連續SiC纖維鈦基復合材料制件的超聲底波監控檢測

韓 波，楊平華，林立志

(1.中國航發北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測與評價北京重點實驗室，北京 100095；3.中國航空發動機集團 材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095；4.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

連續SiC纖維增強鈦基復合材料(TMCs)具有比鈦合金更高的比強度和比模量，是理想的適用于600 ℃～800 ℃高溫環境的輕質結構材料，具有很好的發展前景[1]。很多發達國家投入了大量的人力和物力對該復合材料及其制件開展了系統和深入的研究。如NASA(美國國家航空航天局)、羅爾斯-羅伊斯等公司均已研制出TMCs復合材料葉環，其減重效果非常明顯。典型的TMCs連續纖維整體葉環結構如圖1所示[2]。

圖1 TMCs連續纖維整體葉環結構示意

國內關于TMCs的基礎研究起步較晚，近年來才開始TMCs制件的研制。在連續纖維TMCs制件制備過程中，受纖維纏繞不均、熱等靜壓工藝參數控制不當、連續SiC纖維束與鈦合金基體的熱變形不匹配、復合材料宏觀熱膨脹系數的各向異性等因素影響，纖維/鈦合金結合界面極易出現不連續[3-6]，從而產生纖維屈曲、纖維拔出、纖維束斷裂、SiC纖維/鈦合金界面開裂、焊縫開裂等宏觀缺陷，這些缺陷易從結合界面處沿軸向、周向或徑向擴展，對性能產生重要影響。其中纖維束碎裂、SiC纖維/鈦合金界面開裂、焊縫開裂等空洞類缺陷對材料力學性能的影響較大，嚴重影響TMCs制件的安全使用。因此纖維/鈦合金界面結合質量的檢測，尤其是結合界面處空洞類缺陷的檢測和識別尤為重要。

對特定尺寸TMCs整體葉環中纖維/鈦合金結合界面處產生的空洞類缺陷的底面反射回波幅度進行仿真模擬并通過試驗及解刨分析驗證了超聲底波監控對TMCs整體葉環結合界面處空洞類缺陷的檢測能力，以期為TMCS制作內部質量的超聲檢測提供參考。

1 檢測方法和試驗過程

1.1 檢測方法

針對TMCs制件纖維束/鈦合金基體結合界面，超聲檢測是最有效的無損檢測方法[7]。由于SiC纖維與鈦合金基體的聲特性差異，聲波傳播到界面時會有部分能量被反射[8]，即界面處存在本底反射。且TMCs制件中鈦合金與連續SiC纖維結合緊密，界面過渡區狹窄(微米級)，本底反射的深度和缺陷(如果存在)的深度相同，無法通過位置將兩者有效區分；另外，由于SiC纖維與鈦合金基體熱變形不匹配引發的熱殘余應力及復合材料宏觀熱膨脹系數具有各向異性，連續纖維的形狀在熱等靜壓后不可避免地會發生改變。TMCs整體葉環中纖維束截面形狀如圖2所示，以其為例理論設計其纖維束截面形狀為矩形時，在熱等靜壓后纖維束截面形狀常常產生變形[見圖2(b)]。當聲束垂直于纖維與鈦合金的結合界面檢測時，由于纖維束形狀發生改變，結合界面位置處本底信號也會發生幅度和位置的細微變化，影響缺陷檢測信號的識別。

圖2 TMCs整體葉環中纖維束截面形狀(理論設計與實際變形)示意

在超聲檢測中，當材料成份和組織均勻、厚度不變時，底面反射回波的高度基本不變，如果零件內部存在缺陷或者組織不均勻，聲能量的吸收、散射或反射會造成底面反射回波高度下降或消失，即通過底波幅度的變化可以判斷制件的內部質量[8]。由于該方法不能對異常部位進行精確定位和定量，在金屬制件檢測中很少作為一種獨立的檢測方法，但因其具有對缺陷取向無特殊要求和對空洞類缺陷較敏感等優點，常作為一種輔助的檢測手段應用于超聲檢測中，尤其對于復合材料制件的檢測，底波反射幅度是缺陷類型判別的一個重要參考依據。因此，筆者利用底波監控開展了TMCs整體葉環結合界面處空洞類缺陷的檢測試驗。

1.2 試驗件的制備工藝和結構

試驗采用的TMCs整體葉環結構和檢測方向如圖3所示。TMCs整體葉環制作流程為：①先將鈦合金鍛造成環狀毛坯，切割為兩個環；②在內側環面加工出U形環槽，在槽內纏繞排布涂覆鈦合金的SiC纖維預制體；③用鈦合金外環覆蓋封裝環槽，焊接密封接縫以保證真空環境，再進行熱等靜壓，最后完成機械加工。

