碳纤维复合材料航空部件的无损检测的比较研究

碳纤维复合材料航空部件的无损检测的比较研究

1。介绍

碳纤维增强聚合物(CFRP)的重量轻的材料具有优异的机械性能的一个类别。越来越多的应用程序已经试图和最近的飞机设计可能超过50%由碳纤维复合材料,在其结构重量。这就造成了提高飞机的性能,包括更低的油耗和二氧化碳的排放量,并增加范围。

这些先进的材料需要应用无损检测技术和标准,可等同于那些迄今已知的金属。然而,只要在CFRP损伤机制少得多是已知的,以及任何损害进展行为,损害在一个相当小的尺寸,无损伤的进展被预期在操作期间必须可靠地检测。这是费时,特别是当考虑标准在今天的航空航天无损检测技术。任何提升在损伤检测速度,分辨率,因此成本将进一步提高碳纤维复合材料结构和性能,可能CFRP甚至成为了损伤容限1天。国家最先进的无损检测技术用于碳纤维复合材料在航空部件检查,X线和超声技术(浸泡,接触和喷水技术)。该的喷水技术使用水射流结合超声波的材料。此方法适用于组件时,是非常大的或复杂,因为它是难以沉浸其中的一个盆地或相应的处理传感器。但也有其他无损检测技术的,如抽样相控阵超声波探伤,涡流和热有很大的潜力,加快检查过程中。

在这项研究中,四个校准样品使用超声波,抽样相控阵,计算机断层扫描,涡流和热成像技术检查由碳纤维复合材料航空结构公司这些技术以及所得结果在下面的段落原则之内将被讨论。

 

2。使用的技术原理

采样相控阵相控阵超声波技术也得到了合格的碳纤维复合材料在航空测试。点源换能器元件的阵列相控阵系统。元素被触发的时间延迟,使得声束可以进行转向和接收的信号可以是时间校正。波前产生叠加可以操纵不同的角度,重点突出。抽样相控阵(SPA)是由德国弗劳恩霍夫协会IZFP先进的信号和图像处理开发的下一个步骤SPA的区别是在数据被收购由阵列中的所有元素的一个元件时,作为一个发射器和每个时间域的信号分别被存储的信息矩阵中没有相位求和。然后将信号存储处理脱机但实时由合成孔径聚焦技术(SAFT)的装置。这通常导致更高的检测灵敏度,并因而增加检测要在组件的表面的附近观察到的缺陷的概率显着[1]。

电脑断层扫描,X射线计算机断层扫描(CT)[2]是一种图像形成的非破坏性的测试和评价方法。虽然透视照相被限制为只提供二维图像,计算机断层扫描提供真正的三维图像的一个对象。样品放置在X-射线源和平板探测器之间,定位决定了体素大小。试样被旋转了360°的旋转舞台上。几百年的X光片,所谓的预测,在高速旋转的过程中。使用一台计算机来计算该对象的三维图像。可以可视化的结果,无论是作为部分(层的层),或作为该对象的3D-MODELL。的CT是一种特殊的优势,体积图像可以很容易地解释。计算机断层扫描提供的线性衰减系数μ的每个体积元中的辐射吸收,根据透视能源和材料密度的绝对度量。

涡流在一个线圈的交变电流产生的交变磁场的线圈周围。当线圈被放置在靠近表面的导电材料,在材料中诱导涡流。的涡流再次产生的励磁磁场的方向相反的方向中的磁场。试样中的缺陷引起的涡流循环,前进中的变化所产生的磁场,在接收线圈作为线圈的阻抗变化的被测量的干扰。涡流检测已被普遍应用于具有导电性的材料,如金属。但是也可以碳提供电导率虽然已利用这里以及在其他场合在一个较低的内容[3]。

锁定热成像,这是其特征在于由一个周期性调制的周期性的热流动和温度分布的热激发称为»热波«在组件中产生的要被检查[4]。此波被一个热扩散长度,大致描述了这种技术的热的穿透深度,并可以控制由所述调制频率超过临界阻尼。由于材料变化,脱层,裂纹或夹杂物的界面处的热波被反射,然后,可以在组件的表面上检测到。热成像的图像序列被记录在周期激励,然后,以相同的频率作为调制频率的正弦和余弦函数相关联。其结果是,计算的振幅和相位值,对于每个像素,构成一个幅度和一个相位图像。相图像是理想的免费乘令人不安的影响,例如发射率的变化或不均匀的加热。信号漂移和噪声被抑制。

