Введение

Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) с полимерными матрицами и углеродными и/или стеклянными наполнителями в узлах и конструктивных элементах самолетов, вертолетов, космических аппаратов и другой техники в настоящее время является одной из приоритетных задач во многих отраслях промышленности. Это объясняется тем, что данный класс материалов за счет своих свойств позволяет снизить массу различных конструкций и при этом обеспечить необходимые прочностные характеристики в заданных направлениях. Во всем мире учеными ведутся разработки новых ПКМ и технологических режимов и приемов изготовления из полимерных композитов узлов и конструктивных элементов [1–7]. Как известно, при разработке новых материалов и технологий проводится большое количество различных испытаний, чтобы определить прочностные, химические и другие характеристики, подтверждающие возможность их дальнейшего применения в той или иной конструкции.

В процессе эксплуатации изделий из ПКМ могут появляться дефекты типа ударных повреждений, которые опасны тем, что при их появлении на поверхности изделия визуально может наблюдаться лишь небольшая вмятина от удара, а внутри образовываться огромные расслоения и трещины (рис. 1). Ударные повреждения в изделиях из ПКМ могут появляться как в результате попадания посторонних твердых предметов, так и при воздействии других внешних факторов, например удара молнии.

Рис. 1. Вид образца из углепластика после ударного воздействия и металлография ударного повреждения внутри образца

Ударные повреждения под воздействием внешних механических нагрузок и влияния климатических факторов склонны к дальнейшему росту, что в определенный момент может стать причиной разрушения изделия. Поэтому при проведении физико-механических испытаний при разработке новых полимерных композитов немаловажным является определение прочности при сжатии после ударного воздействия. При проведении механических испытаний на сжатие после ударного воздействия в плоских плитах из ПКМ сначала получают ударные повреждения, а затем проводят испытание на сжатие. После ударного воздействия необходимо провести оценку геометрических размеров (площади, ширины и т. д.) получаемого в плите ударного повреждения, которые в дальнейшем могут использоваться для определения расчетной характеристики прочности, а также для понимания того, что получается уже непосредственно после испытаний на сжатие. Размеры ударного повреждения необходимо оценить без разрушения образца, для того чтобы в дальнейшем испытать его на сжатие.

Для обнаружения нарушений сплошности (дефектов) без разрушения материала применяют различные методы неразрушающего контроля. В настоящее время для неразрушающего контроля монолитных плит и изделий из ПКМ широко применяют акустические методы контроля [8–13]. Наиболее эффективным для решения этой задачи является ультразвуковой эхо-импульсный метод (эхо-метод), суть которого заключается в излучении и приеме отраженных ультразвуковых сигналов от неоднородностей внутри материала и донной поверхности объектов контроля. О наличии дефектов судят по величине амплитуды отраженных ультразвуковых сигналов. Широкое применение метод получил благодаря необходимости обеспечить доступ к объекту контроля только с одной стороны, хорошей чувствительности контроля (можно при благоприятных условиях обеспечить выявление дефектов площадью, эквивалентной площади плоскодонного отражателя диаметром 2 мм) и возможности определения глубины залегания дефектов. Помимо эхо-метода, для контроля монолитных полимерных композитов может использоваться ультразвуковой амплитудный метод прохождения (теневой метод), основанный на излучении и приеме прошедших через объект контроля ультразвуковых сигналов. В данном случае о наличии дефектов внутри материала объекта контроля судят по величине изменения амплитуды прошедшего через материал ультразвукового импульса. Теневой метод применяется в случае контроля тонких (1–2 мм) монолитных изделий, при проведении контроля которых не важна глубина залегания обнаруживаемых дефектов, а также в случаях, когда материал контролируемого изделия обладает достаточно высоким рассеянием (затуханием) ультразвука. Однако, в отличие от эхо-метода, для проведения контроля методом прохождения необходимо обеспечить двусторонний доступ к контролируемому изделию и поддерживать точную соосность излучающего и приемного преобразователей относительно друг друга. Еще одним методом, который может использоваться при проведении контроля монолитных образцов и конструкций из ПКМ, является низкочастотный метод, основанный на оценке изменения механического импеданса (импедансный метод). Основными преимуществами этого метода (как и теневого) являются возможность контроля материала с высоким рассеянием ультразвука в композите и отсутствие необходимости использовать контактную жидкость. К недостаткам можно отнести то, что метод позволяет эффективно выявлять несплошности исключительно до середины толщины материала объекта контроля.

Данная работа по оценке размеров ударных повреждений ультразвуковыми методами неразрушающего контроля 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») [14].

