201113_PSpaw.pdf 23Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Krzysztof Dragan Łukasz Kornas Norbert Pałka Problematyka diagnozowania kompozytowych konstrukcji lotniczych the issues connected with non destructive techniques  for the aerospace composite structures inspection Krzysztof Dragan, Łukasz Kornas – Instytut Technicz- ny wojsk Lotniczych, Norbert Pałka – Wojskowa Akade- mia Techniczna. Streszczenie W artykule przedstawiony zostanie opis problema- tyki diagnozowania kompozytowych konstrukcji lotni- czych. Kompozyty, charakteryzuje zdecydowanie więk- szy stosunek masa/wytrzymałość, niż większość kon- strukcji wykonywanych np. z stopów lekkich. Są one jed- nak wrażliwe na uszkodzenia od udarów mechanicz- nych i termicznych. Ponadto w trakcie wytwarzania po- wstają uszkodzenia wpływające na zmniejszenie ich wy- trzymałości. W artykule przedstawiono podejście do dia- gnostyki takich struktur z wykorzystaniem metod badań nieniszczących takich jak: metoda ultradźwiękowa z wy- korzystaniem Phased Array, oraz metoda spektrosko- pii terahertzowej. Omówiono i przedstawiono problemy diagnozowania konstrukcji kompozytowych, w tym kon- strukcji FML (fibre metal Laminates). Dla każdej z tych metod badań nieniszczących przedstawiono ich zalety i ograniczenia związane z diagnostyką takich konstrukcji. Abstract This paper presents approach for NDT techniques for composite structural integrity assessment of the ae- rospace structures. In such structures besides of higher mass/durability ratio than e.g. aluminum alloys aerospa- ce components there is higher vulnerability on the failure mode creation because of impact damage from mechani- cal and thermal shocks. Moreover during the manufactu- ring process different damages occur and affect material strength. For the purpose of damage detection different NDE (Non Destructive Evaluation) techniques will be pre- sented such as: ultrasonic with the use of Phased Array and THz spectroscopy. The main problems of the compo- sites structures NDE will be highlighted and presented in- cluding FML (Fibre Metal Laminates). All the advantages and limitations of the above described NDE methods will be delivered. Wstęp Właściwości materiałów kompozytowych spełniają- ce wymogi filozofii systemu eksploatacji „tolerowane- go uszkodzenia” (Damage tolerance), oraz korzyst- ny iloraz masy do wytrzymałości powodują, iż produ- cenci statków powietrznych (SP) coraz częściej sto- sują materiały kompozytowe do produkcji elementów konstrukcyjnych SP [1]. Kolejnym czynnikiem powodu- jącym zwiększone zastosowanie materiałów kompo- zytowych jest możliwość zmniejszenia kosztów zwią- zanych z zużyciem paliwa oraz innych kosztów eks- ploatacji [2]. Stosowane dotychczas stopy aluminium są podatne na powstawanie uszkodzeń związanych nie tylko z oddziaływaniem atmosfery (zjawisko koro- zji), ale również z oddziaływaniem cyklicznych obcią- żeń zmęczeniowych (przykładem jest zjawisko pękania zmęczeniowego pod wpływem korozji – Stress Corro- sion Cracking – SCC) [3, 4]. Zastosowanie materiałów kompozytowych eliminuje problem związany z wystę- powaniem efektów korozyjnych. Jednakże należy zda- wać sobie sprawę z innych czynników wpływających na możliwość zmniejszenia wytrzymałości takich struk- tur spowodowanych [5]: – brakiem powtarzalności przy wytwarzaniu elemen- tów, w szczególności w tzw. „technikach na mokro”; – brakiem jednoznacznie określonej granicy plastycz- ności materiału; – anizotropią materiału i związanymi z tym różnymi rodzajami uszkodzeń; 24 Przegląd sPawalnictwa 13/2011 – szczególną