早在20世紀50年代,國外就開始樹脂基復合材料制件應用于航空發動機的研究,目前已取得較為成熟的成果,重要的代表性零件有風扇機匣、風扇葉片、發動機短艙等。保障該類制件內部質量的無損檢測技術也隨之快速發展。
發動機復合材料制件以層板結構和蜂窩夾層結構為主,具有雙曲率、多拐角、變厚度等結構特點,并采用多種制作工藝和材料體系,給無損檢測可達性、完整性、準確性及一致性帶來較大挑戰。了解國外先進航空發動機復合材料制件無損檢測技術發展現狀,對提高我國同類制件無損檢測技術水平、保障發動機復合材料制件質量可靠性,具有重要意義。
采用多軸噴水式自動超聲檢測系統可實現對變結構、變厚度的風扇機閘的三維C掃檢測,一次掃查零件所有部位。同時,在復合層合材料中嵌入特氟龍材料模擬缺陷,利用先進的信號處理工具,以較高信噪比識別出復雜結構部位的預制缺陷,如圖4所示。
羅羅公司“超級風扇”發動機風扇葉片采用水浸式超聲穿透法進行成像檢測,檢測利用自校準和自評價系統,以超過200 mm/s高速對復雜雙曲率型面葉片和金屬包邊進行高分辨率測量,多軸超聲水浸平臺及“超級風扇”的高分辨率測量如圖5所示。
DantecDynaminc公司利用激光散斑技術,同時結合六自由度的機械臂(圖6),對復合材料葉片進行成像檢測,根據相位圖上的蝶形圖案檢測樹脂基復合葉片的沖擊損傷。
航空發動機復合材料短艙通常采用蜂窩夾層結構制作,且尺寸較大,檢測耗時較長。SAFRAN公司利用紅外檢測技術檢測效率高的優勢,結合Kuka機器人自動控制技術(圖7),將紅外自動檢測技術應用于LEAP-1A和Trebt7000發動機短艙復合材料的測量,檢測時間減少了一半。
NSI北極星公司對樹脂基編織復合材料進行了CT檢測,用于識別復合材料中脫毛、屈曲、材料、纖維取向以及均勻性等問題。CT檢測結果如圖8所示。
Suragus研制渦流自動檢測系統,用于纖維編織、預制材料和復合材料檢測,可以分析多層結構碳纖維內的紋理缺陷,如失真、錯位、褶皺、重疊以及間隙等缺陷。檢測系統及缺陷檢測結果如圖9所示。
Suragus公司基于高頻渦流檢測,制作了用于纖維的面積纖維密度和均勻性評估原型機,如圖10所示。
德國航天輕量化生產技術中心DLR提出用于加工大型CFRP飛機構件過程質量控制平臺(圖11),用于裝配質量保證、纖維鋪帶質量控制等。
羅羅公司建設世界上最大的X射線檢測平臺(圖12),用于觀察發動機運行時,2萬多個部件在不同條件下的極端表現。
將數字化技術應用于復合材料制件的科研生產中,可有效提高檢測精度、速度和效率。通過數字化檢測設備檢測原理剖析,應用激光跟蹤儀或激光雷達開展復合材料產品檢測和工藝過程中工裝及零部件檢測;開展模具在成型過程中的變形分析,指導新模具的設計制造;開展復材部件裝配定位,指導裝配;開展復材件型面測量,分析型面偏差狀況,指導工藝采取相應措施,從而提高了產品質量和生產效率。數字化技術在復合材料制造以及維修過程中的應用,為復合材料大規模工程應用提供了有力保障。
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