Введение

Разработка воздушного винта с лопастью из полимерных композиционных материалов (ПКМ), содержащей внутри пенопластовый заполнитель, выдвигает на одно из первых мест неразрушающий контроль (НК) таких изделий, от качества которых зависит безопасность полетов на летательных аппаратах [1–3].

В настоящее время существует проблема обнаружения дефектов типа трещин и пустот в пенопластовом заполнителе и мест отслаивания его от лонжерона и оболочки из ПКМ, а также определения качества соединения нагревательной накладки с углепластиковой лопастью воздушного винта.

Цель данной работы – отработка технологии НК заполнителя и неразъемных соединений элементов лопастей воздушного винта из углепластика как одного из путей повышения надежности авиационной техники. Основное направление исследований – выбор эффективных методов и средств НК для определения качества пенопластового элемента лопасти воздушного винта и качества соединения нагревательной накладки с углепластиковой лопастью воздушного винта, а также выбор информативных параметров НК, обеспечивающих выявление дефектов в пенопластовых заполнителях и в местах соединения нагревательной накладки с углепластиковой лопастью [4–9].

При решении задачи выбора эффективного метода НК проводился сравнительный анализ таких эксплуатационных характеристик различных методов НК, как чувствительность (наименьший размер выявляемых дефектов), удобство и производительность контроля [10–15].

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 2.3. «Методы неразрушающих исследований и контроля» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Материалы и методы

Объектами контроля являются лопасти воздушного винта, содержащие лонжерон из углепластика, оболочку также из углепластика и пенопластовый заполнитель, расположенный внутри лонжерона и оболочки. На рис. 1 схематично показаны различные сечения лопасти воздушного винта, контроль качества которой необходим как в условиях производства, так и в условиях эксплуатации авиационной техники.

Рис. 1. Эскизы сечений лопасти воздушного винта из ПКМ в «комлевой» (а) и «хвостовой» (б) частях лопасти (жирными линиями показаны места расположения искусственных дефектов в образцах)

Композитные лопасти воздушного винта оснащаются противообледенительными нагревательными накладками, которые приклеивают к телу лопасти. На рис. 2 схематично показано расположение этих накладок.

Рис. 2. Эскиз места расположения противообледенительной нагревательной накладки на
теле лопасти воздушного винта (жирной линией показано место расположения искусственного дефекта в образце)

При изготовлении образцов лопасти – для проведения исследований с целью изыскания наиболее эффективных методов выявления дефектов пенопластового заполнителя лопасти (трещины и пустоты во внутреннем пенопластовом заполнителе) и места соединения нагревательной накладки с лопастью – в образцы закладывали искусственные дефекты, имитирующие нарушения сплошности пенопласта и отслаивание его от лонжерона и оболочки, а также непроклеи в зоне соединения нагревательной накладки с углепластиковым лонжероном. Такие дефекты значительно ухудшают качество лопасти воздушного винта и представляют собой дефекты, которые могут возникнуть в процессе производства или эксплуатации воздушных винтов.

В табл. 1 приведен перечень искусственных дефектов в образцах 1 и 2 (рис. 1) с указанием толщины углепластика, под которым расположен каждый из перечисленных дефектов, и глубины залегания данного дефекта. В табл. 2 приведен перечень искусственных дефектов в образце 3 (рис. 2), расположенных с вогнутой стороны лопасти между телом лопасти и нагревательной накладкой.

Таблица 1

Искусственные дефекты, имитирующие нарушения сплошности в пенопласте

в виде трещин в пенопластовом заполнителе и отслоений его от лонжерона и оболочки

из углепластика, заложенные в образцах 1 и 2

Таблица 2

Искусственные дефекты, имитирующие непроклеи между нагревательной накладкой

и телом лопасти, заложенные в образце 3

Для НК изделий из ПКМ большой толщины с целью выявления нарушений сплошности материала, инородных включений и других дефектов применяются акустические методы отражения [4, 10, 14]. Дефекты в многослойных конструкциях чаще всего обнаруживают эхо-методом. В тех случаях, когда этот метод не эффективен, может применяться акустический реверберационный метод и, в частности, спектральный вариант этого метода.

