Введение

В последнее время при разработке современной отечественной вертолетной техники различного назначения широко применяются полимерные композиционные материалы (ПКМ) [1–5]. При этом в отечественном вертолетостроение происходят процессы, связанные с заменой в конструкциях вертолетной техники ПКМ, разработанных еще в СССР, на современные с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Такие материалы применяют в тех конструкциях, в которых ранее они традиционно выполнялись из металла – например, лопасти несущего и рулевого винта, элементы фюзеляжа, капоты двигателя и т. д. Вместе с этим внедряются также новые технологии их изготовления [6–8].

Однако создание новых конструкций из ПКМ и улучшение существующих требуют новых подходов к проведению их технического обслуживания и диагностики, в том числе к внедрению неразрушающего контроля.

Документация по техническому обслуживанию и ремонту воздушных судов ведущих зарубежных авиастроительных корпораций, в конструкциях которых широко применяются трехслойные конструкции из ПКМ и высоконагруженные монолитные конструкции из углепластиков, стеклопластиков и органопластиков, содержит указания по выявлению и точной оценке размеров ударных повреждений, повреждений в результате попадания молнии и других характерных дефектов ПКМ эксплуатационного происхождения. Реальные размеры внутренних разрушений этих конструкций, как правило, существенно превышают визуально наблюдаемые на поверхности следы воздействия. Поэтому для объективного определения границ зоны, из которой при ремонте необходимо удалить поврежденный материал, применяются приборные методы неразрушающего контроля – ультразвуковой, рентгенографический, специальные низкочастотные акустические методы.

Наибольшее применение для контроля монолитных конструкций из ПКМ, применяемых в авиационной технике, в настоящее время находят ультразвуковой эхо-импульсный и теневой методы неразрушающего контроля [9, 10]. Данные методы обеспечивают высокую чувствительность контроля, позволяют выявлять практически все основные дефекты, характерные для слоистых ПКМ, их можно использовать как в ручном, так и в автоматизированном режимах. Известно много работ по контролю конструкций из углепластиков и стеклопластиков [11–13]. Но в отличие от этих работ задача, затронутая в данной статье, состояла в проведении неразрушающего контроля конструкций из гибридного стекло-углепластика, обладающего более неравномерными акустическим свойствами, чем углепластик или стеклопластик по отдельности. Применительно к трехслойным конструкциям из ПКМ (в особенности со вспененным заполнителем), широко используется низкочастотный акустический импедансный метод [14, 15]. Данный метод чувствителен к уменьшению механической прочности конструкции над дефектом. При ударном повреждении трехслойной конструкции из ПКМ со вспененным наполнителем возможно появление трех основных типов дефектов по отдельности или одновременно: расслоение и растрескивание в монолитной обшивке, расслоение в клеевом соединении между обшивкой и наполнителем, а также смятие и растрескивание вспененного заполнителя. Все данные дефекты приводят к снижению величины механического импеданса на поверхности конструкции над дефектом.

Данная работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ 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

С целью проведения неразрушающих исследований методом вакуумного формования препрега изготовлены конструктивно-подобные образцы из современного отечественного стекло-углепластика и вспененного заполнителя, имитирующие монолитную и трехслойную (с толстыми толщиной 5 мм и тонкими толщиной 1 мм обшивками) конструкции вертолетной лопасти из ПКМ (рис. 1). Монолитный образец имитирует пустотелый силовой лонжерон, трехслойная конструкция с толстыми обшивками – лонжерон с пенопластом, трехслойная конструкция с тонкими обшивками – хвостовую секцию лопасти. В образцах монолитной конструкции для выбора чувствительности контроля изготовлены плоскодонные отражатели диаметром 5 и 10 мм. В трехслойных образцах для подтверждения чувствительности контроля изготовлены отражатели в виде подфрезеровки вспененного заполнителя с диаметрами 5, 10, 15, 20, 25 и 30 мм. Эксплуатационные повреждения в образцах получены путем нанесения удара стальными шариками диаметром 27 и 36 мм по изготовленным образцам. На рис. 1 представлены полученные ударные повреждения на образцах.

Рис. 1. Образцы, имитирующие монолитную и трехслойную конструкции современной и перспективной лопасти из ПКМ с ударными повреждениями

Подбор и опробование параметров контроля для монолитных конструкций и толстых обшивок трехслойных конструкций осуществляли путем проведения ультразвуковых исследований монолитного образца ручным дефектоскопом OmniScan MX с использованием линейных фазированных решеток при электронном сканировании восьми элементов в каждой из четырех групп с рабочими частотами 5 (1 и 2 группы) и 3,5 МГц (3 и 4 группы) с фокусировкой на середину толщины (1 и 3 группы) и на бесконечность (100 мм – 2 и 4 группы).

