Особенности ультразвукового контроля ремонта монолитных зон вертолетных лопастей из полимерных композиционных материалов

Введение

Повышение весовой эффективности и ресурса различных конструкций (элементов фюзеляжа, лопастей рулевого и несущего винта и др.) вертолетной техники возможно за счет разработки полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1–5] и технологических решений для их изготовления [6–8]. В последнее время доля применения композитов в конструкциях современных вертолетов постоянно растет и может составлять до 40–50 %, разработчики изделий стремятся увеличить этот показатель [9]. Благодаря внедрению новых ПКМ и технологий их изготовления удается существенно упростить технологический процесс получения конструкций высоконагруженных вертолетных агрегатов, таких как лопасти несущего и рулевого винта, повысить показатели технологических и эксплуатационных характеристик, а также ресурс работы [10].

Вместе с тем при эксплуатации авиационная техника подвержена различным ударным воздействиям (попадание посторонних предметов, удар молнии и др.), к которым чувствительны конструкции из полимерных композитов. В результате ударного воздействия могут образоваться ударные повреждения, представляющие собой множественные расслоения, растрескивания и способные существенно снизить прочность изделия. Кроме того, под воздействием различных механических нагрузок и климатических факторов полученные повреждения могут расти и приводить к разрушению конструкции.

В настоящее время для ремонта монолитных зон изделий из ПКМ разрабатываются специальные материалы и технологии [11–13], позволяющие полностью или частично восстановить эксплуатационные характеристики. Анализ научно-технической литературы показывает, что в основном используются два способа ремонта – с применением клеев/связующего горячего отверждения и клеев холодного отверждения. Как правило, клеи/связующие горячего отверждения применяют при структурном, постоянном ремонте в условиях организации, эксплуатирующей авиационную технику. Цель такого ремонта – восстановление эксплуатационных характеристик агрегата (изделия). Ремонт толстостенных конструкций из ПКМ с повреждениями диаметром менее 10 мм проводится по схеме 1 путем высверливания повреждения, заполнения отверстия полимерным заполнителем и наложения ремонтной накладки (рис. 1, а). При повреждениях диаметром более 10–20 мм ремонт проводится по схеме 2, включающей механическую обработку изделия ступенчатым способом с целью дальнейшей послойной выкладки ремонтной заплаты на предварительно уложенный клей (рис. 1, б).

Рис. 1. Ремонт толстостенных монолитных конструкций из полимерных композиционных материалов по схемам 1 (а) и 2 (б)

Для безопасной эксплуатации воздушных судов после ремонта необходимо оценивать качество проведенных мероприятий методами неразрушающего контроля, обеспечивающими своевременное и надежное выявление дефектов в монолитных и многослойных конструкциях из ПКМ [14–19]. Для контроля изделий из композитов главным образом используют методы, основанные на возбуждении и распространении в исследуемом объекте упругих колебаний ультразвукового диапазона. К ним относятся акустические (импедансный и свободных колебаний) и ультразвуковые (эхо-импульсный и теневой) методы.

Акустический импедансный метод учитывает изменения механического импеданса материала контролируемого объекта. Это наиболее простой и распространенный в промышленности способ, позволяющий обнаруживать зоны повреждений как монолитных элементов конструкций, так и многослойных с различными видами заполнителей (сотами, пеной и др.). Акустический метод свободных колебаний, основанный на возбуждении упругих колебаний широкого диапазона частот в контролируемой зоне и регистрации изменения спектра применяемых сигналов, используют для контроля клееных многослойных конструкций с обшивками из полимерных композитов толщиной более 2 мм. Теневой метод основан на излучении и приеме ультразвуковых колебаний, однократно прошедших через контролируемый объект. Признаком обнаружения дефекта является уменьшение амплитуды прошедшего сигнала до уровня ниже порога чувствительности. Для контроля данным методом необходим двухсторонний доступ к конструкции и строгая соосность акустических осей излучающего и приемного преобразователей. Теневой метод можно использовать для контроля монолитных и многослойных конструкций, а также клеевых соединений. Эхо-импульсный метод, или метод отражения, основан на излучении и приеме ультразвуковых импульсов, отраженных от различных неоднородностей в материале объекта контроля, и анализе величины амплитуды и времени ее появления на экране дефектоскопа. Эхо-импульсный метод наиболее распространен при контроле монолитных зон и верхних обшивок многослойных конструкций толщиной более 1–2 мм.