 

3。用于验证的标本

第一样本»平面板“(图1,左)的大小为359所述307 x 14毫米3,其中24平人工夹杂物被发现的表面平行。的夹杂物被发现在三个深度水平8夹杂物每个接近的题词侧的表面,所述相反的表面,并在中间的试样分别。的夹杂物的尺寸是约8×26×0.5 26×11×0.5 11×11×0.5立方毫米。另一种样品,四阶梯楔“(图1,右)的大小363 x294毫米²,一面加强与其他平面。是8.6,6.5,4.3和2.3毫米的厚度的步骤。三十一夹杂物被发现在这种情况下,在左右的距离排列的。 1毫米到彼此靠近表面的背面上的表面关闭。的夹杂物的尺寸是10×10×0.5和4×4×0.5毫米3。

图1。 »平面板“(左)和夹杂物。 X线图像的四阶梯楔形“(右)。

»八阶梯楔«试样(图2,左侧)是类似的前的检体。然而,平面侧包括铜网。试样尺寸为400×150毫米。的厚度的步骤是15.8,12.8,10.6,8.6,6.5,4.4,2.4和1.4毫米的夹杂物的大小是约。 3×3×0.2毫米3和6×6×0.2毫米3。标本命名为»剪辑«(图2右)是一个L形板。的平面区域的尺寸为40×125毫米²和111×125平方毫米,厚度为4.2毫米。 12夹杂物被发现在三个不同深度的水平。的夹杂物的尺寸是约。 3×3×0.5和6×6×0.5毫米3。

图2。八阶梯楔“夹杂物试样(左)。的台阶侧表面的半透明视图。包含最接近的平面(上排),中间(中排),最远的(底行)。 »剪辑«试样的夹杂物(右)。

 

4。测试结果

4.1。抽检相控阵。

图3。参数:5兆赫。 »平面板“(左)。 C-扫描。四阶梯楔“(右)。 3-D图像。

图4。参数:5兆赫。八阶梯楔“(左)。 »剪辑«(右)。

(左图)示出了图4的B-扫描的»八台阶楔形«。在图像中的对角线波浪型红线表示从台阶侧的楔的反射。线之上的红色点是从躺在的楔中的每个步骤(参见图2:左图像,中间行)的内含物的。图4(右)表示的平面面积的»剪辑«试样的C扫描的结果。这里,模式»栅极«使用它提供的时间间隔从0.7毫米至3.7毫米的深度,从表面中的最大值。作为一家专业的探针半径检查不是`吨暂时半径不检查(虽然半径检查与抽样相控阵的圆满完成之前);中夹杂物的平​​面区域所有标本被发现。

4.2。计算机断层扫描

图5。 »平面板“。前三个图像:从左侧参数:220千伏,400μA,800的预测,体素尺寸为285微米,集成时间1,3小号。

图5示出了通过以下方式获得CT图像。设置在图的下列命名。 1吸收更多的夹杂物是8,9,10(第一图像左),15,16,17(第二图像)和22,23,24(第三图像)。在右边的三幅图像包含的15个少吸收夹杂物的黑色箭头表示的例子。从左边的第四个图像显示的一个缺陷可能来自缺少的巡回。在右边的三幅图像应用的参数分别为220千伏,25μA,1200年的预测,体素大小142微米,集成时间999毫秒。图。图6显示了一个地区的利益重建的四阶梯楔“(左)(参数:220千伏,200μA,1600年的预测,体素大小为145微米,集成500毫秒),八阶梯楔。 «(中)(参数:220千伏,400μA,体素大小为239.5微米,积分时间400毫秒)用CT切割距离的平面侧的表面(4厚的步骤)和放置在一排中的夹杂物相同的深度,和»剪辑«(两个图像在右侧),包括一个CT-剪切通过的平面面积,并通过半径(参数:200千伏,300μA,1600的突起,体素尺寸79微米,积分时间285毫秒)。图。 »八台阶楔形«(参数:220千伏,140μA,体素大小87微米,积分时间1000毫秒)基质瑕疵及夹杂物的右侧,可以看到,图7示出了区域的利益重建。

