CN108037185A - 一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法 - Google Patents

一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，属于复合材料无损检测领域。该方法首先利用断铅信号幅值确定碳化硅纤维断裂信号幅值范围，然后根据质心频率不同在待选信号中排除基体变形产生的高幅值信号；根据纤维断裂信号到达声发射传感器时间不同使用相对位置定位法确定纤维断裂位置。该方法可以适用于多种实验条件下检测纤维断裂，不受声发射传感器布置距离和实验环境的影响。本发明能够正确识别钛基复合材料纤维断裂信号和定位纤维断裂位置，具有实时动态监测、灵敏度高等特点，对保障碳化硅纤维增强钛基复合材料服役安全有重要意义。

Description

一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断 裂检测方法
技术领域
本发明涉及复合材料无损检测技术领域，具体涉及一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法。
背景技术
碳化硅纤维增强钛基复合材料(TMCs)具有高比强度、高比模量和良好的疲劳与蠕变性能，已经成为新一代高推重比航空发动机的关键材料之一，用其制备的低压涡轮轴、整体叶环、飞行器翼片等部分部件已经获得应用，该材料在航空航天领域具有非常广阔的应用前景。
TMCs的承载损伤模式主要有SiC纤维断裂、界面反应层开裂、纤维基体界面脱粘、基体裂纹等，其中纤维断裂是TMCs发生严重损伤的标志，因此检测纤维发生断裂并确定纤维断裂位置对于TMCs结构件的安全可靠服役意义重大。目前TMCs无损检测手段有X射线探伤、工业CT和超声检测等，上述检测手段主要用于检测毫米以上的制造缺陷和承载损伤缺陷，受分辨率限制，对于构件内部少量SiC纤维断裂的检测技术难度较大，对于承载过程中SiC纤维的随机断裂更是无法检测。
声发射技术作为一种无损检测技术，具有实时动态监测、灵敏度高等优点，已经广泛应用于碳纤维增强树脂基复合材料无损监测。碳纤维增强树脂基复合材料中纤维断裂通常采用声发射信号幅值判断，由于不同实验条件下信号幅值衰减不同，该方法易受声发射传感器布置距离和实验环境影响。碳化硅纤维增强钛基复合材料声发射信号特征相比碳纤维增强树脂基复合材料具有声发射活动性强、高幅值信号众多且成分复杂等特点，碳化硅纤维断裂信号幅值明显高于碳纤维断裂信号，此外基体合金变形也会产生少量类似高幅值声发射信号，因此需要建立一种适用于多种实验条件下钛基复合材料纤维断裂的检测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，该方法利用声发射断铅实验确定纤维断裂幅值范围和标定参考位置，可以适用于多种实验条件下检测纤维断裂，能够正确识别钛基复合材料纤维断裂信号和定位纤维断裂位置。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，该方法首先利用断铅信号幅值确定碳化硅纤维断裂信号幅值范围，然后根据质心频率不同在待选信号中排除因基体变形产生的高幅值信号，最后根据筛选后的纤维断裂信号到达声发射传感器时间不同来确定纤维断裂位置。介绍如下：
第一、识别钛基复合材料纤维断裂信号。碳化硅纤维增强钛基复合材料声发射源有：碳化硅纤维断裂、界面反应层断裂、纤维基体界面脱粘、基体变形、基体裂纹等，其中纤维断裂声发射信号幅值明显高于其他信号且与断铅信号幅值信号相近，因此可以利用断铅信号幅值确定纤维断裂信号幅值范围。由于基体合金在屈服点附近也会产生少量类似高幅值信号，因此需根据质心频率不同在待选信号中排除基体变形产生的高幅值信号。
第二、定位钛基复合材料纤维断裂位置。根据纤维断裂信号到达声发射传感器时间不同可以定位纤维断裂位置，由于声发射传感器直径在10-20mm难以精确测量传感器间距，所以以两个传感器中点作为原点，在传感器连线上距原点距离L处作为参考点，在原点和参考点分别做断铅实验并记录断铅信号到达两个声发射传感器的时间差Δto、Δtr，波速可由2L/(Δtr-Δto)计算。根据纤维断裂声发射信号到达两个传感器的时间差Δt计算纤维断裂位置X＝L×(Δt-Δto)/(Δtr-Δto)，利用断铅实验标定参考位置可以减小传感器间距测量引入的误差。
本发明检测方法具体包括以下步骤：
(1)安装布置声发射传感器：以样品待测区域为中心对称布置声发射传感器，选择声发射传感器连线中点为原点，在传感器连线上取距原点距离L处作为参考点，使用胶带或固定器将声发射传感器固定在碳化硅纤维增强钛基复合材料表面或波导杆，声发射传感器与接触面中间填充耦合剂，保证声信号有效传输到声发射传感器。
(2)连接设置声发射系统：连接声发射传感器、前置放大器和声发射检测仪，设置合适的声发射采集参数和声发射信号监控界面。
(3)记录断铅实验幅值和到达时间差：使用0.5mm铅笔在原点和参考点处分别与样品表面夹角30度折断三次，记录断铅信号幅值和断铅信号到达两传感器时间差。
(4)加载试样监测记录声发射信号：加载试样，声发射系统与力学测试系统同步采集数据，监测记录声发射信号特征参数中幅值、质心频率、到达时间等参数。
(5)识别钛基复合材料纤维断裂信号：根据断铅信号幅值确定纤维断裂信号幅值范围；在待选信号中根据质心频率不同排除基体变形产生的高幅值信号。