podatnością na uszkodzenia od obciążeń prostopadłych do płaszczyzny powierzch- ni elementu; – niedostatkami kontroli jakości elementów opusz- czających wytwórnię; – wysoką podatnością na powstawanie uszkodzeń od uderzeń o niewielkich energiach; – możliwością powstawania wad i uszkodzeń pod- czas wytwarzania elementów, m.in. takich jak: poro- watość, odklejenia, wtrącenia ciał obcych, rozwar- stwienia. Czynniki takie prowadzą do powstania wad w kom- pozytach i takich jak [6]: – niewłaściwie wygrzana termicznie osnowa; – nieprawidłowy udział objętościowy włókien zbroje- nia – spowodowany nadmiarem lub brakiem osno- wy. Lokalne nieprawidłowości zdarzają się podczas produkcji, jednakże duże odchyłki (tzn. większe ob- szary) występują wskutek nieprawidłowego prze- biegu procesu wytwarzania; – pory – wskutek parowania osnowy lub powietrza w trakcie nieprawidłowego przeprowadzenia proce- su wygrzewania; – brak równoległości w ułożeniu włókien zbrojenia – powoduje lokalne zmiany w objętościowym udziale włókien zbrojenia w materiale; – brak równoległości w ułożeniu warstw. Powstaje w trakcie układania warstw. Może powodować zmianę sztywności materiału oraz odkształcenie w trakcie procesu wygrzewania; – pękanie poszczególnych warstw – spowodowane oddziaływaniem poszczególnych warstw podczas wytwarzania; – rozwarstwienia – rzadko spotykane podczas wy- twarzania, jednakże mogą powstać wskutek zanie- czyszczania przy wytwarzaniu lub obróbce mecha- nicznej, polegają na niedoklejeniu poszczególnych warstw materiału kompozytowego; – uszkodzenia włókien zbrojenia; – odklejenia – w trakcie procesu wytwarzane kompo- nenty mogą być klejone. Wskutek zanieczyszcze- nia lub braku kleju, elementy te mogą nie dolegać do siebie, co poważnie wpływa na zmniejszenie wy- trzymałości badanego elementu; – wtrącenia ciał obcych – polegające na pozostawie- niu w trakcie wytwarzania, zanieczyszczeń, pozo- stałości z procesu wytwarzania. W ostatnich latach prowadzono wiele badań, mają- cych na celu zmniejszenie ilości wad powstających w materiałach kompozytowych. Rozwinięte zostały takie metody wytwarzania jak: RTM (Resin transfer moul- ding), RFI (Resin film infusion) [7]. Metody te jednak- że mogą powodować powstawanie innych wad, co wy- musza konieczność stosowania badań nieniszczących w ocenie materiałów kompozytowych. Innymi przyczynami powstawania uszkodzeń w strukturach kompozytowych są czynniki wpływają- ce na trwałość tych materiałów w trakcie eksploata- cji. Takimi czynnikami powodującymi powstawanie uszkodzeń w materiałach kompozytowych są [8]: ob- ciążenia statyczne; uderzenia; procesy zmęczeniowe; efekty atmosferyczne (zmiany temperatury i wilgotno- ści); przegrzania. Wystąpienie uszkodzeń powoduje obniżenie wła- ściwości wytrzymałościowych konstrukcji. Kompozyty stosowane w konstrukcjach lotniczych Kompozyty stosowane w lotnictwie w większości: CFRP (Carbon Fibre Reinforced Plastic) – kompozyt polimerowy o zbrojeniu węglowym i GFRP (glass fi- bre Reinforced Plastic) – kompozyt polimerowy o zbro- jeniu szklanym; – zbudowane są włókien węglowych/szklanych ze- spolonych za pomocą utwardzonej żywicy. W zależności od właściwości włókien i żywicy, kom- pozyt uzyskuje różne właściwości mechaniczne i ter- modynamiczne. Właściwości kompozytu nie są śred- nią arytmetyczną ani sumą właściwości jego składni- ków [7, 8]. Ostatnio coraz częściej w konstrukcjach lotniczych stosowane są również kompozyty FML (fibre metal La- minates) [9]. Przykładem takich konstrukcji są lamina- ty typu GLARE (gLass Aluminium REinforced). Są to laminaty składające