材料丨621所&中南大：航空发动机用复合材料的典型缺陷及典型件无损检测技术应用

摘要

本文讨论了无损检测技术在监控发动机用树脂基复合材料内部质量中的应用。介绍了复合材料常见缺陷及其成因，并概述了超声检测、X射线检测等常用技术的特点和应用情况。国外在发动机复合材料制件上已广泛应用这些技术，未来发展方向包括检测技术的自动化、数字化、智能化及数据分析评价方法的深度应用。无损检测技术与过程控制结合、结合人工智能和数据分析方法，将提升复合材料性能和可靠性。

正文

先进的航空发动机需要先进材料来驱动，以满足其性能、推重比和燃油效率的要求。传统的金属材料在航空发动机研制中扮演了重要角色，而复合材料的出现又为发动机性能和减重提供了进一步的发展空间。树脂基复合材料因具有质轻高强、结构可设计性好、抗疲劳性能好、阻尼减振性能优异、易于一体化整体成型[1-2]的优点，已成为飞机发动机冷端部件理想的结构材料[3]，在发动机结构优化、经济性、环保性等方面都有显著成效[4]。

但是，树脂基复合材料在成型过程中涉及树脂流动、气泡迁移等多种复杂变化，且成型后没有后续工艺对材料组织分布和内部缺陷情况进行改善，因此，难免出现分层、空洞、脱粘等缺陷。并且，发动机在恶劣的环境中工作极有可能引起原始缺陷的扩展，从而造成构件失效等更加严重的灾难性后果。因此，有必要对发动机用树脂基复合材料构件进行全面、可靠的无损检测，以保证产品质量。

航空发动机用树脂基复合材料制件有风扇机匣、风扇叶片、发动机短舱、进气道消声衬板等[5]，涵盖大尺寸变曲率层板/板芯结构、小型双曲率变厚度扭转结构、多形态R角等复杂结构形式，在一定程度上增加了结构全尺寸、高可靠性检测的难度。

1 树脂基复合材料主要缺陷

树脂基复合材料是一种非均匀、多界面结构，其内部缺陷特征和无损评估方法与金属材料有较大差异。在树脂基复合材料的制造及使用过程中，易形成孔隙、孔洞、分层、脱粘、夹杂、疏松、基体开裂、贫胶、富胶、纤维含量不正确、裂纹、纤维屈曲与错位等缺陷。表1列举部分树脂基复合材料内部缺陷种类、成因及特征。

表1 树脂基复合材料内部缺陷成因及特征[6]

Table 1 Causes and characteristics of internal defects in composite[6]

复合材料内部缺陷的存在可造成材料局部应力集中以及强度、刚度等力学性能下降等现象。当缺陷达到一定严重程度时，甚至引起结构失效。因此，用于复合材料制造和服役阶段缺陷评估的无损检测技术对于保障构件使用可靠性具有重要意义。

分层、夹杂、脱粘等面积型缺陷通常采用缺陷面积或当量作为评价指标，孔隙、疏松等弥散性缺陷宜采用缺陷严重程度和缺陷面积的结合数据来作为缺陷验收与否的评价指标。

2 树脂基复合材料无损检测技术

由表1可知，树脂基复合材料内部缺陷种类和形态十分繁杂，并且该材料制件本身的结构组成也具有复杂的多样性，仅采用一种无损检测技术往往不能满足复合材料制件不同结构、不同阶段对缺陷检测的可靠性需求。因此，用于复合材料缺陷检测的无损检测方法也十分丰富，如超声、X射线、红外热像、激光散斑、敲击等多种检测技术，且各种检测方法分别在不同类型的缺陷检测中具有优势。表2给出了不同检测方法对复合材料中典型缺陷的检测能力对比。

表2 各种检测技术对复合材料典型缺陷检测能力的对比

Table 2 Comparison of detection capabilities of various detection technologies for typical defects of composite material

Note: H—high applicability; M—some applicability; L—low applicability; N—no applicability

