Ультразвук, вибрации и тепло объединят ученые для поиска дефектов в авиационных материалах

Композитные, то есть многокомпонентные, материалы получили широкое распространение именно в авиационной промышленности и автомобилестроении, так как по своим качественным характеристикам они не уступают металлам, но при этом гораздо легче. Но как раз за счет многокомпонентности качество таких материалов сложнее контролировать. В материале могут быть скрыты совсем небольшие дефекты — расслоения, трещины, ударные повреждения. Размер их составляет всего несколько миллиметров. Эксплуатация изделий с такими дефектами, например, в авиации может закончиться катастрофой.

«Каждый год появляются все новые композитные материалы, и они бросают вызов методам неразрушающего контроля. Особую сложность и важность представляют стыки между материалами», — говорит руководитель проекта, младший научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Дарья Дерусова.

Сегодня на производстве широко применяются классический ультразвуковой метод контроля и рентген.

«Последний самый точный, но им нельзя контролировать крупногабаритные объекты, каких в авиации много. А ультразвуковые установки затрачивают киловатты электроэнергии для стимуляции материалов моночастотным акустическим сигналом. Самым перспективным современным методом нам видится лазерная виброметрия в сочетании с резонансной стимуляцией дефектов. Такой подход позволяет активировать локальные резонансные вибрации в области повреждений, что также приводит к существенному увеличению температуры в этой зоне. Инфракрасная камера в свою очередь позволит зарегистрировать изменения температуры и дополнить информацию о качестве изделия.

В результате мы рассчитываем создать лабораторную установку, которая позволит контролировать большие и сложные по форме объекты. При этом она будет потреблять в разы меньше электроэнергии, чем мощные ультразвуковые установки.

Разрабатываемый подход будет альтернативой существующим методам неразрушающего контроля авиационной и машиностроительной отрасли», — говорит молодой ученый.

Установка объединит такие элементы: резонансная ультразвуковая стимуляция с использованием пьезоэлектрических преобразователей, сканирующий лазерный Допплеровский виброметр и инфракрасная камера со специализированным программным обеспечением. 

«Суть системы заключается в том, что объект контроля — материал — подвергается акустической стимуляции в широком диапазоне частот. Упругая волна создает вибрации как самого материала, так и его неоднородностей. Резонансная частота вибраций стенок дефектов отличается от резонансных частот объекта, — что может быть обнаружено с помощью сканирующего виброметра. Кроме того, из-за интенсивных резонансных вибраций дефектные области локально нагреваются. Эти изменения температуры на поверхности объектов мы регистрируем с помощью инфракрасной камеры. Данные контроля качества позволяют выявить сам дефект, его расположение, форму и размер», — поясняет Дарья Дерусова.

В рамках проекта политехники сотрудничают с коллегами из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Лаборатория контроля качества материалов и конструкций). А образцы материалов для отработки предложенных технологий политехникам предоставляет Сибирский научно-исследовательский институт авиации имени С. А. Чаплыгина (СибНИА, Новосибирск), Университета Л'Акуила (Италия) и Symbiosis Institute of Technology (Индия). Кстати, сейчас в СибНИА разрабатывают новый самолет, модель состоит целиком из композиционных материалов. Для контроля качества этих материалов ученые ТПУ создали тепловой дефектоскоп.

В результате сотрудничества с итальянскими учеными был создан новый прочный композит на основе полимерных и льняных волокон.