się z warstw cienkiej blachy me- talowej i kompozytu polimer-włókno ceramiczne lub polimerowego. Laminaty takie charakteryzują się do- skonałymi właściwościami łącząc równocześnie wła- ściwości metalu i włóknistego kompozytu polimerowe- go. Taka kombinacja daje w rezultacie nową genera- cję materiałów hybrydowych o właściwościach pozwa- lających na hamowanie i blokowanie rozwoju pęknięć przy cyklicznym obciążeniu, bardzo dobrej charaktery- styce wytrzymałości na obciążenia i udarność oraz ni- skiej gęstości co wpływa na zmniejszenie masy kon- strukcji statków powietrznych. Na rysunku 1 przedstawiono przykład laminatu FML wytworzonego jako próbkę odniesienia do badań nie- niszczących. W laminacie wykonano uszkodzenia o charakterze wtrąceń ciał obcych za pomocą wkładek teflonowych o grubości 125 µm. Próbka została wyko- nana przez Wydział Inżynierii Materiałowej Politechni- ki Lubelskiej [10]. Rys. 1. Przykład lami- natu FML Fig. 1. fmL laminate example Kompozyt metal→ → 25Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Metody badań i diagnostyki kompozytów W chwili obecnej do badań materiałów kompozy- towych stosuje się metody: wizualną, ultradźwiękową, rezonansowe, optyczną (D-Sight), shearography, ter- mografię, radiografię, prądów wirowych oraz szereg metod hybrydowych. Każda z metod charakteryzuje się pewnymi ograniczeniami jak również możliwościa- mi diagnozowania struktur określonych typów. W arty- kule przedstawione zostanie podejście do diagnosty- ki metodą ultradźwiękową z wykorzystaniem techniki Phased Array oraz spektroskopii terahertzowej. Metoda ultradźwiękowa (Phased Array) Metoda ultradźwiękowa jest metodą pozwalają- cą na uzyskania najbardziej szczegółowych informa- cji o badanej strukturze. Wykorzystanie głowic wielo- przetwornikowych oraz funkcji modułów elektronicz- nych pozwala na zwiększenie możliwości diagnostycz- nych w szczególności w diagnostyce elementów wie- lowarstwowych. Poniżej przedstawiono wynik bada- nia elementu (próbki odniesienia) wykonanej z lamina- tu FML z uszkodzeniami w postaci wtrąceń ciał obcych umieszczonych na różnej głębokości i posiadających różny rozmiar. Dla potrzeb wyznaczenia rozmiaru uszkodzenia wy- korzystano następującą zależność opisującą iloraz sy- gnał/szum: gdzie: f(x,y)_S – średnia wartość sygnału (amplitudy) w obszarze uszkodzenia; f(x,y)_B – średnia wartość sygnału (amplitudy) w wo- kół obszaru uszkodzenia. Diagnostyka FML z wykorzystaniem metody ul- tradźwiękowej (w tym głowic wieloprzetwornikowych – Phased Array) jest jedną z najbardziej efektywnych metod. Wykorzystanie funkcji tzw. przetwarzania post- processing umożliwia charakteryzowanie poszczegól- nych warstw oraz zmianę warunków brzegowych po- miaru. Rysunek 2 przedstawia wyniki badań ultradźwię- kowych laminatu FML z wykorzystaniem pojedyn- czego czujnika oraz systemu Phased Array. Wyko- rzystanie pojedynczego czujnika nie pozwoliło wy- kryć wszystkich uszkodzeń. Przyczyną była szero- kopasmowa odpowiedź od poszczególnych warstw, a w szczególności echa od dna (mała wartość SNR) badanego elementu. Wykorzystanie Phased Array oraz metod przetwa- rzania sygnałów postprocessing w tym ogniskowania wiązki, pozwoliło wykryć wszystkie uszkodzenia [12, 13]. Co więcej technika Phased Array umożliwia dyna- miczne zobrazowanie struktury z wykorzystaniem zo- brazowania typu B-scan, co umożliwia tzw. szybki pod- gląd struktury. Na rysunku 2 (dla głowic wieloprzetwornikowych) przedstawiono uszkodzenia zlokalizowane przy dolnej krawędzi płytki. Wykorzystanie tzw. aktywnej bramki umożliwia wizualizację