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

С целью проведения работ по исследованию и оценке размеров повреждений, полученных вследствие удара, различными ультразвуковыми методами неразрушающего контроля, способом формования в автоклаве из препрега углепластика получены плоские монолитные образцы размером 100×150 мм толщиной 5 мм. Ударные испытания осуществляли на специальной испытательной машине (копер).

Исследования ультразвуковыми методами осуществляли:

– ультразвуковым эхо-методом – ручным с применением одноэлементного несфокусированного пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) автоматизированным с применением сфокусированного ПЭП и ручным с применением линейной фазированной решетки;

– теневым методом – автоматизированным с применением сфокусированных ПЭП;

– импедансным методом  в ручном режиме.

Для проведения ультразвуковых исследований и оценки размеров повреждений использовалось следующее оборудование:

– для эхо-метода в ручном режиме с применением одноэлементных несфокусированных ПЭП – ультразвуковой дефектоскоп Epoch 1000, одноэлементный ПЭП с центральной частотой 5 МГц, призма из полистирола;

– для автоматизированного эхо-метода с применением одноэлементных сфокусированных ПЭП – автоматизированная установка ScanMaster LS-500LP, ультразвуковой сфокусированный ПЭП с фокусным расстоянием 1,5 дюйма и центральной частотой 5 МГц;

– для эхо-метода в ручном режиме с применением линейных фазированных решеток – ультразвуковой дефектоскоп OmniScan MX, 64-элементная линейная фазированная решетка с центральной частотой 5 МГц, призма из полистирола, двух-координатный сканер;

– для теневого автоматизированного метода с применением одноэлементных сфокусированных ПЭП – автоматизированная установка ScanMaster LS-500LP, два сфокусированных ПЭП с фокусным расстоянием 1,5 дюйма и центральной частотой 2,25 МГц, оправка для соосного позиционирования преобразователей;

– для импедансного метода – акустический импедансный дефектоскоп ДАМИ-С, а также совмещенный преобразователь ПАДИ8-C.

Результаты

Исследования эхо-методом с использованием автоматизированной установки и сфокусированных ПЭП проводили при полном погружении образцов в ванну с водой (иммерсионный контакт). Манипулятор с преобразователем перемещали по всей площади образца с сохранением результатов сканирования в виде C-сканов – цветных изображений результатов исследований на виде сверху, где определенному цвету изображения соответствует определенное значение величины амплитуды ультразвукового сигнала (С-скан образца 1 после ударного воздействия изображен на рис. 2, а). Оценку размеров ударного повреждения проводили по величине амплитуды ультразвукового эхо-сигнала, отраженного от донной поверхности.

Рис. 2. Дефектограммы образца 1 с ударным повреждением, полученные эхо-методом на
автоматизированной установке (а) и в ручном режиме (б), а также с применением линейной фазированной решетки (в); теневым методом на автоматизированной установке (г) и импедансным методом в ручном режиме (д)

При проведении сканирования образца эхо-методом, а также низкочастотным импедансным методом в ручном режиме перемещение преобразователя по плите и дальнейшая разметка условных границ дефектов маркером на поверхности образца при срабатывании автоматической сигнализации дефекта осуществлялись дефектоскопистом (рис. 2, б и д). Оценку размера площади осуществляли путем переноса дефектограммы на компьютер и проведения подсчета этого размера в графической программе.

Оценка размеров ультразвуковым эхо-методом с применением линейной фазированной решетки осуществлялась также вручную дефектоскопистом, но с применением механизированного сканера, позволяющего сохранять результаты контроля в виде C-скана (рис. 2, в). В процессе настройки дефектоскопа использовали фокусировку ультразвукового луча решетки в середину толщины образца. Оценку площади проводили с применением персонального компьютера и специализированного программного обеспечения TomoView LiteAnalisis.

При исследовании теневым методом для обеспечения соосности преобразователей применяли специальную оправку типа скобы, а для создания контакта между преобразователями и исследуемыми образцами с помощью специальных баблеров формировали струю воды диаметром 4,7 мм. В автоматическом режиме манипулятор с закрепленной на нем оправкой с преобразователями перемещался по всей площади образца с сохранением результатов сканирования в виде С-сканов (рис. 2, г).

Результаты подсчета условных размеров повреждений всеми используемыми ультразвуковыми методами приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты оценки размеров ударных повреждений в образцах

из углепластика различными ультразвуковыми методами

Анализируя результаты, представленные в табл. 1, можно отметить, что площадь ударных повреждений при применении разных методов контроля отличается в значительной степени, что, в свою очередь, объясняется как человеческим фактором, так и особенностями каждого из применяемых методов. В работе [15] показано, что наиболее точными (близкими к истинным размерам) являются результаты оценки площади ударного повреждения с использованием высокоразрешающего автоматизированного эхо-метода с применением сфокусированных ПЭП. В работе [15] проведена сравнительная оценка размеров ударного повреждения, полученных с помощью автоматизированного ультразвукового контроля с высоким разрешением и растровой электронной микроскопии (разрушающим методом).