Рис. 2. Многоцелевой автоматизированный комплекс для сканирования образцов

Подбор параметров для импедансного контроля трехслойных конструкций совмещенным датчиком проводили путем подбора резонансной частоты и определением зоны фрикционных шумов на трехслойном образце ручным импедансным дефектоскопом ДАМИ-С09 в комплекте с совмещенным серийным преобразователем ПАДИ-8-02 и модернезированным преобразователем ПАДИ-7 с длинным «полуволновым» звукопроводом. Для построения С-сканов по результатам импедансного контроля применяли многоцелевой автоматизированный комплекс для сканирования образцов, созданный в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ (рис. 2). Настройку прибора при этом производили из расчета усиления фиксации амплитудных результатов путем помещения в центр комплексной амплитудно-фазовой плоскости дефектоскопа точки с импедансом поверхности, равным нулю.

Результаты и обсуждение

Контроль монолитных зон

При ультразвуковом исследовании монолитных образцов с использованием каждой из групп подобранных параметров контроля проводили сканирование образцов с имитаторами дефектов в виде плоскодонных отражателей диаметром 5 и 10 мм, засверленных на глубину 0,5 мм от поверхности, на середине толщины образца и 0,5 мм относительно донной поверхности. Временну́ю регулировку чувствительности настраивали по плоскодонным отражателям диаметром 10 мм, так как опробованная настройка чувствительности по отражателям диаметром 5 мм давала высокий уровень отраженных эхо-сигналов от внутренней структуры стекло-углепластика с амплитудой, превышающей уровень –6 дБ относительно эхо-сигнала от контрольного отражателя. По результатам сканирования оценены величины мертвых зон, средний уровень структурного шума, появление отражений от внутренней структуры, превышающих пороговый уровень (см. таблицу). На рис. 3 в виде С-сканов представлены результаты сканирования монолитного образца с плоскодонными отражателями.

Режимы ультразвукового контроля фазированными решетками

Рис. 3. С-сканы монолитного конструктивно-подобного образца при использовании рабочих групп 1 (а), 2 (б), 3 (в) и 4 (г)

По результатам анализа С-сканов, представленных на рис. 3, и данных таблицы для контроля монолитных зон наиболее подходящими для данного типа ПКМ оказались параметры контроля группы 3. При этом частоту преобразователя можно использовать в диапазоне от 2,25 до 3,5 МГц без увеличения неконтролируемых мертвых зон. Эти параметры в дальнейшем решено использовать при исследовании эксплуатационных дефектов в виде ударных повреждений, полученных в образцах при ударе стальными шариками.

В монолитном образце возможен основной тип эксплуатационного повреждения – ударное повреждение монолитной обшивки в виде множества расслоений и растрескиваний. Для трехслойных образцов характерно несколько типов эксплуатационных повреждений: ударное повреждение монолитной обшивки, отслоение монолитной обшивки от пенозаполнителя и смятие пенозаполнителя. При этом ударное повреждение в обшивке трехслойной конструкции для случая, когда обшивка толщиной >(2–3) мм, лучше обнаруживается с помощью ультразвукового контроля эхо-импульсным методом. Поэтому для дальнейших исследований использовали два типа образцов:

– монолитный образец толщиной 5 мм с нанесенными ударными повреждениями для имитации эксплуатационных повреждений в монолитной конструкции;

– образец трехслойной конструкции с обшивкой толщиной 5 мм с нанесенными ударными повреждениями со стороны монолитной части.

На каждом из образцов проведено сканирование с построением С-сканов и последующим анализом площадей ударных повреждений (рис. 4). Эхо-импульсным методом получен С-скан, построенный по эхо-сигналам, расположенным между поверхностью ввода и донной поверхностью образца, а зеркально-теневым методом – С-скан, построенный по донному сигналу.

Рис. 4. Участки С-сканов с ударными повреждениями 1 (а, б, д, е) и 2 (в, г, ж, з), полученные на монолитном образце (а–г) и образце трехслойной конструкции (д–з)

Как видно из данных рис. 4, выявление ударных повреждений классическим эхо-импульсным методом в монолитных образцах и обшивках трехслойных конструкций затруднено, так как отраженные эхо-сигналы вызывает не вся площадь ударного повреждения, а лишь края, которые по своему характеру являются расслоениями, распространяющимися от центра ударного повреждения. При этом вся площадь ударного повреждения вызывает снижение амплитуды донного эхо-сигнала, поэтому для выявления и определения размеров ударного повреждения более эффективным является зеркально-теневой метод.

Контроль трехслойных зон

При подборе режимов выбор рабочей частоты преобразователя производили на исследуемом образце исходя из критерия близости частоты контроля к резонансной собственной частоте конструкции. Настройку прибора осуществляли в месте, не имеющем видимых глазом производственных дефектов, а также искусственно полученных дефектных зон. В нескольких точках, находящихся в местах отсутствия каких-либо дефектов, проведено сравнение положения маркера текущего значения импеданса с целью выбора точки для настройки. В пределах этой точки осуществляли построение зоны фрикционных шумов, соответствующей бездефектной области. Затем построенную зону фрикционных шумов увеличивали для исключения ложных срабатываний. Расположение маркера текущего значения импеданса на экране прибора вне зарисованной области свидетельствует о наличии дефекта. При сканировании поверхности вокруг остальных точек величина отклонения маркера текущего значения импеданса находилась в пределах зарисованной при настройке зоны, вследствие чего сделан вывод, что настройка проведена в бездефектных местах. Отмечено, что при скорости сканирования >50 мм/с фрикционные шумы начинают вызывать ложные срабатывания автоматической сигнализации о дефекте, так что скорость сканирования должна быть ограничена.