圖3 TMC整體葉環結構和檢測方向示意

纖維束的上、下端面和內圓周與鈦合金內環接觸，纖維束的外圓周與鈦合金外環接觸，形成4個結合界面。TMCs整體葉環外徑為300 mm，高度為40 mm，葉環中纖維束截面尺寸約為10 mm×10 mm(長×寬)，端面檢測時纖維束埋深為15 mm。

1.3 底波監控檢測參數和檢測能力的數值模擬

由于SiC纖維束硬度大且易碎裂，檢測用平底孔試塊加工難度極大，因此采用超聲專用的CIVA模擬軟件，對圖3所示的TMCs整體葉環結合界面可能存在的空洞類缺陷開展了底波監控檢測參數選擇和缺陷檢測能力的數值模擬。

1.3.1 探頭頻率和水距對檢測能力的影響

設置模擬相關參數如下：① 探頭頻率為10 MHz(實測焦距為76 mm，鈦合金中焦柱長度為12 mm，晶片直徑為11 mm)，水距分別為20 mm和76 mm；② 探頭頻率為5 MHz(實測焦距為135 mm，鈦合金中焦柱長度為20 mm，晶片直徑為19 mm)，水距分別為20，50，80，100，150 mm。5 MHz探頭衰減系數αTi為0.16 dB/mm,α復材為0.2 dB/mm；10 MHz探頭衰減系數αTi為0.26 dB/mm，α復材為0.55 dB/mm(衰減系數為樣件上實測)。

以端面底波監控檢測結果為例，將φ2.0 mm的球孔缺陷分別預置于圖3中TMCs整體葉環的上結合界面、纖維束中間和下界面處，使用5 MHz和10 MHz探頭，在不同水距時對含有球孔處底波與正常纖維束處底波的差異進行數值模擬。預置φ2.0 mm球孔缺陷的底波損失差(簡稱底損差)的模擬結果如圖4所示。

觀察圖4可以得到以下結論。

圖4 不同水距時預置φ 2.0 mm球孔缺陷的底波損失差模擬結果

(1) 采用5 MHz探頭，水距為20 mm時的上界面處缺陷底損差最大；采用10 MHz探頭，水距為20 mm時的下界面處缺陷底損差最大；不同水距時10 MHz探頭檢測缺陷與正常纖維束部位的底損差均大于5 MHz探頭的。

(2) 水距相同時，不同位置的缺陷底波損失差值不同，即缺陷在探頭聲場的不同部位(焦柱區或擴散區)時底波衰減也不相同。位于焦柱區內的缺陷，底波衰減差異最??；位于擴散區的缺陷，離焦柱區越近底波衰減差異越大。

1.3.2 曲面對檢測能力的影響

選用10 MHz探頭對TMCs整體葉環的上、下端面、內圓周向和外圓周向共4個方向的結合界面(每個檢測方向的第一個結合界面為上界面)進行了φ2.0 mm球孔缺陷底波監控檢測能力模擬。水距分別設置為76 mm(焦點落于零件表面)和20 mm(最小水距)，該缺陷的底波反射差模擬結果如表1所示。

從表1中可以看出，水距為20 mm時的底波監控檢測效果均好于水距為76 mm時的；內圓周向底波監控檢測效果最好，外圓周向檢測效果最差，形成原因與曲面形狀造成聲束在零件內的匯聚(內圓周向)和擴散(外圓周向)有關。內圓周入射時，會對聲場產生匯聚作用，使焦點直徑變小，焦點處能量增強；外圓周入射時，會對聲場產生發散作用，使焦點直徑變大，焦點處能量降低。模擬聲場參數如表2所示，曲面入射時聲場模擬結果如圖5所示。

圖5 曲面入射時聲場模擬結果

表1 10 MHz探頭檢測不同位置φ 2.0 mm球孔缺陷的底波反射差模擬結果 ΔdB

表2 模擬聲場參數 mm

10 MHz聚焦探頭檢測端面下界面位置的φ2.0 mm球孔底損模擬結果如圖6所示，模擬中發現，底損差最大的位置并不在孔缺陷的正下方，而是位于孔缺陷正下方2 mm～3 mm處。

圖6 10 MHz聚焦探頭檢測端面下界面位置的φ 2.0 mm球孔底損模擬結果

結合模擬結果和可能出現空洞類缺陷的位置和缺陷擴展方向，底波監控應在上、下端面以及內圓周向進行，采用10 MHz探頭，水距為20 mm時，可檢出直徑不小于2.0 mm的球孔類缺陷(與正常部位底損差不小于3 dB)。