2.1 超声检测技术

超声检测技术是复合材料检测使用最多的无损检测方法，它是基于声波在材料内部传播过程中遇异质界面产生反射、折射及散射现象来识别缺陷。该方法适用范围较广，可用于层板、板芯等结构中分层、脱粘、夹杂、孔隙等缺陷检测。按检测结果显示方式可分为：A扫描，利用波形反映缺陷深度和衰减信息，不能直观记录缺陷位置和尺寸（图2a）；B扫描，反映缺陷深度及某一纵截面形态，不能显示缺陷尺寸，且不能记录缺陷位置（图2b）；C扫描，反映缺陷衰减、位置和尺寸，是使用最广泛的一种显示方式（图2c）；D扫描，以采集缺陷深度信息形成的整件被检件的地图图像，可反映缺陷的深度、位置及尺寸，但不能体现缺陷衰减程度（图2d）。

图2 超声检测常见的显示方式

Fig.2 Common display modes of ultrasonic testing

除了上述最常用的传统超声检测技术外，还有一些基于声波传播原理的检测技术可用于复合材料检测：

1）超声相控阵技术。利用其声束偏转和阵列扫查，提高检测效率和复杂结构检测可达性，在复合材料检测中的应用日趋成熟。

2）空气耦合超声技术。采用可在空气中传播的低频声波实现非接触检测，对高衰减材料有较高穿透能力。

3）激光超声技术。利用激光脉冲激发超声波进行检测，具有非接触和可远程检测的特点，但由于该技术需要更高的成本，尚未普遍应用于工业领域。

4）声发射技术。通过接收和分析缺陷变化产生的应力波来实时监控正在扩展的缺陷，但缺陷停止演变后，检测信号无法再现，并且缺陷应力波信号的识别，需要借助复杂的信号处理技术，增加了声发射技术的应用难度。

5）声振法是激励被检件产生机械振动，通过测量被检件振动的特征来判断被检件胶接质量。

2.2 X射线检测技术

X射线检测技术是采用射线源透照物体，利用穿过被检件射线能量强弱来判断材料内部缺陷。该方法对分层、脱粘类缺陷不敏感，但对发泡胶空洞、夹杂、芯格断裂、节点脱开、芯格压缩等缺陷具有较好的检测效果。

近年来，计算机射线成像技术（CR）、数字化射线成像技术（DR）、计算机层析成像检测（CT）等数字射线技术发展迅速，使复合材料X射线检测技术实现了检测结果实时显示与数字化存储，大幅提升了复合材料微观结构精密测量和表征能力。并且，随着自动化检测水平的提高（图3），借助自动操纵装置，实现零件摆放、射线源位置等的自动布局和移动，可以提高检测效率和精度。

图3 X射线机械化检测

Fig.3 X-ray automatic detection

2.3 其他检测技术

超声和X射线检测技术是复合材料生产制造阶段常用的无损检测技术，除此之外，还有一些检测技术也在复合材料缺陷检测中获得广泛应用。例如，红外热像检测技术、激光散斑检测技术以及敲击检测技术等。上述3种检测技术均可检出分层、脱粘、夹杂等缺陷，具有检测效果好的特点，但也都受到检测深度的限制，适用于埋深较小的缺陷检测。

3 国外发动机用树脂基复合材料制件无损检测技术

早在20世纪50年代，国外就开始树脂基复合材料制件应用于航空发动机的研究[7]，目前已取得较为成熟的成果，重要的代表性零件有风扇机匣、风扇叶片、发动机短舱等。保障该类制件内部质量的无损检测技术也随之快速发展。发动机复合材料制件以层板结构和蜂窝夹层结构为主，具有双曲率、多拐角、变厚度等结构特点，并采用多种制作工艺和材料体系，给无损检测可达性、完整性、准确性及一致性带来较大挑战。了解国外先进航空发动机复合材料制件无损检测技术发展现状，对提高我国同类制件无损检测技术水平、保障发动机复合材料制件质量可靠性，具有重要意义。

