CN109342560A - 一种纤维增强钛基复材界面结合质量的超声检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于碳化硅纤维增强钛基复合材料制件的超声检测方法，属于无损检测技术领域。本发明针对钛合金与碳化硅纤维丝之间的金属/纤维界面进行水浸聚焦超声C扫描检测，采用界面信号检测和底波监控相结合的方式进行缺陷类型的识别和结合质量评价，避免了采用单一方法检测无法识别缺陷类型可能带来的误判问题。从而有效的实现对碳化硅纤维增强钛基复合材料制件界面结合质量控制。本发明采用水浸聚焦超声C扫描检测技术进行检测，有效提高检测灵敏度，并实现了检测结果的自动成像，避免了传统的手动接触式检测影响因素多、检测精度不高、结果显示不直观等问题。

Description

一种纤维增强钛基复材界面结合质量的超声检测方法
技术领域
本发明涉及一种用于碳化硅纤维增强钛基复合材料制件的超声检测方法，属于无损检测技术领域。
背景技术
高推重比是未来航空发动机性能的重要指标，在提高发动机可靠性和维护性的同时，减轻发动机结构重量，提高发动机的结构效率和燃气温度是提高推重比的重要途径。纤维增强金属基复合材料由于具有强度高、使用温度高及抗疲劳和蠕变性能好的优点，受到各国航空发动机研究机构的广泛重视。国外已经开展研制纤维增强钛基复合材料整体叶环，该结构在减重、承受周向载荷等方面具有明显的优势，与常规轮盘+叶片结构相比，整体叶环能减轻70％的重量，必将成为未来先进发动机的发展方向。
纤维增强钛基复合材料制件(整体叶环、轴等)是将涂覆有金属涂层的纤维丝作为增强体，缠绕至钛合金内环锻件后、经热等静压将内外环复合为一体制成。由于纤维与金属之间强烈的界面反应等，可能导致制件中纤维/金属界面处出现不同类型的缺陷，如纤维屈曲、开裂、空洞等。结合界面处缺陷对性能影响较大，且不同类型的缺陷对制件性能影响有很大的不同。目前，采用传统超声波检测技术进行钛合金锻件内部缺陷的检测已经较为成熟，但对于纤维增强钛基复合材料整体制件中各个结合界面的检测，采用传统单一的超声波检测手段则难以适用。截至目前，行之有效的针对纤维增强钛基复合材料制件界面结合质量的无损检测方法尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种识别碳化硅纤维增强钛基复合材料制件界面处缺陷类型和结合质量的超声检测方法，实现对制件中钛合金/纤维界面结合质量的全面控制，具有可操作性强、检测灵敏度高、检测结果直观等优点。
本发明的技术方案如下：采用一个包括超声波探伤仪、水浸聚焦探头、被检制件、水槽、自动扫描器以及计算机的脉冲回波式水浸聚焦超声C扫描检测系统，对碳化硅纤维增强钛基复合材料制件的金属/纤维结合质量开展超声检测，包括以下内容：
使用频率为5～10MHz的水浸聚焦探头，调整探头水程距离使焦点落于被检界面所在深度，水程距离参照下式计算：
式中：
P——检测时的水距，单位为毫米(mm)；
F——探头在水中的焦距，单位为毫米(mm)；
c材——材料的纵波声速，单位为米每秒(m/s)；
c水——水中的纵波声速，单位为米每秒(m/s)；
δ——被检界面所在深度，单位为毫米(mm)；