uszkodzeń położonych na róż- nych głębokościach. Najważniejsze informacje wynikające z badania przygotowanej próbki są następujące: – badanie elementów o grubości 0,5 mm powoduje szereg odbić sygnałowych wpływających na utrud- nioną detekcję uszkodzeń w szczególności tych po- łożonych głębiej. – istotnym czynnikiem wpływającym na wykrywal- ność jest odpowiedni dobór parametrów badania np.: częstotliwość powtórzeń, (uniknięcie efektów rezonansowych, odpowiednia rozdzielczość czaso- wa, efekty nieliniowe, likwidacja efektów dyfrakcyj- nych); – wykorzystanie funkcji składania danych (Data Com- pounding) i analiz post processing pozwala na okre- ślenie i wykrycie wszystkich uszkodzeń zaimple- mentowanych w badanej próbce – jednakże wyma- ga to wykorzystania odpowiednio przygotowanej jednostki pomiarowej; – oszacowana wartość błędu wyznaczenia pola po- wierzchni uszkodzenia wynosi ok. 1%. Rys. 2. Wyniki badań ultradźwiękowych laminatu FML: a) zobra- zowanie typu C dla pojedynczego przetwornika, b) zobrazowanie typu C (u góry) i typu B za pomocą systemu Phased Array (strzał- ka wskazuje na lokalizację uszkodzenia przy dolnej krawędzi la- minatu) Fig. 2. FML laminate ultrasonic test results: a) C type view for sin- gle transducer, b) C type view (up) and B-scan made with the use of Phased Array system (arrow shows the place of damage – near to bottom edge) a) b) → 26 Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Metoda spektroskopii Terahertzowej (THz) – TDS Fale terahercowe (THz) to ostatni niezagospoda- rowany dotąd przez człowieka zakres promieniowa- nia elektromagnetycznego. pasmo terahercowe obej- muje fale w przedziale 0,3÷10 THz (300÷10 000 GHz) i odpowiada długościom fal od 1 mm do 30 µm. Urzą- dzenia wykorzystujące technikę terahercową mają (i mogą mieć) bardzo szerokie zastosowania w róż- nych obszarach życia. Ze względu na niejonizacyj- ny charakter tego promieniowania, a co za tym idzie, brak szkodliwości jego oddziaływania na organizmy żywe może ono wyprzeć urządzenia rentgenowskie z wielu zastosowań. Jednym z wielu zastosowań terahercowego zakre- su promieniowania są nieniszczące badania materia- łów (odzież, skóra, tworzywa sztuczne), struktur oraz organizmów żywych, które zawierają niezbyt duże ilo- ści wody i nie są metalami. Jego mniejsza przenikli- wość pozwala badać materiały o mniejszej gęstości, z czym nie radziły sobie promienie X. W wyniku prze- świetlenia próbki otrzymywany jest obraz, który ukazu- je ukryte dla zwykłej optyki defekty struktury. Pozwa- la wykryć miejsca uszkodzeń różnych elementów np. w strukturach kompozytowych czy w urządzeniach półprzewodnikowych, a także wady lub choroby organizmów żywych. W odniesieniu do laminatów, pro- mieniowanie THz łatwo przenika poprzez większość materiałów polimerowych, także kolorowych i nieprze- nikalnych dla zakresu widzialnego i podczerwieni [11]. Jednakże wzmocnienia w postaci włókien szklanych, węglowych czy magnesium hydroxide wykazują więk- szą absorpcję. Ponadto włókna, których średnice są porównywalne z długościami fali THz (rzędu ułamków mm) ze względu na rozpraszanie posiadają większy kontrast w porównaniu do promieniowania podczerwo- nego, widzialnego i rentgenowskiego. W przedstawionej metodzie pomiarowej wykorzy- stywane będą propagujące się impulsy promieniowa- nia THz (podobnie jak w metodzie ultradźwiękowej), zarówno w trybie transmisyjnym jak i odbiciowym. Ich czasowe opóźnienia i echa dostarczają informacji nie tylko o grubości próbki i jej strukturze wewnętrznej ale także o jej warstwach, niejednorodnościach, rozwar- stwieniach