Тема: УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ИНФРАКРАСНАЯ ТЕРМОГРАФИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Актуальность диссертационных исследований. В российской и зарубежной промышленности широко применяются так называемые новые конструкционные материалы, к которым, в частности, относятся современные композиционные материалы, отличающиеся высокой прочностью и технологичностью при малом удельном весе. К новому поколению композиционных материалов, пришедших на смену легкосплавным металлам, относят углеродные композиты, характеризующиеся отличными прочностными характеристиками и высоким температурным порогом деструкции. Однако, при всех их достоинствах, композиционные материалы и изделия из них могут обладать специфическими дефектами, которые образуются в процессе производства и эксплуатации. В частности, одним из популярных материалов в авиакосмической технике является углепластиковый композит, который подвержен растрескиванию и расслоениям вследствие ударных и циклических нагрузок.
Согласно общепринятому определению, композиционные материалы представляют собой искусственно созданный сплошной неоднородный материал, состоящий из двух или более компонентов с границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала, а матрица, или связующее вещество, обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. Механическое поведение композитов определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность подобных материалов зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.
Основными дефектами композиционных материалов являются: расслоения, образующиеся вследствие непроклея или нарушений технологического процесса изготовления изделия; растрескивания композита по границе раздела матрицы и армирующего элемента; разрушение матрицы композитного материала вследствие внешнего воздействия и образования продольных трещин.
Области применения композиционных материалов весьма обширны. В настоящей работе рассматриваются композиционные материалы, используемые в авиакосмической технике, судостроении и производстве автомобилей. При этом речь идет о несущих 6
элементах, деталях механизмов и готовых изделиях, выполненных из композиционных материалов.
Проблема неразрушающих испытаний композиционных материалов обуславливается рядом особенностей и физических явлений, характерных для композитов. В подобных материалах возникают поверхностные трещины, не видимые человеческим глазом и не обнаруживаемые многими методами неразрушающего контроля (НК) в силу специфических физических свойств, которыми обладают композиты, а именно: малая радиационная толщина, низкая электропроводность, отражение ультразвуковых (УЗ) волн от армирующих элементов, что приводит к искажению получаемых данных, и т.п. Кроме того, ряд дефектов, характерных только для композиционных материалов (расслоение матрицы и армирующих элементов), также представляет определенные сложности при проведении неразрушающего контроля.
Первые попытки использовать тепловой контроль (ТК) для обнаружения дефектов в композиционных материалах были предприняты еще в 80 -х годах прошлого века, используя классические схемы одно- и двухсторонних испытаний. Основным способом нагрева был оптический (работы Н.А. Бекешко, А.Е. Карпельсона, ЮА Попова, Д.А.Рапопорта, О.Н. Будадина, Е.В. Абрамовой, В.П. Вавилова и др. в бывшем СССР, Д. Балажа и др. во Франции, К. Малдага и др. в Канаде, Г. Буссе и др. в Германии, Д. Берли, С.Шепарда и др. в США, Э. Гринцато и др. в Италии). К началу XXI-го века «классический» тепловой контроль достиг определенного совершенства, тем не менее, он оказался ограниченным обнаружением дефектов определенного типа, главным образом, расслоениями, расположенными параллельно плоскости нагрева. В то же время в 90-х годах прошлого века появился метод «анализа нагрузок по тепловой эмиссии» (Stress Pattern Analysis by Thermal Emission- SPATE) [1], основанный на использовании зависимости динамического изменения температуры и механических нагрузок (одна из разновидностей этого метода получила название «вибротермография») [1-4]. Наконец, в первом десятилетии нынешнего века практически одновременно в США, Германии и Канаде был предложен метод стимуляции твердых тел с помощью механических колебаний звукового и УЗ диапазонов. В России первые работы в данной области были начаты В.П.Вавиловым и др. в Томском Политехническом Университете.
Таким образом, актуальность диссертационных исследований обусловлена:
• расширяющимся применением композиционных материалов нового поколения, прежде всего, в высокотехнологичных отраслях, таких как авиакосмическая техника, ядерная энергетика, автомобиле- и судостроение и т.п.;
• возможностью образования недопустимых специфических дефектов в процессе изготовления или эксплуатации композиционных материалов;
• ограничениями, присущими традиционным видам неразрушающего контроля, при обнаружении дефектов в композиционных материалах;
• положительными результатами практического применения теплового метода контроля композиционных материалов, включая выполненные за рубежом исследования в области ультразвуковой (УЗ) инфракрасной (ИК) термографии;
• отсутствием на российском рынке коммерческих систем теплового контроля композиционных материалов, в особенности, с использованием метода УЗ ИК термографии (УЗ тепловидения).
Цель работы. Разработка метода и устройства для ультразвукового тепловизионного неразрушающего контроля композиционных материалов.
