陷信號的判別方法，如在脈沖反射檢測中，給出缺陷典型波形；在穿透法檢測中，給出蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷驗(yàn)收閾值。這些規(guī)定更利于對缺陷信號的理解和判斷，并且有利于對標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一執(zhí)行。

(4) GJB 1038.1A-2004和HB 20095-2012標(biāo)準(zhǔn)均只給出缺陷尺寸評定方法，未涉及缺陷信號性質(zhì)的判別方法，易造成檢測人員對缺陷信號辨識不清，存在誤判、漏判的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論及建議

國內(nèi)現(xiàn)有航空用復(fù)合材料超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容基本完整、合理，可以用于指導(dǎo)復(fù)合材料超聲檢測。但仍存在標(biāo)準(zhǔn)間內(nèi)容界定不清晰、器材要求引用標(biāo)準(zhǔn)繁多、缺少缺陷性質(zhì)評定方法以及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用性差等不足。

為了滿足復(fù)合材料無損檢測技術(shù)精量化發(fā)展的要求，有必要梳理復(fù)合材料超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)體系，加快標(biāo)準(zhǔn)修訂速度，充實(shí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)通用標(biāo)準(zhǔn)與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的良好結(jié)合，更好地為航空用復(fù)合材料制件的安全使用保駕護(hù)航。