四阶梯楔“(左),”八阶梯楔“(中)和”剪辑«(右两幅图像)。

»八台阶楔形«试样与矩阵瑕疵及夹杂物在右侧。

4.3。涡流检测

得到的结果示»平面板«图。 8。根据从图的编号系统中发现的夹杂物。 1,8,9,10,15,16,17,22,23和24。用于左侧结果的参数是半透射的设置,横向间距3.5毫米,机械手步宽度(20μm/15微米),20圈,5兆赫。示缺陷由于半传输设置的两倍。从检查结果由双方中间和右侧上显示的图片。参数应用反思设置,200千赫,线圈直径12毫米,机械臂步宽度(0.2 mm/0.2毫米)由于在较低的频率和较大直径的线圈中夹杂物的试样的中间也发现。图。图9显示的结果»四阶梯楔“八阶梯楔”(中)和“剪辑«(右)(左)。所有的夹杂物被发现为四个台阶楔形,虽然将试样从台阶侧只测试。在此图像中的结果相结合的不同的频率和不同的探头角度使用简单的算术计算。八台阶楔形测试只从5兆赫的台阶侧只中夹杂物的表面附近被发现以来的铜网防止从平面侧进行涡流探伤。剪辑是在10 MHz从平面侧扫描。所有的夹杂物被发现时,双方进行测试。未经测试的半径区域由于缺乏适当的换能器,但在技术上是可能的,以及要被检查。

»平面板“得到的结果与涡流。

四阶梯楔“(左),”八阶梯楔“(中)和”剪辑«(右)。

 

4.4。热成像测试

图。图10示出为»平面板«试样所获得的结果。参数应用于包括锁定在0.2赫兹的频率和摄像头像素大小为320×256。碑文侧从发现的夹杂物是4,5,和6,较低分辨率的2,7,和8,根据图中所提供的术语。 1。从背面侧的检体发现的夹杂物是3,18,19,20和21。一些夹杂物,但没有发现放置在靠近表面。其原因可能是,effusivities的基质材料和包合材料的非常相似。 »四台阶楔形«获得的结果示于图中。 11的锁定在频率0.5和0.025赫兹之间变化,并作为相位图像和振幅图像分别所示。热成像测试,从一个侧面已经夹杂在这个标本被发现。图。图12示出了»八台阶楔«(左)和»剪辑«(右)中得到的结果。已应用于检查从台阶侧和结果示作为振幅图像与前样本的锁在频率为0.05 Hz。只有在周边表面的夹杂物被发现。 »夹“的幅度从平面图像,而测试是从双方包括所有找到相应的夹杂物的半径。

 

 

5。各种参数的比较

要考虑的两个主要参数的性能和成本,其中前者可以降低到可容忍的损伤尺寸恒定的情况下的时间可以提供。 SPA选项允许使用超声波扫描速度可达5米/秒进行。 CT可与一个较大的时间的努力,变大,特别是当一个组件。越来越多地利用的CT因此,可以看出随着结构复杂性。因此所需的时间,用于扫描组件具有在5至30分钟的范围内可见。类似超声波的应用涡流探伤,但很难超过2米/秒的检测速度,甚至可能下降到

0.5米/秒的情况下的四个探针在复用模式下可以使用的。涡流的优势,但已被视为在避免任何耦合介质。锁定在热允许的速度要增加的一个因素约3闪光热熔施加时在100秒内,为300毫米×300毫米的区域进行扫描。再次热熔的优势组件时,被检查变得更加复杂,虽然要亲眼目睹了太多的复杂性和局限性。

至于费用的无损检测系统有一定的相关性,可以使该组件的大小以被检查。简单的手持式系统可从在该地区的约6 K€涡流电流,可能只有100多k€或什至更多的范围内的热,超声波或CT系统驱动机器人技术,其中,后者的成本可以甚至远远超出。这是这些数字,然后都必须在要扫描的区域定义的部分的时间,并在各自的分辨率和可靠性,以被检测到的损害有关。这将最终确定的技术可能是最值得实施。考虑的不同技术的各种优点和局限性,总结在下面的表1中。

表1中。优点和局限性

Technique    
Sampling Phased Array (+) (+) (-) fast real-time reconstruction and imaging couplant necessary
Computed tomography (+) (+) (-) (-) real-time processing possible 3D-µm-resolution relatively small density difference between fiber and matrix-material, therefore the contrast is small X-ray protection necessary
Eddy current (+) (+) (+) (-) (-) fast cheap robust not applicable by copper mesh The penetration depth into the material is limited. In this comparison inclusions (dimensions: 4 x 4 x 0.5 mm³) up to 8 mm deep in the CFRP material were found.
Thermography (+) (+) (-) applicable to complex geometries no mechanical scanning system necessary Only flaws close to the surface are detectable. In this comparison inclusions (dimensions: 4 x 4 x 0.5 mm³) up to 8 mm deep were found.