Спектральный вариант реверберационного метода основан на исследовании формы огибающей составляющих амплитудного спектра колебаний эхо-импульсов в зависимости от качества многослойных соединений. Рассмотрим изменение спектральной плотности импульса при его распространении в объекте контроля (ОК) под влиянием частотной зависимости затухания [16].

Спектральная плотность эхосигнала S(jδ) в общем виде определяется выражением

                           (1)

где S₀(jβ) – спектральная плотность электрического импульса возбуждения; K₁(jβ) – коэффициент передачи нагруженного преобразователя; K₂(jβ) – коэффициент передачи акустического тракта; , где f – частота; f₀ – частота основной гармоники;j=√-1 .

Преобразователь формирует импульс, который при отражении от передней поверхности образца близок к колокольной форме, поэтому, допуская, что  получим

                                          (2)

где а – постоянная, зависящая от добротности преобразователя.

Коэффициент передачи акустического тракта для случая плоской волны равен

K₂(jβ) = Ke^-2δ(β)r,                                                         (3)

где K – коэффициент пропорционального ослабления составляющих спектра; δ(β) – частотная зависимость коэффициента затухания; r – толщина ОК (пластины, слоя).

Подставляя последнее выражение в уравнение (2) получим

                                                 (4)

где  – величина затухания; δ₁(f₀) – коэффициент затухания на основной частоте; c – скорость ультразвуковых колебаний (УЗК) в материале;  f₁ – резонансная частота ОК (пластины, слоя) по толщине.

Рассмотрим спектры отдельных импульсов, отраженных от поверхности и прошедших через ОК в прямом и обратном направлениях. Они будут определяться выражениями [17]:  – амплитудный спектр импульса от передней поверхности;  – амплитудный спектр 1-го импульса от задней поверхности;  – амплитудный спектр 2-го импульса от задней поверхности и, наконец,  – амплитудный спектр n-го импульса. В данном случае K₀ – коэффициент отражения на границах раздела (для простоты он принят одинаковым на обеих границах).

Анализируя спектры многократных эхо-импульсов, можно определить частотную зависимость коэффициента затухания δ(β) и, следовательно, характер нарушения клеевого соединения.

Специальные низкочастотные акустические методы [18–20] чаще всего реализуются с использованием сухого точечного контакта (СТК) [21–23] преобразователя с ОК. При контроле этими методами в ОК возбуждаются антисимметричные нормальные волны нулевого порядка (в частном случае – изгибные) [24–26]. Такие волны могут существовать только в слоях, протяженность которых в направлении распространения волн в несколько раз превышает толщину слоев. Использование СТК преобразователя с ОК позволяет исключить применение контактной жидкости для создания акустической связи между преобразователем дефектоскопа и ОК. Для СТК характерен также особый вид помех – фрикционные шумы [27], связанные с перемещением преобразователя по шероховатой поверхности ОК.

С учетом опыта работ по НК композитных конструкций наиболее перспективным методом для опробования являлся акустический метод свободных колебаний [28–33].

Рассмотрим более подробно теоретические основы акустического метода свободных колебаний. Спектр  электрического сигнала на выходе преобразователя дефектоскопа, работающего по методу свободных колебаний, определяется:

– спектром входного воздействия  однозначно связанным с формой и длительностью возбуждающих ОК импульсов;

– параметрами контролируемой конструкции, особенно ее участка в зоне расположения преобразователя. Влияние ОК на преобразование спектра представим коэффициентом передачи  зависящим от параметров данной конструкции, наличия и характеристик имеющихся в ней дефектов;

– коэффициентом передачи  приемного преобразователя, к которому отнесем также участок акустического тракта, связывающий собственно преобразователь с контролируемой конструкцией, и входную электрическую цепь усилителя. При использовании микрофонного приемника таким участком является воздушный промежуток между микрофоном и ОК, в случае пьезоэлектрического приемника – гибкость зоны его контакта с ОК.