Основные защищаемые положения
• Метод УЗ ИК термографии, восходящий к низкочастотной тепловизионной вибротермографии и испытывающий определенное возрождение в последнее десятилетие, перспективен для обнаружения структурных неоднородностей в твердых телах, которые проявляют эффект механического гистерезиса и внутреннего трения. В особенности, данный метод пригоден для выявления трещин ударного и усталостного происхождения в композиционных и сотовых изделиях, используемых в авиакосмической технике, ядерной энергетике, автомобиле строении и судостроении.
• Наиболее используемые в настоящее время в УЗ ИК термографии акустические колебания частотой несколько десятков килоГерц и электрической мощностью на магнитострикторе до нескольких килоВатт не вызывают заметного нагрева «бездефектного» материала вследствие механического гистерезиса. Феноменологическая модель тепловыделения в дефектных зонах предполагает, что эффект внутреннего трения подобен постоянного действующему источнику тепла, что позволяет использовать для оценки мощности тепловыделения классическую теорию теплопроводности. Сопоставление данных феноменологической модели и экспериментальных данных позволяет оценить вышеуказанную мощность тепловыделения (сотни милливатт при обнаружении трещин в композитах).
• Термомеханическая модель УЗ ИК термографии предполагает совместное решение трехмерного уравнения распространения акустических волн и теплопроводности, на основании чего исследуют зависимости температурных сигналов в дефектных зонах от механических свойств материала (коэффициента Пуассона и модуля Юнга), частоты акустических волн, амплитуды колебаний магнитостриктора, расстояния между точкой УЗ стимуляции и точкой наблюдения, а также их взаимной ориентации.
• Областью применения метода УЗ ИК термографии является неразрушающий контроль трещин ударного и усталостного происхождения, а также расслоений, непроклеев и других дефектов без взаимного проникновения контактирующих материалов. Отрасли преимущественного использования метода УЗ ИК термографии: авиакосмическая промышленность, ядерная энергетика, автомобиле- и судостроение.
• Амплитуда температурных сигналов пропорциональна коэффициенту трения и эффективной (поглощенной) акустической энергии. В диапазоне исследованной электрической мощности УЗ стимуляции (до 2,5 кВт), температурные сигналы пропорциональны электрической мощности на магнитострикционном инденторе.
• Наибольшие температурные сигналы возникают при перпендикулярном расположении дефектов типа трещин относительно преимущественного направления распространения ультразвука. Поэтому при проведении сплошного контроля изделий из композиционных материалов целесообразна последовательная УЗ стимуляция изделий в различных точках, или одновременная стимуляция нескольких точек.
Научная новизна диссертационных исследований.
• Разработаны теплофизическая и термомеханическая трехмерные модели генерации тепловых сигналов, стимулируемых мощным ультразвуком, что позволило оценить эквивалентную мощность тепловыделения в дефектных зонах, а также исследовать влияние частоты ультразвука, взаимной ориентации и расстояния между точкой ввода ультразвука и дефектами на регистрируемые температурные сигналы.
• Экспериментальным путем выявлены и подтверждены вышеуказанные закономерности УЗ ИК термографического контроля применительно к композиционным материалам, в особенности, углепластику, являющимся одним из основных конструкционных материалов в авиакосмической промышленности. В частности, установлено, что эквивалентная мощность тепловыделения в зонах ударных повреждений углепластика достигает сотен милливатт, а температурно - частотный спектр сигналов обнаруживает значительное влияние частоты ультразвука на обнаружение скрытых дефектов.
• Выявлена высокая эффективность применения УЗ ИК термографического контроля для обнаружения ударных повреждений в слоистых композитах и сотовых структурах с композиционной обшивкой и неметаллическими ячейками.
• Установлено, что температурные сигналы в зонах структурных дефектов
композитов прямо пропорциональны введенной акустической энергии и длительности стимуляции в диапазоне времен стимуляции до 10-15 секунд при электрической мощности стимуляции до 2,5 кВт.
Практическая ценность и реализация результатов диссертационных исследований
• Разработана экспериментальная установка УЗ ИК термографического контроля, использующая непрерывное и импульсное возбуждение ультразвука магнитострикционным способом, а также тепловизионный способ регистрации динамических температурных полей.
• Выполнены приоритетные в отечественной практике экспериментальные исследования возможности УЗ ИК термографического контроля композиционных материалов, используемых в авиакосмической промышленности, ядерной энергетике, автомобиле строении и судостроении.
• Результаты данной работы используются в «Новоуральском научноконструкторском центре» (г.Новоуральск) при разработке технологии контроля изделий из углепластика, используемых в ядерной энергетике, а также в МНПО «Спектр» (г.Москва) при испытаниях материалов авиакосмического профиля.