(6)定位钛基复合材料纤维断裂位置：根据原点参考点间距L、原点和参考点断铅信号到达声发射传感器的时间差Δto、Δtr以及纤维断裂信号到达两个传感器时间差Δt计算纤维断裂位置X＝L×(Δt-Δto)/(Δtr-Δto)。
步骤(1)中声发射探头优先选择宽频探头，其工作段频率范围应包括200-900kHz。
步骤(2)中声发射系统幅值最大记录范围不低于120dB以避免纤维断裂信号被截断，采样率不低于2MHz以满足频谱分析要求，前置放大器优先选择20dB。
步骤(3)中断铅铅笔优先选择0.5mm直径HB型铅笔，原点到达两声发射传感器时间差应接近于0s。
步骤(4)中声发射系统监控界面应包括幅值-时间图、幅值-质心频率图、事件-位置图。
步骤(5)中纤维断裂幅值范围优先选择断铅信号幅值±10dB；将待选信号按质心频率分为两组，其中质心频率高的一组为纤维断裂信号，纤维断裂信号和基体变形高幅值信号质心频率分界线可由纯基体对比实验确定，优先选择在400-600kHz之间。
步骤(4)、(6)中信号到达时间优先选择门槛到达时间，门槛幅值应高于背景噪声且低于断铅信号幅值的0.8倍。
本发明具有如下优点：
本发明基于声发射技术的钛基复合材料纤维断裂检测方法能够正确识别钛基复合材料纤维断裂信号和定位钛基复合材料纤维断裂位置，该方法可以适用于多种实验条件下检测纤维断裂，具有通用性高、定位准确等优点，能对碳化硅纤维增强钛基复合材料严重损伤给出及时预警，避免因碳化硅纤维增强钛基复合材料失效造成的安全事故和经济损失。
附图说明
图1为基于声发射技术的钛基复合材料纤维断裂检测方法流程图。
图2为实施例声发射传感器和原点参考点位置示意图。
图3为实施例单纤维复合材料拉伸过程声发射信号幅值、拉伸应力-时间图。
图4为实施例纯基体合金材料拉伸过程声发射信号幅值、拉伸应力-时间图。
图5为实施例单纤维复合材料和纯基体合金高幅值信号幅值-质心频率图。
图6为实施例纤维断裂事件-位置图。
图7为实施例中纤维断裂金相图片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，实施例为单纤维碎断实验，其特点为纤维在复合材料中发生多次碎断最终达到饱和，此外纯基体合金在相同条件下拉伸作为对比。实施案例包括以下步骤：
(1)安装布置声发射传感器：如图1所示将两个Micro80s宽频探头沿样品对称布置，取声发射传感器中点为原点，在传感器连线上距离原点15mm处为参考点。声发射传感器与接触面之间采用真空硅脂耦合声信号。
(2)连接设置声发射系统：将声发射传感器与2/4/6型前置放大器相连，前置放大器通过同轴电缆连接美国物理声学公司PCI-2型声发射检测仪，前置放大器选择20dB放大倍数，采样率设置为5MHz,门槛值设置为45dB。
(3)记录断铅实验幅值和到达时间差：使用0.5mm铅笔在原点和参考点处分别与样品表面夹角30度折断三次，记录断铅信号幅值和到达两传感器时间差，计算波速。
(4)加载试样监测记录声发射信号：采用Instron电子万能试验机以0.45mm/min速率加载试样，监测记录声发射信号特征参数幅值、质心频率、到达时间等参数。
(5)识别钛基复合材料纤维断裂信号：根据断铅信号幅值±10dB确定纤维断裂信号幅值范围；根据质心频率不同将待选信号按质心频率分为两组，排除基体变形产生的高幅值信号。
(6)定位钛基复合材料纤维断裂位置。根据原点参考点间距L＝15mm、原点断铅信号到达两个传感器时间差Δto、参考点断铅信号到达两个传感器时间差Δtr、纤维断裂信号到达两个传感器时间差Δt，计算纤维断裂位置X＝L×(Δt-Δto)/(Δtr-Δto)。
表格1为实施例中使用0.5mm铅笔在原点和参考点断铅实验结果，其平均幅值为100dB，因此可以将90-110dB作为纤维断裂信号幅值范围。原点断铅信号平均到达时间差Δto＝0s，参考点断铅信号平均到达时间差Δtr＝6.1E-06s，波速为4918m/s,断铅定位误差为1.2mm。
图2为单纤维钛基复合材料在恒速率拉伸条件下声发射信号幅值、应力-时间图，作为对比图3为相同实验条件下纯基体样品拉伸声发射信号幅值、应力-时间图。图2表明整个拉伸过程中声发射信号数量众多，幅值-时间图中存在大量中低幅值信号和少量高幅值信号。根据表格1得到断铅信号平均幅值100dB，因此提取幅值范围90-110dB声发射信号作为纤维断裂待选信号。图3表明纯基体拉伸过程中除去最后拉断产生的高幅值信号外在拉伸过程中也会产生少量幅值在90-110dB的声发射信号，因此需要对待选信号进一步筛选。图4表明基体变形产生的高幅值信号大部分低于500kHz，纤维断裂信号大部分质心频率高于550kHz，有三个高于105dB声发射信号处于500kHz-550kHz之间，考虑到基体屈服到整体破坏之间声发射信号低于100dB，因此这三个信号属于纤维断裂。所以纤维断裂待选信号中一个94dB高幅值信号在50秒时出现，其频率质心为367kHz，此信号由基体变形产生，应予以排除，其余的声发射信号由纤维断裂产生。
根据X＝L×(Δt-Δto)/(Δtr-Δto)计算钛基复合材料纤维断裂位置。其中L＝15mm,Δto＝0μs,Δtr＝6.1μs。图5为单纤维钛基复合材料纤维断裂-位置图，碳化硅纤维在距原点±17mm范围区域发生多次碎断，在其他范围内没有纤维断裂发生，纤维断裂间距均小于1.2mm，上述实验结果与金相观察结果(图6)相吻合。具体案例结果表明本发明能够正确识别钛基复合材料中纤维断裂信号，并能够实现对纤维断裂实现准确定位。