Таким образом,

                                              (5)

где j=√-1; ω – круговая частота; точки над символами означают, что данные функции являются комплексными.

В общем случае функции, стоящие в правой части выражения (5), не являются независимыми в том смысле, что изменение параметров контролируемой конструкции влияет на каждую из них, хотя и различным образом. Основной интерес представляет преобразование спектра контролируемой конструкцией. В общем случае вид зависимости Y_н(ω) для доброкачественных и дефектных зон различен, поэтому дефект изменяет спектр сигнала на выходе приемного преобразователя.

Дефект в виде зон отслаивания внутреннего пенопластового элемента от лонжерона и оболочки из ПКМ или нарушения соединения между слоями лонжерона или оболочки можно рассматривать как закрепленную по контуру пластину. В случае неглубоко расположенных крупных дефектов слои ПКМ могут рассматриваться как зажатые по контуру пластины.

Основная частота зажатой по контуру пластины диаметром D и толщиной h определяется выражением [34–38]

                                                     (6)

где Е, ρ и µ – модуль упругости, плотность и коэффициент Пуассона материала пластины соответственно.

При реальных условиях закрепления контура отделенного дефектом слоя величина f₀ с ростом h и E и уменьшением D и ρ увеличивается.

В случае расположения дефекта (трещины) внутри пенопластового элемента на некотором расстоянии от лонжерона и оболочки аналитическое решение задачи о собственных колебаниях отделенной дефектом части конструкции затруднительно ввиду разнообразия условий закрепления этой части конструкции. Поэтому задачу выявления трещин в пенопластовых деталях композитной лопасти решали экспериментальным путем на образцах с искусственными дефектами.

Результаты

В данной работе наиболее тщательно исследована возможность применения ультразвукового эхо-импульсного метода (дефектоскопы EPOCH 1000 Olympus, УД2-12 и УДЛ-2М) и двух низкочастотных акустических методов: метода свободных колебаний (дефектоскопы АД-50У, АД-60С, АД-64М и ЧИКП-4УС) и импедансного метода (дефектоскопы АД-42И, ДАМИ-С и ИД-403) – для выявления дефектов типа нарушения сплошности материала в пенопласте и под нагревательной накладкой.

Для выявления дефектов под нагревательной накладкой положительные результаты показали только эхо-импульсный метод (при лазерном возбуждении импульсов УЗК) и метод свободных колебаний. Сравнение эксплуатационных возможностей этих методов позволило сделать выбор в пользу метода свободных колебаний, реализуемого с помощью дефектоскопа типа АД-64М [22].

Для выявления дефектов в пенопласте эффективным признан только метод свободных колебаний. Применение других методов (эхо-импульсного и импедансного) для указанной цели не эффективно. В связи с этим рассмотрим более подробно возможности метода свободных колебаний при выявлении дефектов в лопасти воздушного винта.

В табл. 3 представлены результаты выявляемости дефектов в образцах при контроле методом свободных колебаний, реализуемым с помощью дефектоскопа АД-64М. Следует учитывать, что чем меньше размер выявляемого дефекта, тем выше чувствительность контроля.

В образце 3 при настройке дефектоскопа в бездефектных зонах приклейки нагревательной накладки к телу лопасти уверенно выявляются только дефекты В₃ и С₃ шириной соответственно 10 и 15 мм. Чувствительность в этом случае равна 10 (вдали от зоны скругления лопасти) и 15 мм (около зоны скругления лопасти).

Погрешности определения чувствительности контроля при выявлении дефектов определяются как настройкой дефектоскопа, так и формой ОК в различных его зонах. В табл. 3 представлены результаты определения чувствительности контроля при настройке дефектоскопа в зоне лонжерона, когда пенопласт контролируется со стороны толстого углепластика (толщиной от 8 до 12 мм), и в зоне оболочки, когда пенопласт контролируется со стороны тонкого углепластика (толщиной 2,5 мм). Точность выявления границ дефектов, определяющая погрешность экспериментов, в этом случае составляет ±1,5 мм.