Рис. 5. Внешний вид (а) искусственных дефектов (подфрезеровок пеноблока различных диамеров до склеивания образца) и С-скан (б) амплитудного варианта импедансного контроля образца с искусственными дефектами трехслойной конструкции с тонкими обшивками

С помощью двухкоординатного многоцелевого автоматизированного комплекса для контроля образцов также получены С-сканы импедансного контроля по амплитуде сигнала на амплитудно-фазовой комплексной плоскости. Для амплитудной настройки точку с импедансом поверхности, равным нулю, устанавливали в центр отображаемой на экране дефектоскопа комплексной плоскости для получения нелинейной корреляции «рост импеданса–рост амплитуды сигнала». С подобранными режимами в трехслойном образце с тонкими обшивками, имитирующем хвостовую часть лопастей несущего и рулевого винтов, достоверно выявляются искусственные дефекты диаметрами 10, 15, 20, 25 и 30 мм (рис. 5). Хорошо фиксируется изменение механического импеданса над искусственными дефектами и их выявление. Искусственный дефект диаметром 5 мм слишком небольшой для достоверного выявления с учетом загрубления зоны фрикционных шумов для исключения ложных срабатываний. В центре больших дефектов можно заметить локальное увеличение амплитуды сигнала, коррелирующей с полным (активным и реактивным) импедансом. Реактивный импеданс состоит из двух составляющих: упругой (обусловленной жесткостью конструкции) и инерционной (обусловленной массой колеблющегося фрагмента обшивки). Обычно влияние инерционной составляющей мало. Однако для тонких колеблющихся мембран над дефектами больших размеров упругая составляющая становится крайне низкой и проявляется влияние инерционной составляющей, что приводит к изменению как суммарного реактивного импеданса, так и полного импеданса, состоящего из активной и реактивной составляющих.

По результатам исследований для контроля трехслойных конструкций с использованием акустического импедансного метода выбран следующий режим: частота контроля на собственной резонансной частоте конструкции при скорости сканирования не более 50 мм/с. Оконтуривание обнаруженных дефектов производили по срабатыванию автоматической сигнализации дефектов. Исследование проводили с обеих сторон образцов. Все эксплуатационные повреждения в виде отслоений обшивок от пены выявлены и оконтурены на поверхности с оценкой условных размеров.

В образце трехслойной конструкции с тонкими обшивками помимо эксплуатационных повреждений, полученных путем нанесения ударов стальными шариками диаметром 27 и 36 мм, также изготовлен реалистичный эксплуатационный дефект. Имитация реалистичного ударного повреждения произведена относительно гладким твердым предметом путем нанесения двух ударов разной силы в две точки на расстоянии 15 мм друг от друга ударной поверхностью, представляющей собой фрагмент сферы диаметром ~80 мм.

Видимое промятие обшивки от удара сферой диаметром 27 мм имеет округлую форму диаметром ~8 мм и глубиной ~100 мкм. Промятие от удара сферой диаметром 36 мм имеет округлую форму диаметром ~17 мм и глубиной ~250 мкм. Сферические промятия создают на поверхности достаточно ровные сферические поверхности и хорошо различимые блики при правильном освещении (рис. 6).

Рис. 6. С-сканы импедансного контроля образца трехслойной конструкции с тонкими обшивками с эксплуатационными ударными дефектами сферой диаметром 27 (а) и 36 мм (б), а также реалистичное ударное повреждение сложной формы (в)

Видимое промятие от реалистичного удара имеет сложную форму с габаритными размерами ~(45×25) мм и глубиной ~250 мкм. Глубина идентична промятию от сферы диаметром 36 мм, но из-за большой площади и неправильной формы вмятины заметить ее очень сложно даже на ощупь и визуально при подборе правильного освещения, что соответсвует реалистичному ударному повреждению малозаметному снаружи, но приводящему к смятию пенопласта и потере механической прочности во внутреннем слое.

С помощью двухкоординатного многоцелевого автоматизированного комплекса для контроля образцов получены С-сканы импедансного контроля по амплитуде сигнала на амплитудно-фазовой комплексной плоскости образца трехслойной конструкции с тонкими обшивками с эксплуатационными ударными дефектами. Амплитудная настройка произведена аналогично контролю образца с искусственными дефектами. Результаты контроля представлены на рис. 6. Все дефекты успешно выявлены по изменению механического импеданса. Условные размеры дефектов, измеренные по С-сканам, соответствуют реальным размерам дефектов.

Заключения

Проведенные исследования конструктивно-подобных образцов из стекло-углепластика, имитирующих элементы монолитных и трехслойных конструкций вертолетных лопастей, показали, что для неразрушающего контроля лопастей несущего и рулевого винтов вертолета, изготовленных из современных метериалов, можно с успехом применять ультразвуковой высокочастотный эхо-импульсный и низкочастотный импедансный методы.