“碳纖維復合材料在外部受到?jīng)_擊時可能會產(chǎn)生一些內(nèi)部損傷，而這些內(nèi)部損傷往往又難以被肉眼察覺出來，所以材料開發(fā)人員必須確保這些難以發(fā)現(xiàn)的傷害不會損害到材料結(jié)構(gòu)的完整性，進而影響其整體性能”。來自英國高附加值制造業(yè)領(lǐng)域的無損檢測專家、布里斯托大學（University of Bristol）的Robert Smith教授說道。
從超聲波檢測、渦流檢測到磁粉檢測技術(shù)等，目前已經(jīng)有十多種無損檢測技術(shù)在航空航天領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。根據(jù)不同的材料、不同的檢測需求，人們可以選擇最合適的檢測技術(shù)。
“現(xiàn)在，工業(yè)檢測領(lǐng)域正朝著另一種趨勢發(fā)展，就是在不需要使用更為復雜的設(shè)備的前提下做到快速診斷問題”，來自英國航空航天技術(shù)研究所（ATI）的科技主管Mark Summers說道。
與此同時，布里斯托大學的工程師關(guān)心的問題之一就是能否以及如何加快對碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測過程。
Smith指出：航空航天工程師將把無損檢測技術(shù)與材料、缺陷類型相匹配——試圖最大程度地提高材料結(jié)構(gòu)的安全性，同時最大限度地降低檢測成本。
“工程師都渴望找到盡可能小的、真正意義上的所有缺陷，而并不需要找到那些不是缺陷的東西（錯誤的指示），花費時間和精力進行的檢測，最后找到的卻是錯誤的指示，這樣所帶來的成本代價是很高昂的。因此，你需要一種能夠準確區(qū)分缺陷和結(jié)構(gòu)框架或系統(tǒng)噪音的技術(shù)，以避免花費不必要的時間和成本”。
Stefan Sahlen是一位來自瑞典林雪平市Exova材料技術(shù)實驗室（為全國各地的操作人員進行培訓的無損檢測培訓中心）的無損檢測技術(shù)專家。據(jù)他所說，對飛機零部件進行現(xiàn)場測試的關(guān)鍵無損檢測技術(shù)是對鋁制機身進行的渦流檢測技術(shù)，此外，超聲波檢測和X射線檢測技術(shù)也是非常常用的。
“隨著越來越多的復合材料被用于航空航天領(lǐng)域，所采用的無損檢測技術(shù)也在不斷變化”，Sahlen說道：“在十年前，渦流檢測技術(shù)的使用率比現(xiàn)在要大得多”。但是，這種方法現(xiàn)在依然還被航空公司普遍使用，主要用來評估在役飛機的結(jié)構(gòu)完整性。例如，斯堪的納維亞航空公司（北歐航空公司）表示，其80％的檢查仍然使用渦流檢測技術(shù)進行。
渦流檢測技術(shù)的原理主要是將通電線圈放置在待檢測金屬樣品附近，金屬樣品內(nèi)會感應(yīng)出渦流。與不含缺陷的同類金屬制品相比，被檢制品中若存在缺陷或者結(jié)構(gòu)發(fā)生改變都會導致渦流變化。因為渦流的分布和大小，除與線圈的形狀和尺寸、電流的大小和頻率等有關(guān)外，還取決于試件的電導率、磁導率、形狀和尺寸、與線圈的距離以及表面有無裂紋缺陷等因素。因而，在保持其他因素相對不變的條件下，利用探測線圈測量渦流所引起的磁場變化，可推知試件中渦流的大小和相位變化，進而獲得有關(guān)電導率、缺陷、材質(zhì)狀況和其他物理量(如形狀、尺寸等)的變化或缺陷是否存在等信息。
渦流檢測通常能夠在幾秒鐘內(nèi)完成，這使得它易于整合到生產(chǎn)線中，并且此過程不需要用到耦合劑，檢測前也不需要對樣品進行預(yù)清洗工作。此外，由于渦流還受電導率影響，這種技術(shù)還可以用來檢測合金材料之間的差異性等。例如，如果鋁材料中含有裂紋，形成的渦流則不會發(fā)生流動，工程師就可以據(jù)此使用渦流檢測儀器來確定裂紋的位置。
對于復合材料而言，如果其中存在損傷，那么在材料中則會出現(xiàn)較大的分層，人們可以很容易的觀察到復合結(jié)構(gòu)受到的一些明顯沖擊（諸如鳥擊或冰雹等），但對于一些難以察覺的沖擊影響就不是那么容易被發(fā)現(xiàn)了。Sahlen解釋道：“你必須評估結(jié)構(gòu)深處受到損傷的程度，以及沖擊影響是否使得碳纖維從基體中分離出來，因為這些對于復合材料的整體性能具有很大的影響”。
超聲波檢測是利用材料及其缺陷的聲學性能差異對超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗材料內(nèi)部缺陷的無損檢測方法。超聲波脈沖反射法有縱波檢測和橫波檢測兩種。在超聲波儀器示波屏上，一般以橫坐標代表聲波的傳播時間，以縱坐標表示回波信號幅度。對于同一均勻介質(zhì)，脈沖波的傳播時間與聲波傳輸距離成正比。因此可由缺陷回波信號的出現(xiàn)判斷缺陷的存在；又可由回波信號出現(xiàn)的位置來確定缺陷距探測面的距離，實現(xiàn)缺陷定位；通過回波幅度來判斷缺陷的尺寸大小。
利用超聲波技術(shù)檢測復合材料具有穿透能力強、靈敏度高、操作簡單等優(yōu)點，使其能夠輕易檢測到較小的內(nèi)部損傷缺陷；而且由于具有較高的穿透能力，該技術(shù)還可以檢測到零部件內(nèi)更深處的缺陷信息。