Claims (9)

1.一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：该方法是针对碳化硅纤维增强钛基复合材料，利用声发射技术检测复合材料中纤维断裂情况，再进一步确定纤维断裂位置。
2.根据权利要求1所述的基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：该方法首先利用断铅信号幅值确定碳化硅纤维断裂信号幅值范围，然后根据质心频率不同在待选信号中排除因基体变形产生的幅值信号，最后根据筛选后的纤维断裂信号到达声发射传感器时间不同来确定纤维断裂位置。
3.根据权利要求1或2所述的基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)安装布置声发射传感器：以样品待测区域为中心对称布置声发射传感器，选择两个声发射传感器连线中点作为原点，在两个传感器连线上取距原点L处作为参考点，使用胶带或固定器将声发射传感器固定在碳化硅纤维增强钛基复合材料表面或波导杆上，声发射传感器与材料表面或波导杆的接触面填充耦合剂，保证声信号有效传输到声发射传感器；
(2)连接设置声发射系统：连接声发射传感器、前置放大器和声发射检测仪，设置合适的声发射采集参数和纤维断裂监控界面；
(3)记录断铅实验幅值和到达时间差：使用铅芯直径0.5mm的铅笔在原点和参考点处分别与样品表面呈30度夹角折断三次，记录断铅信号幅值和断铅信号到达两传感器时间差；
(4)加载试样并监测记录声发射信号：加载试样，声发射系统与力学测试系统同步采集数据，监控记录声发射信号特征参数中幅值、质心频率、到达时间等参数；
(5)识别钛基复合材料纤维断裂信号：根据断铅信号幅值确定纤维断裂信号幅值范围，在待选信号中根据质心频率不同排除基体变形产生的幅值信号；
(6)定位钛基复合材料纤维断裂位置：由公式(1)计算波速，并根据公式(2)计算断裂纤维的位置；
波速＝2L/(Δtr-Δto) (1)；
X＝L×(Δt-Δto)/(Δtr-Δto) (2)；
公式(1)-(2)中:L为原点和参考点的间距；Δto为原点的断铅信号到达两个声发射传感器的时间差；Δtr为参考点的断铅信号到达两个声发射传感器的时间差；Δt为纤维断裂信号到达两个传感器时间差；X为断裂纤维位置。
4.根据权利要求3所述的基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：步骤(1)中声发射传感器选择宽频探头，其工作频率范围应包括200-900KHz。
5.根据权利要求3所述的基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：步骤(2)中声发射系统幅值最大记录范围不低于120dB，采样率不低于2MHz，前置放大器选择20dB。
6.根据权利要求3所述的基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：步骤(3)中断铅笔选择HB型笔芯，原点断铅信号到达两个声发射传感器时间差应为0s或接近于0s。
7.根据权利要求3所述的基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：步骤(4)中声发射系统监控界面应包括幅值-时间图、幅值-质心频率图、事件-位置图。
8.根据权利要求3所述的基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：步骤(5)中纤维断裂幅值范围选择断铅信号幅值±10dB；将待选信号按质心频率分为两组，其中质心频率高的一组为纤维断裂信号，纤维断裂信号和基体变形高幅值信号的质心频率分界线可由纯基体对比实验确定，优选在400-600kHz之间。
9.根据权利要求3所述的基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：步骤(4)、(6)中信号到达时间优先选择门槛到达时间，门槛幅值应高于背景噪声幅值且低于断铅信号幅值0.8倍。
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