Оценка качества ремонта изделий из слоистых пластиков методами неразрушающего контроля заметно отличается от контроля при производстве и эксплуатации конструкции: контролепригодность отремонтированных зон может быть существенно снижена, появляются новые типы дефектов. Так, контроль ультразвуковым эхо-импульсным методом монолитных зон конструкций из углепластика после ремонта, проведенного по схемам 1 и 2, может включать контроль наличия в монолитных зонах расслоений и клеевых соединений, образованных при приклейке ремонтной заплаты к основному материалу. Особенно это выражено при использовании материала заплаты и клеевой пленки с акустическими свойствами, отличными от акустических свойств основного материала контролируемого объекта.

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») [20].

Материалы и методы

Качество ремонта монолитных зон конструкций вертолетной техники из ПКМ оценивали методами неразрушающего контроля на образцах из гибридного стекло-углепластика, имитирующих фрагмент лонжерона вертолетной лопасти. На образцах просверлены отверстия диаметрами 10 и 30 мм и проведен их ремонт по схемам 1 и 2. В качестве ремонтной заплаты и накладки использовали материалы как с одинаковыми, так и с отличными от основного материала образцов акустическими свойствами. На рис. 2 представлен вид изготовленных образцов с ремонтом.

Рис. 2. Образцы, отремонтированные по схемам 1 (а) и 2 (б)

Поверхность образцов, отремонтированных по схеме 2 (рис. 1, б), для облегчения исследований размечена белым маркером в соответствии со ступенчатым способом выкладки ремонтной заплаты. В этих образцах также просверлены плоскодонные отверстия диаметром 10 мм, засверленные в материал ремонтной заплаты.

Для исследования образцов использовали ультразвуковой дефектоскоп, поддерживающий режим работы с фазированными решетками, 64-элементную линейную фазированную решетку с рабочей частотой 3,5 МГц, призму из эластомерного материала, двухкоординатный сканер и специальное программное обеспечение для анализа результатов. В качестве контактной жидкости применяли дистиллированную воду.

Исследования проводили контактным ультразвуковым эхо-импульсным методом с использованием продольных акустических волн.

Поверхности отремонтированных зон подвергали механической обработке. На поверхности зон ремонта не должно быть натеков связующего (клея) и различных неровностей, препятствующих обеспечению акустического контакта между поверхностью призмы и объектом контроля при проведении ультразвуковых исследований.

Результаты и обсуждение

Исследование образца с ремонтом по схеме 1

Ультразвуковое исследование образца 1 с ремонтом, проведенным в соответствии со схемой 1 (рис. 1, а), заключалось в настройке дефектоскопа на настроечном образце, предназначенном для контроля монолитных зон лопастей без ремонта, по плоскодонным отражателям диаметром 10 мм и оценке степени приформовки накладки в зоне ремонта. Ремонтная накладка состояла из трех слоев препрега углепластика и была приформована к основному материалу образца через слой клеевой пленки. Данная настройка необходима, поскольку в качестве накладки использовали материал с акустическими свойствами, схожими с акустическими свойствами основного материала образца. Результаты исследования в виде В- и С-сканов приведены на рис. 3.

Рис. 3. В- и С-сканы образца 1 с зоной ремонта по схеме 1

Зону, заполненную полимерным заполнителем, не контролировали, так как пена и ее приклейка к углепластиковой накладке при использовании эхо-импульсного метода становятся неконтролепригодными.

Следует отметить, что в случае отличия акустических свойств материала приформовываемой накладки и клеевой пленки от свойств основного материала контроль осуществляли бы аналогичным образом, но для настройки использовали настроечный образец с аналогичной приформованной накладкой.

Исследование образцов с ремонтом по схеме 2

Наибольший интерес представляет контроль зон ремонта, проведенного по схеме 2 (рис. 1, б). В данном случае ультразвуковые исследования проводили на образцах с ремонтными заплатами из материалов с разными акустическими свойствами. Для сравнительной оценки отличия акустических свойств материалов заплаты и образца проведен замер параметра усиления дефектоскопа, при котором величина амплитуды донного эхо-сигнала на экране А-скана составляла 80 %. Замер усиления проводили в пяти точках в зонах без ремонта (зона 1) и с ремонтом со сквозной вырезкой (зона 2) для двух разных материалов заплаты (рис. 4). Результаты представлены в таблице.