采用水浸聚焦垂直入射C扫描自动成像方式进行检测，使用平底孔埋深与被检界面所在深度相同的钛合金对比试块调整检测灵敏度，调整闸门位置使界面信号位于仪器门内进行界面扫查，形成界面C扫图，随后将被检测面的底波反射信号调整至基准波高作为检测灵敏度，调整闸门位置使底波信号位于仪器门内进行底波监控扫查，形成底波C扫图，沿声束方向将试样切开，使用体式显微镜或目视观察金属/纤维界面，观察界面缺陷与界面C扫图和底波C扫图特征，建立缺陷特征与上述两个C扫图特征的关系，将界面C扫图上无缺陷位置的界面反射定义为正常界面反射，底面C扫图上无缺陷位置的底面反射定义为正常底面反射，采用如下方式进行金属/纤维界面缺陷类型的判断：当某位置的界面反射高于正常界面反射，且该位置的底波低于正常底面反射，判断为该处存在空隙类缺陷，某位置的界面反射高于正常界面反射，且该位置的底波不低于正常底面反射，判断该处不存在缺陷，当某位置的界面反射不高于正常界面反射，且该位置的底波低于正常底面反射，判断该处存在纤维屈曲类缺陷，当某位置的界面反射不高于正常界面反射，且该位置的底波未低于正常底面反射，判别该处不存在缺陷。
在进行后续样品的超声检测时，若待测样品与在先检测样品相同，则无需将试样切开，使用体式显微镜或目视观察金属/纤维界面，直接判断缺陷类型。
本发明具有如下有益效果：
1)针对碳化硅纤维增强钛基复合材料制件的工艺特殊性及不同缺陷类型对性能影响差异较大的情况，本发明针对钛合金与碳化硅纤维丝之间的金属/纤维界面进行水浸聚焦超声C扫描检测，采用界面信号检测和底波监控相结合的方式进行缺陷类型的识别和结合质量评价，避免了采用单一方法检测无法识别缺陷类型可能带来的误判问题。从而有效的实现对碳化硅纤维增强钛基复合材料制件界面结合质量控制。
2)本发明采用水浸聚焦超声C扫描检测技术进行检测，有效提高检测灵敏度，并实现了检测结果的自动成像，避免了传统的手动接触式检测影响因素多、检测精度不高、结果显示不直观等问题。
3)在综合考虑穿透能力及检测灵敏度的前提下，选用5～10MHz水浸聚焦探头进行检测；通过调整水程距离使探头焦点落于界面所在深度，从而显著提高界面检测的灵敏度和信噪比。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是一种脉冲回波式水浸聚焦超声C扫描检测系统示意图。
图2是一种碳化硅纤维增强钛基复合材料整体叶环结构示意图。
图中：1.超声波探伤仪，2.水浸聚焦探头，3.被检制件，4.水槽，5.自动扫描器，6.计算机，7.金属/纤维界面，8.纤维丝，9钛合金
具体实施方式
本发明实施例针对附图2所示的外径为Φ432mm的碳化硅纤维增强钛基复合材料TC17整体叶环进行超声检测，所采用的检测系统为脉冲回波式水浸聚焦超声C扫描检测系统，包括超声波探伤仪1、水浸聚焦探头2、被检制件3、水槽4、自动扫描器5以及计算机6，参见附图1。
针对碳化硅纤维增强钛基复合材料制件金属/纤维界面开展超声检测，包括以下内容：
使用频率为10MHz的水浸聚焦探头，调整探头水程距离使焦点落于被检界面所在深度，水程距离参照下式计算：
式中：
P——检测时的水距，单位为毫米(mm)；
F——探头在水中的焦距，单位为毫米(mm)；
c材——材料的纵波声速，单位为米每秒(m/s)；
c水——水中的纵波声速，单位为米每秒(m/s)；
δ——被检界面所在深度，单位为毫米(mm)；
采用水浸聚焦垂直入射C扫描自动成像方式进行检测，使用平底孔埋深与被检界面所在深度相同的Ti6Al4V-Φ0.8mm钛合金对比试块调整检测灵敏度，调整闸门位置使界面信号位于仪器门内进行界面扫查，形成界面C扫图，随后将被检测面的底波反射信号调整至调整至荧光屏满刻度的80％作为检测灵敏度，调整闸门位置使底波信号位于仪器门内进行底波监控扫查，形成底波C扫图，沿声束方向将试样切开，使用体式显微镜或目视观察金属/纤维界面，结合界面C扫图和底波C扫图上的信号，观察界面缺陷特征与两个C扫图上的信号特征，建立缺陷特征与信号特征