czy porach powietrznych [12]. Opis techniki TDS i jej możliwości zostanie przed- stawiony na przykładzie spektrometru firmy Ekspla (rys. 3). Generującym i zarazem detekującym ele- mentem systemu jest antena dipolowa konstruowa- na na absorbującym promieniowanie laserowe bliskiej podczerwieni (ok. 800 nm) warstwie półprzewodzącej (GaAs) osadzonej na podłożu dielektrycznym. Warstwa półprzewodnika zostaje spolaryzowana napięciem ok. 50V przyłożonym do elektrod nanie- sionych na powierzchni półprzewodnika. Pomiędzy poszczególnymi elektrodami istnieje kilkumikronowa przerwa. Duża oporność półprzewodnika powoduje, że upływ prądu jest pomijalnie mały. Laserowy, silny impuls femtosekundowy zogniskowany na wyróżnio- nej przerwie między elektrodami powoduje generacje elektronów i dziur w obszarze półprzewodnika. Polary- zacja umożliwia zaś przepływ ładunków – elektronów i dziur do odpowiednich elektrod. Parametry mate- riałowe półprzewodnika są tak dobrane, że femto- sekundowy impuls laserowy (czas trwania impul- su < 150 fs) generuje impuls elektrycznyo teraherco- wej częstotliwości składowych widma impulsu. Pro- mieniowanie zebrane i ukierunkowane przez hemis- feryczną soczewkę tworzy użyteczny strumień THz. Wyżej opisany układ generuje ciąg impulsów tera- hercowych, których cykl odpowiada cyklowi pada- jących na antenę impulsów z lasera (ok. 80 MHz). Zakres częstotliwości wynosi 0,1÷ 3 THz, a moc ok. 10 µW. Jako detektor promieniowania teraherco- wego stosuje się identyczną antenę dipolową z czu- łym amperomierzem. Podobnie jak w generatorze femtosekundowy impuls laserowy generuje obszar ła- dunków między elektrodami. W czasie bardzo krót- kiego życia tych ładunków na detektor pada „wolny” impuls terahercowy, który powoduje przepływ prądu w antenie o kształcie i natężeniu proporcjonalnym do chwilowej wartości natężenia impulsu terahercowe- go, co jest mierzone czułym amperomierzem. Skanu- jąc położenie linii opóźniającej istnieje możliwość od- tworzenia na detektorze całego impulsu terahercowego. Rys. 3. Schemat systemu dla spektroskopii TDS (u góry) oraz gene- racja impulsu terahercowego z wykorzystaniem anteny fotoprzewo- dzącej (na dole) Fig. 3. The scheme of system for TDS spectroscopy (top) and the tera- hertz impulse generation with the use of photoconduction aerial (down) 27Przegląd sPawalnictwa 13/2011 w związku z tym systemy generacji i detekcji pracu- ją w jednym, zsynchronizowanym w czasie układzie optycznym (rys. 3). Widmo transmisyjne materiału ba- danego jest ilorazem dwóch widm – próbki badanej i bez próbki (odniesienie). Na rysunku 4 pokazano przebiegi czasowe odebranych impulsów teraherco- wych, ich charakterystyki widmowe po transformacji Fouriera oraz widmo transmisyjne dla próbki hekso- genu. Ze względu na duże tłumienie par wody, pomia- ry metodą TDS wykonuje się najczęściej w komorze z przedmuchem suchym powietrzem lub azotem. Opi- sana metoda TDS, ze względu na swoje właściwości, może by adoptowana do obrazowania struktury mate- riałów kompozytowych. W przypadku dużych próbek (rzędu kilku cm), próbka jest umieszczana w uchwycie sterowanym silnikami krokowymi. Interesujący skan całej próbki jest uzyskiwany metodą rastrową punkt po punkcie a wyspecjalizowane oprogramowanie tworzy Rys. 4. Przebiegi czasowe impulsów THz, ich transformaty Fouriera (FFT) oraz widmo transmisyjne próbki heksogenu. [IOE WAT pomiary własne] Fig. 4. The THz impulse time course, Fourier transform (FFT) and transmission spectrum of the hexogen sample [IOE WAT own measurements] Rys. 5. Wyniki z badania metodą