磁粉檢測則僅用于對鐵磁材料進行檢測，磁粉檢測技術(shù)的原理簡單來說就是：利用合適的磁化力對待檢制件進行磁化，然后在制件表面待檢區(qū)域施加鐵磁粉（干粉或者懸浮液形式）。磁化后在那些材料不連續(xù)處的磁場將發(fā)生崎變，在部分磁通泄漏工件表面產(chǎn)生了漏磁場，從而吸引磁粉形成一種跡象指示——磁粉堆積（磁痕），在適當?shù)墓庹諚l件下，能夠有效顯現(xiàn)出缺陷的位置和形狀，然后根據(jù)材料驗收標準對這些缺陷的尺寸、形狀及其分布等因素進行分析對比。
磁粉檢測方法尤其適用于檢測材料的線狀缺陷，例如裂縫、含有非金屬的夾雜物、未焊透部分以及一些其他可能會導致磁漏現(xiàn)象的缺陷。該方法主要就是用來檢測鐵磁性材料表面或者近表面上的不連續(xù)處。由于磁場發(fā)出的磁通線是定向的，因此必須考慮到這些磁通線與不連續(xù)處的方向問題。一般來說，最大響應(yīng)通常發(fā)生在不連續(xù)處與磁通線方向呈90°。Sahlen說道：“通過采用對紫外線敏感的熒光粉，你可以很快看到金屬缺陷。這種方法和滲透檢測方法在生產(chǎn)環(huán)境中是應(yīng)用最為普遍的”。
事實上，航空航天企業(yè)的生產(chǎn)部門和設(shè)計部門都是無損檢測的重要用戶。得益于計算機的快速發(fā)展，“在過去的20年里，無損檢測已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化。無損檢測變得更加直觀，可以形成更多的圖像，包括二維和三維圖像，可以更為有效地為人們進行檢測。然而，傳統(tǒng)方法仍然占據(jù)著主導地位，因為新技術(shù)一般需要很長時間才能投入使用。” Smith說道。
英國航空航天技術(shù)研究所的Summers補充道：“無損檢測的市場在不斷擴大，但隨著高性能計算的發(fā)展，其復雜性也隨之不斷提高。不斷出現(xiàn)的無損檢測新技術(shù)將逐步融入到包括航空工業(yè)在內(nèi)的眾多領(lǐng)域中?！边@些技術(shù)最終將檢測結(jié)果有效的反饋到新飛機的設(shè)計、制造過程中。
Smith說道：“在生產(chǎn)制造過程，未來的無損檢測將涉及到工藝驗證程序；可以驗證你設(shè)計的制造過程是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的目標，并且判斷每一個制造部件的設(shè)計是否合理、一致。這一方面增加了設(shè)計的成功率，降低了風險，并有可能減輕飛機機身的重量，即意味著你可以用較輕的結(jié)構(gòu)達到相同的安全等級”。
令工程師們特別感興趣的還包括將傳感器嵌入到整個機身和其他能夠傳輸關(guān)于結(jié)構(gòu)完整性數(shù)據(jù)的飛機組件中（稱為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，即SHM）的潛力?！敖Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測已經(jīng)談了近30年了，盡管人們已經(jīng)進行了大量的研究工作，但是還沒有能夠在飛機上真正實現(xiàn)”，Smith指出。
“人們對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測有著極大的興趣，”Summers補充道?！耙詣谒谷R斯為例，碳纖維風機葉片如果被嵌入了傳感器，它就可以在使用時提供有關(guān)部件結(jié)構(gòu)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，因此你并不需要專門對它們進行檢測?！边@很可能會成為航空發(fā)動機數(shù)字化改革進程中的一部分，也將會是“第四次工業(yè)革命”的重要內(nèi)容。
但是現(xiàn)在的飛機只有少數(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器，Smith說道：“部分原因是，傳感器必須從一開始就被安裝到結(jié)構(gòu)中，這使得初始成本很高，而且現(xiàn)在還不清楚如何驗證這種系統(tǒng)的具體功能。此外，如果這些嵌入了傳感器的部件發(fā)生了故障而且必須做局部修復時，你可能會損失部分的監(jiān)測功能”。
Smith坦言：人們的潛意識里總是希望能夠盡量減少使用無損檢測技術(shù)，因為它往往是昂貴的。在零部件設(shè)計和生產(chǎn)過程中采用無損檢測技術(shù)是為了證明每一個制造的部件都是正確、合理，并且都符合最初設(shè)計的。如果飛機制造商可以證明這一點，那么在制造之后進行的質(zhì)量控制過程可能就不再是那么有必要了。但是，無損檢測技術(shù)必將持續(xù)發(fā)展下去，因為飛機等結(jié)構(gòu)的安全性離不開這些高效的無損檢測技術(shù)。
文章來源于：無損檢測公眾號
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