Рис. 4. Зоны замера амплитуд донных эхо-сигналов

Усиления дефектоскопа в зонах без ремонта (зона 1) и с ремонтом

со сквозной вырезкой (зона 2)

Для образца 2 акустические свойства материалов заплаты и изделия различались довольно существенно (средняя разница усилений дефектоскопа составляет 15 дБ). При настройке усиления и временной регулировке чувствительности при контроле материала заплаты такое отличие свойств может привести к появлению на экране дефектоскопа эхо-сигналов от структуры основного материала объекта контроля с амплитудой, превышающей уровень срабатывания автоматической сигнализации дефекта (АСД). Контроль данной зоны без стробирования по толщине ремонтной заплаты может привести к перебраковке. Для образца 3 акустические свойства материалов заплаты и изделия практически совпадали, а значит, при близких значениях акустического импеданса материалов можно контролировать так же, как и зону без ремонта.

На рис. 5 приведены результаты ультразвукового исследования зон ремонта образцов 2 и 3 в виде В- и С-сканов при настройках чувствительности по трем плоскодонным отражателям диаметром 10 мм, засверленных в материал заплаты со стороны донной поверхности и расположенных вблизи поверхности, в середине и вблизи дна исследуемых образцов. Результаты представлены для разных положений и ширины строба АСД, соответствующих ступеням ремонтной заплаты.

Рис. 5. В- и С-сканы образцов с ремонтом, изготовленных ступенчатым способом, при стробировании по толщине ремонтной заплаты

Результаты исследований, представленные на рис. 5, подтверждают ранее сделанные выводы. При отличии акустических свойств материалов ремонтной заплаты и объекта контроля на В- и С-сканах вместе с появлением образов от плоскодонных отражателей диаметром 10 мм появляются образы структуры основного материала с амплитудой эхо-сигналов, превышающей порог обнаружения дефектов (образец 2). Поэтому контроль и анализ С-сканов в данном случае необходимо проводить по зонам путем стробирования. Для образца 3 в зоне ремонта ложные эхо-сигналы при любом положении строба АСД отсутствовали. В данном случае можно проводить контроль и анализ С-скана при одном положении строба АСД, установленного по ширине от поверхностного эхо-сигнала до донного.

На В- и С-сканах образцов, отремонтированных по схеме 2, можно также заметить, что на границе приклейки ремонтной заплаты к основному материалу образца (ступеньки) появляются дополнительные эхо-сигналы. Они возникают независимо от схожести акустических свойств материалов заплаты и образца. Эти эхо-сигналы обусловлены также акустическими свойствами используемой клеевой пленки. Поэтому границы раздела «материал заплаты–основной материал образца» необходимо дополнительно контролировать так же, как и клеевые соединения типа «лист–лист».

Заключения

Результаты исследования монолитных образцов из гибридного стеклоуглепластика, имитирующих фрагмент лонжерона вертолетной лопасти с ремонтными заплатами, изготовленными по двум разным схемам, показывают необходимость особого подхода к проведению их неразрушающего контроля. Особую сложность вызывает контроль зон ремонта при отличии акустических свойств материалов заплаты и изделия. Дополнительные изменения по сравнению с контролем монолитных зон без ремонта также обусловлены применением клеевой пленки.

Основная особенность ремонта, проведенного по схеме 1, заключается в оценке качества проформовки и приклейки ремонтной накладки на поверхность объекта контроля в зоне ремонта. Зона, заполненная полимерным заполнителем, в данной схеме становится неконтролепригодной при использовании ультразвукового эхо-импульсного метода. Основной материал объекта контроля под ремонтной накладкой после ремонта остается контролепригодным, однако необходим настроечный образец с такой же накладкой.

Результаты исследований образцов с ремонтом по схеме 2 позволяют сделать следующие выводы:

– при отличии акустических свойств материалов объекта контроля, заплаты и/или клеевой пленки контроль зоны ремонта необходимо проводить в два этапа: сначала контролируют наличие несплошностей в материале ремонтной заплаты, затем – наличие непроклеев в приклейке заплаты к основному материалу изделия. Причем контроль материала ремонтной заплаты необходимо проводить по зонам (важно заранее нанести разметку на поверхность зоны ремонта в соответствии со схемой) путем изменения ширины строба в соответствии с толщиной ремонтной заплаты. Следует отметить, что в процессе эксплуатации изделия в данном случае контроль основного материала под ремонтной заплатой ультразвуковым эхо-импульсным методом невозможен, если отсутствует доступ к объекту контроля со стороны, противоположной стороне заплаты;

– в случае схожести акустических свойств материалов объекта контроля, заплаты и клеевой пленки контроль зоны ремонта можно проводить аналогично контролю зоны без ремонта – при одном положении строба АСД.