• Экспериментальная установка УЗ ИК термографического контроля используется в Томском политехническом университете при выполнении выпускных работ бакалавров и магистров, при проведении лабораторных работ студентами специальности «Физические методы и приборы контроля качества», а также слушателями курсов повышения квалификации в области теплового контроля.
Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось на Международной конференции «Electronics - 2012» (г. Созополь,
Болгария, 2012 г), Международной конференции по физической мезомеханике,
компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, Россия, 2011 г.), 50-й Ежегодной конференции Британского общества неразрушающего контроля
(г. Телфорд, Великобритания, 2011 г.).
Связь диссертационных исследований с научно-техническими программами и грантами. Результаты диссертационных исследований использованы при выполнении проекта № 5.568 аналитической ведомственной целевой программы “Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы), а также грантов № 09-08-13568-офи_ц и № 09-08-99022-р _офи Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых изданиях из списка ВАК.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 100 источников литературы и двух приложений. Диссертация содержит 119 страниц
Купить

• В результате обзора научно-технической литературы показано, что традиционные методы НК не решают в полном объеме проблему неразрушающих испытаний ПКМ. Сделан вывод, что перспективным методом испытаний изделий сложной формы из ПКМ является вибротепловизионный метод, названный в данной работе «ультразвуковым инфракрасным термографическим (тепловизионным) контролем». Особенности данного метода и физические явления, происходящие в объектах контроля при УЗ стимуляции, слабо изучены с точки зрения практического применения метода.
• Основными механизмами тепловыделения при прохождении акустических волн через твердые тела являются механический гистерезис, роль которого в неразрушающих испытаниях незначительна, и, в особенности, внутреннее трение, которое является основным источником повышения температуры в дефектных зонах.
• Областью применения метода УЗ ИК термографии является НК трещин ударного и
усталостного происхождения, а также расслоений, непроклеев и других дефектов без взаимного проникновения контактирующих материалов. Отрасли
преимущественного использования метода УЗ ИК термографии: авиакосмическая промышленность, ядерная энергетика, автомобиле- и судостроение.
• Предложена простая теплофизическая модель оценки тепловыделения в дефектных зонах при УЗ стимуляции, в рамках которой предполагается, что трещина феноменологически проявляет себя в поверхностном температурном поле как источник внутреннего тепловыделения. Таким образом, путем сопоставления теоретических и экспериментальных данных, возможна оценка мощности рассеяния УЗ энергии на дефектах.
• Разработана более строгая термомеханическая модель тепловыделения в дефектных зонах, реализацию которой проводят в два этапа: 1) решение трехмерной задачи распространения УЗ колебаний в пластине и вычисление мощности, генерируемой дефектом с нулевой толщиной вследствие внутреннего трения; 2) решение трехмерной задачи распространения тепла от источника, мощность которого определены на первом этапе.
• С помощью вышеуказанной модели исследованы зависимости температурных сигналов в дефектных зонах от механических свойств материала (коэффициента Пуассона и модуля Юнга), частоты акустических волн, амплитуды колебаний магнитостриктора, расстояния между точкой УЗ стимуляции и точкой наблюдения, а также их взаимной ориентации.
• Амплитуда температурных сигналов пропорциональна коэффициенту трения и эффективной (поглощенной) акустической энергии. В диапазоне исследованной электрической мощности УЗ стимуляции (до 2,5 кВт), температурные сигналы пропорциональны электрической мощности на магнитострикционном инденторе.
• Расчетным путем получены оценки так называемого температурно-акустического спектра, вид которого для композитов типа углепластика показывает существенную зависимость температурных сигналов от частоты ультразвука, что, по-видимому, связано с комбинированным проявлением эффектов механического гистерезиса и резонансных явлений.
• Наибольшие температурные сигналы возникают при перпендикулярном
расположении дефектов типа трещин относительно преимущественного направления распространения ультразвука. Поэтому при проведении сплошного контроля изделий из ПКМ целесообразна последовательная УЗ стимуляция изделий в различных точках, или одновременная стимуляция нескольких точек.
• Для экспериментальных исследований композиционных материалов разработан экспериментальный комплекс, включающий вышеупомянутые устройства УЗ стимуляции, ряд моделей ИК тепловизоров, компьютер типа «лэп -топ» и устройство управления на базе модуля Ke-USB24R, а также оригинальное программное обеспечение.
• Для непрерывного возбуждения акустических волн использована стандартная установка финишной обработки металлов (частота 22 кГц, электрическая мощность на магнитострикторе до 300 Вт, длительность стимуляции композиционных материалов без охлаждения до 20 с). Для импульсной УЗ стимуляции разработана специализированная установка (изготовитель ООО «Инлаб»): частота 22 кГц, электрическая мощность на магнитострикторе до 2,5 кВт, минимальная длительность импульса 0,1 с, шаг дискретизации 0,1 с, длительность стимуляции композиционных материалов без охлаждения до 20 с. В данной установке, с целью предотвращения образования стоячих волн, предусмотрена девиация частоты.