1.4 驗證試驗

采用上述10 MHz和5 MHz水浸聚焦探頭對圖3中尺寸的已知含纖維碎裂缺陷的TMCs整體葉環缺陷樣件，進行了底波監控檢測參數的驗證試驗。選取不同水距(將焦距落于零件表面、上結合界面和最小水距)進行底損檢測(檢測結果見圖7)。檢測時將含纖維束的正常部位底波高度調至熒光屏滿刻度的60%～90%，此時鈦合金基體底波高于熒光屏滿刻度的100%，見圖7中外圓紅、白色圓環部分顯示，圖7中紅綠(黃)色圓環為纖維束部位的底波檢測結果，標記處均為纖維束碎裂缺陷顯示。對此檢測結果可以看出，采用10 MHz探頭，水距為20 mm；采用5 MHz探頭，水距為20 mm時檢測出的缺陷顯示最多，顯示最清晰，且10 MHz探頭檢測效果好于5 MHz的。與數值模擬結論一致。

圖7 不同探頭及水距下的底波監控C掃描檢測結果

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

根據模擬結果，采用水浸自動檢測系統和10 MHz探頭，設置水距為20 mm，對TMCs整體葉環進行結合界面和纖維束內部的缺陷檢測(檢測靈敏度為φ0.8 mm-6 dB)，同時進行底波監控。底波監控檢測時將含纖維束的正常部位底波高度調至熒光屏滿刻度的60%～90%。檢測中發現異常零件的部分檢測結果如圖8所示。

由圖8(a)的端面結合界面缺陷檢測C掃描結果中可以看出，圖中存在多處反射幅度較高的部位，其中標記處為沿徑向延伸的不連續性顯示，不連續性顯示的反射信號幅度比本底反射幅度約高3 dB，標記處底波幅度明顯降低，底損C掃描圖像呈現明顯不連續，且呈徑向貫穿特征，對應于圖8(b)所示的標記處。正常部位和標記1處A掃描波形如圖8(c)，(d)所示，選取標記1處進行了解剖，其結果如圖8(f)所示。解剖證實，缺陷為纖維束斷裂。其他部位解剖后未見異常，說明C掃描圖中其他幅度較高的顯示為纖維形狀波動所致。

圖8 異常零件的部分檢測結果

2.2 結果分析

由圖8的C掃描結果可以看出，標記1處的纖維碎裂沿徑向有一定長度，底損異常處與缺陷檢測結果對應性好，且底波監控檢測更能夠清晰分辨缺陷顯示。由于結合界面纖維形狀對本底反射幅度有影響。從缺陷檢測C掃描圖可以看出，當纖維分布均勻，與界面結合良好時，本底反射信號幅度變化不大，在C掃描圖上呈現連續較為統一的顏色，底波幅度變化不大，且具有一定的連續性；當纖維碎裂或界面結合不良產生空洞類缺陷時，反射信號幅度升高，且該處底波幅度降低較明顯，在C掃描圖上呈現明顯的不連續性線性顯示。

將解剖的纖維碎裂斷口置于掃描電子顯微鏡下進行觀察，靠近鈦合金外環和靠近鈦合金內環的纖維束碎裂斷口低倍鏡下的顯微形貌如圖9所示。從圖9可以看出，纖維束斷口高低不平，局部有纖維拔出現象，用不同顏色劃分區域，來表示復合材料部分發生斷裂的不同時間，黃色圈注表示最先發生斷裂的區域，紅色虛線分割了裂紋斷口與人工斷口。從纖維斷裂嚴重程度以及內外環向纖維束內部擴散的程度判斷，碎裂首先起源于SiC纖維束與鈦合金內環交界處，然后在鈦合金外環與復合材料交界處萌生裂紋。

圖9 纖維碎裂斷口顯微形貌

3 結論

(1) 纖維束尺寸為10 mm×10 mm(長×寬)的TMCs整體葉環底波監控模擬結果表明，選用10 MHz水浸聚焦探頭進行底波監控檢測，可識別結合界面處直徑不小于2.0 mm的空洞類缺陷；底損差最大的部位偏離缺陷中心2～3 mm，在缺陷定位時應予以重視。

(2) TMCs整體葉環結合界面的超聲檢測中，利用底波監控與缺陷檢測結果，可識別結合界面處的空洞類界面缺陷信號，缺陷反射信號幅度增高同時伴隨底波反射幅度明顯降低，且C掃描圖像中出現明顯的不連續。

(3) TMCs整體葉環的檢測與解剖分析結果表明，由熱等靜壓工藝參數控制不當、連續SiC纖維束與鈦合金基體的熱變形不匹配、復合材料宏觀熱膨脹系數的各向異性等因素誘發的結合界面處纖維束斷裂等空洞類缺陷，具有在纖維/鈦合金結合界面處起源，并沿周向或徑向擴展的特征。

(4) 隨著制造工藝的不斷發展以及復合材料制件相關基礎研究和評價方法的深入研究，TMCs制件的超聲檢測能力有待進一步提高。