Таблица 3

Выявляемость дефектов типа нарушения сплошности

пенопластового заполнителя в образцах 1 и 2

На рис. 3, а и б показаны спектры принятых сигналов при контроле пенопластового заполнителя со стороны лонжерона в бездефектной и дефектной зонах соответственно. На рис. 4, а и б показаны спектры принятых сигналов при контроле пенопластового заполнителя со стороны оболочки в бездефектной и дефектной зонах соответственно.

Рис. 3. Спектр принятого сигнала при контроле пенопластового заполнителя со стороны лонжерона в бездефектной зоне при  f₀=1,81 кГц (а) и в дефектной зоне при  f₀=5,06 кГц (б)

Признаком дефекта в данном случае является существенное изменение спектра: в первом случае (рис. 3) основная составляющая спектра f₀ (наибольшая по амплитуде) при контроле в бездефектной зоне располагалась на частоте 1,81 кГц, при контроле в зоне дефекта – на частоте 5,06 кГц, а во втором случае (рис. 4) при контроле в бездефектной зоне располагалась на частоте 2,75 кГц, при контроле в зоне дефекта –
на частоте 4,79 кГц.

Рис. 4. Спектр принятого сигнала при контроле пенопластового заполнителя со стороны оболочки в бездефектной зоне при  f₀=2,75 кГц (а) и в дефектной зоне при  f₀=4,79 кГц (б)

Чувствительность дефектоскопа при контроле пенопласта в зоне лонжерона составляет от 25 до 30 мм как с выпуклой, так и с вогнутой стороны лопасти.

На рис. 5, а и б показаны спектры принятого сигнала при контроле нагревательной накладки в бездефектной и дефектной зонах соответственно. Признаком дефекта в этом случае является также значительное изменение спектра: в первом случае (рис. 5, а) основная составляющая спектра f₀ при контроле в бездефектной зоне располагалась на частоте 1,65 кГц, при контроле в зоне дефекта (рис. 5, б) – на частоте 2,72 кГц.

Рис. 5. Спектр принятого сигнала при контроле нагревательной накладки в бездефектной зоне при  f₀=1,65 кГц (а) и в дефектной зоне при  f₀=2,72 кГц (б)

При контроле качества приклейки нагревательной накладки чувствительность дефектоскопа составляет от 10 до 15 мм в зависимости от места расположения (дальше от зоны скругления лопасти или ближе к ней).

Обсуждение и заключения

Важный момент при отработке методики контроля – выбор параметра НК. В процессе работы исследовано влияние дефектов типа нарушения сплошности пенопластового заполнителя композитной лопасти на спектральные характеристики упругих колебаний поверхности объекта контроля, возбуждаемых ударными импульсами при контроле. В зонах наличия трещин в пенопласте существенно изменяется спектр принятых колебаний, что служит признаком наличия дефекта.

Амплитуда, длительность и форма импульсов, возбуждаемых механическими вибраторами, существенно зависят от ОК. Уменьшение значений модуля упругости наружного слоя и механического импеданса изделия (например, вследствие уменьшения толщины изделия или наличия в нем дефекта) увеличивает длительность, уменьшает амплитуду и сужает спектр импульса. Поэтому изделия для контроля необходимо разметить с обеих сторон с помощью шаблонов на две зоны: на «зону лонжерона» (толщина углепластика – от 8 до 12 мм) и на «зону оболочки» (толщина углепластика – от 2 до 3 мм).

В процессе работы исследовано влияние дефектов в зонах соединения нагревательной накладки с композитной лопастью на спектральные характеристики упругих колебаний поверхности накладки, возбуждаемых при контроле. В зонах нарушения соединения нагревательной накладки с композитной лопастью существенно изменяется спектр принятых колебаний, что позволяет с высокой достоверностью выявлять непроклеи.