В табл. 2 приведены результаты расчета относительной погрешности измерения размеров ударных повреждений относительно данных, полученных высокоразрешающим автоматизированным ультразвуковым эхо-методом с применением одноэлементных сфокусированных ПЭП.

Таблица 2

Результаты расчета относительной погрешности измерения размеров ударных

повреждений в сравнении с результатами автоматизированного эхо-импульсного метода

Как видно из данных табл. 2, наименьшую относительную погрешность оценки размеров ударных повреждений обеспечивает применение линейной фазированной решетки. Это можно объяснить тем, что при использовании линейной фазированной решетки применяется фокусировка ультразвукового пучка, аналогично фокусировке при использовании сфокусированных одноэлементных ПЭП. Единственным отличием от использования сфокусированного ПЭП в данном случае является то, что фокусировка при использовании линейной фазированной решетки осуществляется только в одной плоскости (плоскости расположения элементов решетки), в то время как в другой взаимно перпендикулярной плоскости ультразвуковой пучок расфокусирован. Это обстоятельство и дает увеличение размера ударного повреждения в плоскости, где луч не сфокусирован.

Чуть бόльшую погрешность оценки размеров повреждения дает применение ручного ультразвукового эхо-метода. Погрешность в данном случае в первую очередь определяется двумя факторами: применением несфокусированного ПЭП и человеческим фактором, который можно уменьшить путем использования механизированного сканера, как в случае с использованием линейной фазированной решетки.

Наибольшие погрешности оценки размеров ударных повреждений дают теневой и импедансный методы. При теневом методе на краях ударного повреждения снижение амплитуды прошедшего через образец сигнала не достигает уровня фиксации, а соответственно, эти участки не фиксируются на С-скане как дефектные. При импедансном методе бόльшая погрешность обуславливается особенностями метода, позволяющими эффективно обнаруживать дефекты только до середины толщины объекта контроля. Поскольку ударное повреждение распространилось практически на всю толщину образца, а максимальную площадь ударное повреждение имеет на максимальной глубине, в данном случае площадь, оцененная импедансным методом, оказалась существенно меньше истинной.

Обсуждение и заключения

Результаты ультразвуковых исследований монолитных образцов из углепластика с ударными повреждениями, полученные различными ультразвуковыми методами (эхо-импульсным методом с применением одноэлементных ПЭП, эхо-импульсным с применением линейной фазированной решетки, теневым и импедансным методами), показывают, что оцененные размеры повреждений могут быть существенно различны. Различие может быть связано как с человеческим фактором, так и с особенностями каждого из применяемых методов контроля. Наилучшие результаты по точности определения размеров ударных повреждений (наиболее близкие к истинным размерам) благодаря своей высокой разрешающей способности дает автоматизированный ультразвуковой эхо-импульсный метод с применением сфокусированных ПЭП. При применении линейных фазированных решеток с механизированным сканером также удается получить довольно точные результаты оценки площади ударного повреждения, а погрешность вызвана тем, что фокусировка ультразвукового пучка осуществляется только в одной плоскости, в то время как во второй взаимно перпендикулярной плоскости луч расфокусирован. Данную проблему можно устранить, если использовать фазированные решетки матричного типа. Применение ручного эхо-импульсного метода с одноэлементным несфокусированным ПЭП дает бόльшую площадь дефекта по причине широкого ультразвукового пучка и человеческого фактора, который можно уменьшить путем применения механизированного сканера. При теневом методе из-за огибания краев ударного повреждения ультразвуковыми волнами снижение амплитуды ультразвукового сигнала на краях не достигает уровня фиксации, что приводит к уменьшению оцененной площади относительно реальной. Импедансный метод эффективен лишь до середины толщины объекта контроля. Поэтому если повреждение по глубине прошло дальше середины объекта контроля, то импедансным методом дефектные участки, залегающие глубже середины объекта контроля, можно не обнаружить.

Следует отметить, что при использовании всех приведенных методов проводилась оценка не реальных размеров дефектов, а условных, т. е. полученных при определенных условиях, которые зависят от конкретной методики контроля: параметров применяемых ПЭП, уровня чувствительности контроля, схемы сканирования и т. п. Поэтому уменьшения погрешности оценки размеров ударных повреждений возможно добиться методологическим путем.