spektroskopii THz Fig. 5. Results of THz spectroscopy test Podsumowanie Przedstawiono wybrane i rozwijane obecnie me- tody diagnostyki konstrukcji kompozytowych. Każ- da z stosowanych metod diagnostyki nieniszczą- cej ma swoje ograniczenia jak i możliwości zależne od badanego materiału jak i kształtu, grubości po- łączeń. W przypadku metody ultradźwiękowej ol- brzymie możliwości w diagnostyce kompozytów zo- stały rozwinięte dzięki możliwościom przetwarzania sygnałów w dziedzinie czasu, częstotliwości oraz obraz całej próbki (analogiczne do systemów skanują- cych np. metodą ultradźwiękową). Możliwe jest także poruszanie głowicą nadawczo- odbiorczą w przypadku pomiaru dużych powierzchni. Każdy piksel obrazu reprezentuje jedną wartość uzy- skaną z analizy impulsu terahercowego – może to być np. moc transmitowana w całym impulsie lub w pew- nym jego przedziale, wartość szczytowa impulsu czy też opóźnienie impulsu względem impulsu odniesie- nia [12]. Tak więc z jednego procesu skanowania moż- na uzyskać wiele dopełniających się obrazów teraher- cowych. Poniżej przedstawiono wyniki badań metodą spektroskopii THz laminatów wykonanych z GFRP. Wyniki przedstawione na rysunku 5 obejmują uszkodzenia o charakterze odklejeń i rozwarstwień. Materiał przygotowany do badań to próbki wykonane z włókien szklanych i przedstawiające poszycie stat- ków powietrznych. przetwarzaniu obrazów. Obecnie rozwijane są me- tody analizy poszczególnych warstw w strukturze kompozytowej, tzw. „ply staking sequence”. Metody te pozwalają na ocenę uszkodzeń znajdujących się w poszczególnych warstwach kompozytu. Jednym z alternatywnych i nowych podejść jest wy- korzystanie spektroskopii THz. Jednakże metoda ta na- dal w większości przypadków dotyczących konstrukcji lotniczych pozwala na badania jedynie laboratoryjne. 28 Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Literatura [1] Roach D., DiMambro J.: Enhanced Inspection Methods to Cha- racterize Bonded Joints: Moving Beyond Flaw Detection to Qu- antify Adhesive Strength, Air Transport Association Nonde- structive Testing Forum, Forth Worth (USA) 17-19.10.2006. [2] Roach D., Nikhilesh A., Composite Structure Utilization – Com- mercial Airplanes, SAE International 05AMT-51, 2005. [3] NDE of Hidden Corrosion, report NTIAC, Austin TX, 1998. [4] Aging of U.S. Air Force Aircraft, final report, Washington D.C. 1997. [5] Composite Qualification Criteria, 51st Annual Forum of the American Helicopter Society, Forth Worth, TX, May. [6] Baza wiedzy o strukturach kompozytowych: www.netcomposites.com. [7] Abaris Training Resources: Advanced Composite Structures: Fabrication and Damage Repair, Copyright, 1998. [8] Kapuściński J., Puciłowski K., Wojciechowski S.: Kompozyty, podstawy projektowania i wytwarzania, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1993. [9] Surowska B.: Materiały Funkcjonalne i Złożone W Transporcie Lotniczym, Eksploatacja i Niezawodność, nr 3/2008, s. 30-39. [10] K. Dragan, J. Bieniaś, P. Synaszko, M. Sałaciński, Problematy- ka badania kompozytów typu FML w konstrukcjach lotniczych, strony 130-135, Czasopismo naukowe Polskiego Towarzystwa Materiałów Kompozytowych, nr 2/2011, ISSN: 1641-8611. [11] Rutz F. et al.: Non-Destructive Testing of Glass-Fibre Reinfor- ced Polymers using Terahertz Spectroscopy, ECNDT 2006. [12] Yun-Shik Lee: Principles of Terahertz Science and Technology, Springer, 2009. przeglad Welding Technology Review Redakcja Przegląd spawalnictwa, ul. Świętokrzyska 14a, 00-050 warszawa,  tel.: 22 827 25 42, fax: 22 336 14 79; e-mail: pspaw@ps.pl, www.pspaw.ps.pl