Page 36 - 无损检测2022年第四期

韩 波,等:
连续 SiC 纤维钛基复合材料制件的超声底波监控检测
究。如 NASA ( 美国国家航空航天局)、 罗尔斯 - 罗伊
斯等公司均已研制出 TMCs复合材料叶环, 其减重
效果非常明显。典型的 TMCs 连续纤维整体叶环
结构如图 1 所示 [ 2 ] 。
图 1 TMCs连续纤维整体叶环结构示意
国内关于 TMCs的基础研究起步较晚, 近年来
才开始 TMCs制件的研制。在连续纤维 TMCs 制
件制备过程中, 受纤维缠绕不均、 热等静压工艺参数
控制不当、 连续 SiC 纤维束与钛合金基体的热变形
不匹配、 复合材料宏观热膨胀系数的各向异性等因
素影响, 纤维 / 钛合金结合界面极易出现不连续
从而产生纤维屈曲、 纤维拔出、 纤维束断裂、 SiC 纤
维 / 钛合金界面开裂、 焊缝开裂等宏观缺陷, 这些缺
陷易从结合界面处沿轴向、 周向或径向扩展, 对性能
产生重要影响。其中纤维束碎裂、 SiC 纤维 / 钛合金
界面开裂、 焊缝开裂等空洞类缺陷对材料力学性能
的影响较大, 严重影响 TMCs制件的安全使用。因
此纤维 / 钛合金界面结合质量的检测, 尤其是结合界
面处空洞类缺陷的检测和识别尤为重要。
对特定尺寸 TMCs整体叶环中纤维 / 钛合金结合
界面处产生的空洞类缺陷的底面反射回波幅度进行仿
真模拟并通过试验及解刨分析验证了超声底波监控对
TMCs整体叶环结合界面处空洞类缺陷的检测能力,
以期为 TMCS制作内部质量的超声检测提供参考。
1 检测方法和试验过程
1.1 检测方法
针对 TMCs 制 件 纤 维 束 / 钛 合 金 基 体 结 合 界
2
2022 年 第 44 卷 第 4 期
无损检测
面, 超声 检 测 是 最 有 效 的 无 损 检 测 方 法 [ 7 ] 。 由 于
SiC 纤维与钛合金基体的声特性差异, 声波传播到
界面时会有部分能量被反射 [ 8 ] , 即界面处存在本底
反射。且 TMCs制件中钛合金与连续 SiC 纤维结
合紧密, 界面过渡区狭窄( 微米级), 本底反射的深度
和缺陷( 如果存在) 的深度相同, 无法通过位置将两
者有效区分; 另外, 由于 SiC 纤维与钛合金基体热变
形不匹配引发的热残余应力及复合材料宏观热膨胀
系数具有各向异性, 连续纤维的形状在热等静压后
不可避免地会发生改变。 TMCs整体叶环中纤维束
截面形状如图 2 所示, 以其为例理论设计其纤维束
截面形状为矩形时, 在热等静压后纤维束截面形状
常常产生变形[ 见图 2 ( b )]。当声束垂直于纤维与
钛合金的结合界面检测时, 由于纤维束形状发生改
变, 结合界面位置处本底信号也会发生幅度和位置
的细微变化, 影响缺陷检测信号的识别。
[ 3-6 ] ,
图 2 TMCs整体叶环中纤维束截面形状
( 理论设计与实际变形) 示意
在超声检测中, 当材料成份和组织均匀、 厚度不
变时, 底面反射回波的高度基本不变, 如果零件内部
存在缺陷或者组织不均匀, 声能量的吸收、 散射或反
射会造成底面反射回波高度下降或消失, 即通过底
波幅度的变化可以判断制件的内部质量 [ 8 ] 。由于该
方法不能对异常部位进行精确定位和定量, 在金属
制件检测中很少作为一种独立的检测方法, 但因其
具有对缺陷取向无特殊要求和对空洞类缺陷较敏感
等优点, 常作为一种辅助的检测手段应用于超声检
测中, 尤其对于复合材料制件的检测, 底波反射幅度
是缺陷类型判别的一个重要参考依据。因此, 笔者
利用底波监控开展了 TMCs 整体叶环结合界面处
空洞类缺陷的检测试验。