6。持续发展

抽检相控阵。逆相匹配的是一个额外的功能,可用于相控阵(SPA)进行取样检查各向异性材料的目的。根据各向异性的材料的类型,这涉及到的相位信息的调整。这种技术是非常有用的检查奥氏体不锈钢焊接以及复合材料的性能可能会改变的方向。

计算机断层扫描/计算分层法计算分层法是一种特殊的测量设置,允许作出不能检查标准CT安排的平面物体的断层检查。通过在两个平面彼此平行地移动的X-射线源和检测器,从而固定在源和探测器之间的角度的焦平面的详细的重建是可能的。这种方法避免了问题的物理对象的尺寸和几何形状的限制,因此特别适合宽敞的项目,如飞机板和外壳的各个部分,转子叶片及其他。

安排在不同的传感器的角度,利用多频,复杂的涡流信号的相位旋转的涡流各向异性传感器[5]都让一组选项,进一步提高涡流探伤。任务是通过这些选项获得的数据进行分析和提取,并结合在一个聪明的方式的最重要的信息。

用光谱分辨的热成像和成像方法的瞬态发射光谱的红外热成像的初步实验已表明有机会改进的特性浅(最多50微米)地区CFRP材料[6],这可能有助于提高性能的热成像。

记录的信号,由系统的变化和比较,数据融合,夹杂物和缺陷的取向将实现高得多的信号噪声比的比这到目前为止所做采用超声技术。可能是这样的,甚至可以扩大到在碳纤维复合材料,如分层,条纹,缺少粗纱等典型的损害。的过氧化物酶(POD)和灵敏度的技术是能够检测inhomogeniety的取决于位置和方向的一个缺陷,材料性能和其他因素的差异。由于每个这里描述的技术提供作为结果的物理原理应用的组合相关的数据融合技术的优点和局限性可能是值得考虑的一个选项的情况下,它也可能满足一个特定的成本设定为将要执行的分析的帧。

 

参考文献

[1] Bulavinov A.,汉克,奥斯特,Pudovikov S.KröningM. R. R.,Hegemann U.,雷迪KM Venkat保持RS的采样相控阵技术的碳纤维复合材料部件的超声波检查中的应用。国际航空航天无损检测研讨会。柏林:德国zerstörungsfreie中心(DGZfP),2008,S. 21-38。 (114 DGZfP-Berichtsbände)

[2]法律组成的社团性质的德国工程师(VDI):Computertomografie在der dimensionellen测量技术。 Grundlagen和Definitionen。 VDI / VDE 2630布拉特1.1。杜塞尔多夫:VDI出版社,2009年。

[3]雅,H.,Hillmann S.,克莱因M.和Meyendorf的的的N.:次表面材料使用高频涡流光谱的表征。圣地亚哥:SPIE会议,2010年。

[4]布莱腾施泰因O.,新闻报W.,Langenkamp M.锁定在热成像。柏林:Spinger出版社,2010年。

[5]舒尔茨,Meyendorf北路雅H. M.分析涡流成像​​技术的碳纤维材料的技术。慕尼黑:卡尔·Hanser出版社,2010年,S. 603-609,MP测试。

[6] Kalyanasundaram P.,Venkatraman B.,Netzelmann U.,拉吉B.红外成像技术的应用进展:2006年非破坏性检测:无损检测:无损检测知识社会的印度社会。特里凡得琅:印度非破坏性测试协会,2006年,TP 124。

确认

编辑要感谢以下同事所作出的贡献的研究,支持和建议,诺伯特·冈特有问题,埃瓦尔德,Pudovikov谢尔盖·兰道夫汉克教授托马,两个,孙燕姿棉铃虫,博士托马斯·文策尔,约尔格Muhlbauer的,Weizel维塔利佛朗哥Gliemmo,海蒂品牌,罗马平丘克博士,

弗兰克博士尼泽,:格尔德Dobmann博士和Roger普法奥。


TAG:

在线客服

技术支持
点击这里给我发消息
产品咨询
点击这里给我发消息