的关系，采用如下方式进行金属/纤维界面缺陷类型的判断：当某位置的界面C扫图上的信号高于正常界面反射信号，且该位置底波C扫图上的信号降低，判断为该处存在空隙类缺陷、当某位置界面C扫图上的信号高于正常界面反射信号，且底波C扫图上的信号未见降低，判断该处不存在缺陷、当某位置界面C扫图上的信号未升高，且底波C扫图上的信号降低，判断该处存在纤维屈曲类缺陷、当某位置界面C扫图上的信号未升高，且底波C扫图上的信号未降低，判别该处不存在缺陷，如后续样品的制造工艺与该样品相同，则无需切开试样，直接采用上述方式判断缺陷类型。
本发明所述的方法可在碳化硅纤维增强钛基复合材料制件中金属/纤维界面结合质量进行检测，超声检测灵敏度可高于Φ0.8mm平底孔当量。本发明将为纤维增强钛基复合材料制件界面结合质量的无损检测提供有效的方法，从而达到对整体制件进行有效质量控制的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的申请范围；凡其它未脱离本发明所揭示的实质下所完成的等效改变或修饰，均应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种纤维增强钛基复材界面结合质量的超声检测方法，其特征在于:采用一个包括超声波探伤仪(1)、水浸聚焦探头(2)、被检制件(3)、水槽(4)、自动扫描器(5)以及计算机(6)的脉冲回波式水浸聚焦超声C扫描检测系统，对碳化硅纤维增强钛基复合材料制件的金属/纤维结合质量开展超声检测，包括以下内容：
使用频率为5～10MHz的水浸聚焦探头(2)，调整探头水程距离使焦点落于被检界面所在深度，水程距离参照下式计算：
式中：
P——检测时的水距，单位为毫米(mm)；
F——探头在水中的焦距，单位为毫米(mm)；
c材——材料的纵波声速，单位为米每秒(m/s)；
c水——水中的纵波声速，单位为米每秒(m/s)；
δ——被检界面所在深度，单位为毫米(mm)；
采用水浸聚焦垂直入射C扫描自动成像方式进行检测，使用平底孔埋深与被检界面(10)所在深度相同的钛合金对比试块调整检测灵敏度，调整闸门位置使界面(10)信号位于仪器门内进行界面扫查，形成界面C扫图，随后将被检测面的底波反射信号调整至基准波高作为检测灵敏度，调整闸门位置使底波信号位于仪器门内进行底波监控扫查，形成底波C扫图，沿声束方向将试样切开，使用体式显微镜或目视观察金属/纤维界面，观察界面缺陷与界面C扫图和底波C扫图特征，建立缺陷特征与上述两个C扫图特征的关系，将界面C扫图上无缺陷位置的界面反射定义为正常界面反射，底面C扫图上无缺陷位置的底面反射定义为正常底面反射，采用如下方式进行金属/纤维界面缺陷类型的判断：当某位置的界面反射高于正常界面反射，且该位置的底波低于正常底面反射，判断为该处存在空隙类缺陷，某位置的界面反射高于正常界面反射，且该位置的底波不低于正常底面反射，判断该处不存在缺陷，当某位置的界面反射不高于正常界面反射，且该位置的底波低于正常底面反射，判断该处存在纤维屈曲类缺陷，当某位置的界面反射不高于正常界面反射，且该位置的底波未低于正常底面反射，判别该处不存在缺陷。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强钛基复材界面结合质量的超声检测方法，其特征在于，在进行后续样品的超声检测时，若待测样品与在先检测样品相同，则无需将试样切开，使用体式显微镜或目视观察金属/纤维界面，直接判断缺陷类型。
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