3.1 风扇机匣

采用多轴喷水式自动超声检测系统实现对变结构、变厚度的风扇机闸的三维C扫检测[8]，一次扫查零件所有部位。同时，在复合层合材料中嵌入特氟龙材料模拟缺陷，利用先进的信号处理工具，以较高信噪比识别出复杂结构部位的预制缺陷，如图4所示[8]。

图4 多轴喷射式超声检测平台及机闸C扫描成像[8]

Fig.4 Multi axis jet ultrasonic testing platform and C-scan imaging [8]

3.2 风扇叶片

罗罗公司“超级风扇”发动机风扇叶片采用水浸式超声穿透法进行成像检测，检测利用自校准和自评价系统，以超过200 mm/s高速对复杂双曲率型面叶片和金属包边进行高分辨率测量[9-10]，多轴超声水浸平台及“超级风扇”的高分辨率测量如图5。

图5 多轴超声水浸平台及“超级风扇”高分辨率测量示意图[9]

Fig.5 Multiaxial ultrasonic water immersion platform and schematic diagram of "super fan" with high resolution measurement [9]

DantecDynaminc公司利用激光散斑技术，同时结合六自由度的机械臂（图6）[11]，对复合材料叶片进行成像检测，根据相位图上的蝶形图案检测树脂基复合叶片的冲击损伤。

图6 复合材料叶片自动激光散斑检测[11]

Fig.6 Automatic laser speckle detection of composite blade[11]

3.3 短舱

航空发动机复合材料短舱通常采用蜂窝夹层结构制作，且尺寸较大，检测耗时较长。SAFRAN公司利用红外检测技术检测效率高的优势，结合Kuka机器人自动控制技术[12]（图7），将红外自动检测技术应用于LEAP-1A和Trebt7000发动机短舱复合材料的测量，检测时间减少一半。

图7 发动机短舱红外无损检测平台[12]

Fig.7 Infrared NDT platform for engine nacelle [12]

3.4 微观缺陷检测

NSI北极星公司对树脂基编织复合材料进行CT检测，用于识别复合材料中脱毛、屈曲、材料、纤维取向以及均匀性等问题。CT检测结果如图8所示。

图8 树脂基编织复合材料CT检测结果

Fig.8 CT inspection result of resin matrix braided composite[

Suragus研制涡流自动检测系统，用于纤维编织、预制材料和复合材料检测，可以分析多层结构碳纤维内的纹理缺陷，如失真、错位、褶皱、重叠以及间隙等缺陷。检测系统及缺陷检测结果如图9所示。

图9 涡流检测系统及检测结果举例

Fig.9 Eddy current testing system and examples of testing results

Suragus公司则基于高频涡流检测，制作了用于纤维的面积纤维密度和均匀性评估原型机，如图10 所示[13]。

图1 树脂基复合材料中部分缺陷形态

Fig.1 Partial defect form in resin matrix composite

图10 涡流密度检测平台及材料均匀性和密度图[13]

Fig.10 Eddy current density testing platform and material testing results of uniformity and density diagram [13]

3.5 其他

德国航天轻量化生产技术中心DLR提出用于加工大型CFRP飞机构件过程质量控制平台（图11），用于装配质量保证、纤维铺带质量控制等[14-15]。

图11 大型CFRP飞机构件过程控制平台[14]

Fig.11 Process control platform for large CFRP aircraft components [14]

罗罗公司建设世界上最大的X射线检测平台（图12），用于观察发动机运行时，2万多个部件在不同条件下的极端表现。

图12 大型X射线在线监测平台

4 展望

无损检测技术的发展，有助于进一步推动复合材料的应用，提升发动机性能和降低发动机制造和维护成本。在今后的复合材料无损检测技术发展中，自动化和机械化的检测平台将逐渐取代传统的手动检测，数字化检测技术将进一步在复杂型面结构检测中发挥优势。

除了检测技术的革新，无损检测和过程控制的结合以及人工智能和不同数据分析评价方法的引入，将推动着树脂基复合材料的性能和可靠性向高标准高要求发展，以保证服役安全。同时，航空发动机树脂基复合材料重要部件与实时传感器的融合，进一步保证了发动机的服役安全。