• Экспериментальные исследования выполнены с использованием импульсной, периодической и непрерывной УЗ стимуляции, а также стандартных ИК тепловизоров высокого уровня: ThermaCAM P65 и NEC Avio TH-9100. Предпочтительность применения мощных коротких импульсов по сравнению с маломощной, но длительной стимуляцией, не подтверждена, по-видимому, вследствие сравнительно низкой интенсивности тепловой диффузии в композиционных материалах, например, по сравнению с металлами.
• Согласно предсказаниям термомеханической теории внутреннего трения максимальные температурные сигналы образуются в зоне трещин с высоким коэффициентом трения стенок. УЗ стимуляция дефектов округлой формы, в частности, попытка контроля уноса материала (коррозии), не привела к положительным результатам.
• Установлено, что наличие иммерсионной жидкости не оказывает существенного влияния на температурные сигналы вследствие того, что в настоящих исследованиях применен магнитострикционный принцип возбуждения акустических волн.
• Эффективность УЗ термографического контроля максимальна при облучении трещин ультразвуком по нормали к трещинам и снижается с увеличением расстояния между точкой ввода ультразвука и дефектами. Поэтому при проведении сплошного контроля изделий из ПКМ целесообразна последовательная УЗ стимуляция изделий в различных точках или одновременная стимуляция нескольких точек.
• Площадь одновременного контроля с использованием метода УЗ ИК термографического метода пропорциональна приблизительно квадрату акустической энергии и ограничена возможной деструкцией контролируемого материала в точке ввода ультразвука. В выполненных исследованиях площадь одновременного контроля составляет 0,1-0,2 кв. м.
• В процессе УЗ стимуляции объектов определенной формы и размеров возможно образование стоячих волн, которые можно подавить, применяя девиацию несущей УЗ частоты. В ряде случаев, наличие протяженных дефектов виде трещин способствует подавлению стоячих волн.
• Результаты данной работы используются в «Новоуральском научно - конструкторском центре» при разработке технологии контроля изделий из углепластика, используемых в ядерной энергетике, а также в МНПО «Спектр» (г. Москва) при испытаниях материалов авиакосмического профиля. Экспериментальная установка УЗ ИК термографического контроля используется в Томском политехническом университете при выполнении выпускных работ бакалавров и магистров и проведении лабораторных работ студентами специальности «Физические методы и приборы контроля качества», а также слушателями курсов повышения квалификации в области теплового контроля.
• По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях из списка ВАК и 2 зарубежные публикации.
Публикации автора по теме диссертационных исследований
1. Вавилов В.П., Нестерук Д.А., Хорев В.С. Ультразвуковой инфракрасный метод выявления ударных повреждений и усталостных трещин в металлах и композитах. В мире НК, март 2010. 1(47). С. 36-58.
2. Вавилов В.П., Ширяев В.В., Хорев В.С. Обработка результатов активного теплового контроля методом вейвлет - анализа. Дефектоскопия, 2011. №4. С. 70-79.
3. Вавилов В.П., Чулков А.О., Хорев В.С. Ультразвуковой инфракрасный термографический неразрушающий контроль композиционных материалов. Тезисы докладов международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов. Томск. Россия 5-9 сентября 2011. С. 323-326.
4. Vavilov V.P., Nesteruk D.A., Khorev V.S. IR Thermographic NDT Research at Tomsk Polytechnic University. Siberia. Russia - Proceedings of the 50th Annual Conference of British Institute of Nondestructive Testing. 12-15 Sept. 2011, Telford. U.K. p. 1C3 (only on CD). 12 p.
5. Ширяев В.В., Хорев В.С. Тепловой контроль ударных повреждений в углепластике с применением ультразвуковой стимуляции. Контроль и Диагностика, 2011. Спецвыпуск. С. 112-114.
6. Нестерук Д.А., Хорев В.С., Коробов К.Н. Инфракрасно - ультразвуковой контроль воды в сотовых панелях самолетов. Контроль и Диагностика, 2011. №11. С. 11-14.
7. Вавилов В.П., Хорев В.С., Чулков А.О. Исследование метода ультразвукового инфракрасного контроля трещин в композитных материалах. Контроль и диагностика, 2012. Спецвыпуск. С. 197-201.
8. Vavilov Vl., Nesteruk D., Khorev VL. Ultrasonic and inductive IR Thermographic Procedures as Newly - Emerged Technigues in Thermal NDT. - Annual Journal of Electronics. Sofia. 2012. V. 6. № 2. Р. 102-109.
Купить