工業CT在噴管擴散段絕熱層無損檢測中的應用

張翠翠 潘 蘭 陳 曦 宋錦奪 俱可超

工業CT在噴管擴散段絕熱層無損檢測中的應用

張翠翠 潘 蘭 陳 曦 宋錦奪 俱可超

（西安航天復合材料研究所，西安 710025）

針對火箭發動機噴管擴散段絕熱層的常見缺陷和工業CT技術特點，采用工業CT技術對其質量進行了檢測分析，結果表明：工業CT技術對提高制品質量和改進制品工藝有指導性的意義，在三維重建后更高層面上保證了產品質量，為火箭發動機正常工作提供了強有力的保障手段。

噴管擴散段；絕熱層；工業CT；三維重建

1 引言

擴散段絕熱層具有可靠性高、生產周期短、成本低等優點，在國內外被廣泛應用于高性能固體火箭發動機噴管推力和能量轉換效率的關鍵部件上[1，2]。目前國內大多數噴管擴散段絕熱層由碳布/酚醛和高硅氧/酚醛復合纏繞材料構成，整個擴散段是平行于軸線方向布帶重疊纏繞成型的二維層合結構形式，受其工藝特點的限制，碳布/酚醛與高硅氧/酚醛層之間的結合界面容易產生薄弱環節，如：裂紋、分層、氣泡、疏松、樹脂積聚、厚度與設計要求不符等缺陷，這些缺陷的存在容易造成噴管燒蝕不均勻，并影響固體火箭發動機內彈道的性能[3]，但是噴管擴散段絕熱層服役中必須要求承受高壓、高溫和高速燃氣的作用，并且能夠在幾秒或幾十秒的工作時間內，保證發動機安全可靠地工作。因此，對擴散段絕熱層的性能要求極為苛刻，用工業CT檢測技術進一步嚴格控制其生產和加工過程的質量非常必要。

2 噴管擴散段絕熱層工業CT檢測現狀

工業CT檢測被譽為當今最佳無損檢測和無損評估技術，能在對檢測物體無損傷的情況下，采用密度差異，即把不同密度的被檢測物體對穿透射線（X射線）的衰減系數換算成物質的CT值，然后以二維灰度圖像的形式將物體內部的結構、組成、密度變化等清晰、準確、直觀地顯示出來，解決了一些關鍵性的無損檢測技術難題，取得了較好的經濟效益與社會效益[4]。國內專家趙付寶等[5]、李金鹿等[6]對噴管擴散段絕熱層進行了工業CT檢測，結果都證明了工業CT對于此類產品缺陷具有很高的檢出效率。隨著工業CT三維重建技術的成熟，工業CT不僅可以獲得與膠片相媲美的斷層圖像數據，而且配合三維軟件后可以對產品內部結構進行全面、詳細地分析。歐美著名的ARACOR、BIR等公司已針對固體火箭發動機實際檢測需求運用三維重建進行了無損檢測[7]，檢測效果較好。基于工業CT的以上優點，本文采用工業CT對噴管擴散段絕熱層進行檢測分析，并對一些小型噴管擴散段絕熱層缺陷區域進行了三維重建以及全面展示。

3 工業CT在噴管擴散段絕熱層無損檢測中的應用

3.1 檢測設備技術指標

空間分辨率：5lp/mm；密度分辨率：0.3%；射線機管電壓：430kV；射線機管電流：3.4mA；射線機焦點尺寸：0.4mm；探測器：線陣列探測器和面陣列平板探測器。

3.2 檢測應用

3.2.1 工業CT在噴管擴散段絕熱層缺陷檢測分析中的應用

工業CT圖像充分再現了材料的組分及密度特性，適合于噴管擴散段絕熱層中多種類型缺陷的檢測，如裂紋、分層、氣泡、疏松、厚度不符等缺陷。有效的缺陷檢測，不僅提高了噴管擴散段絕熱層的使用可靠性，而且為擴散段絕熱層結構設計提供了更多的選擇機會，使得工業CT檢測和制造工藝相結合，及時發現出現缺陷的工序，便于改進工藝，縮短研制周期，降低成本。

圖1為擴散段絕熱層氣孔圖片，從圖中可以看出氣孔呈圓形缺陷，氣孔處影像灰度一致，與空氣密度接近，輪廓光滑，有明顯的邊界。通過工業CT軟件可以測量出該氣孔缺陷距離產品小端端面20mm，距內型面7mm，直徑為1.8mm，缺陷處CT值最小值為0.01082，平均CT值為0.01737。根據CT值和物理密度之間的對應關系，計算得出密度降值為37.7%，超出設計提出的20%的要求，不符合檢測標準。結合產品的生產工藝分析，此氣孔主要出現在制造過程中，是由于碳布浸泡樹脂不完全或者樹脂固化時的化學反應產生揮發物等形成的，樹脂中游離酚含量、膠帶中揮發份含量和固化壓力工藝都會影響氣孔的含量。

圖1 氣孔圖片和氣孔處密度降圖片

圖2為擴散段絕熱層分層圖片，從圖中可以看出層間嚴重開裂，線狀影像比較規則，呈弧線狀，層間密度均勻，低于基材密度。通過工業CT軟件可以測量出該分層缺陷距離產品小端端面40mm，距內型面23mm，長度為79.6mm，角度為82.025°，此分層在檢測圖像中占比較大，缺陷處CT值最小值為0.02610，平均CT值為0.05031，通過計算得出密度降值為48.1%，屬于嚴重缺陷。結合產品的生產工藝分析，分層最根本的原因是粘接力不足，基體內部或基體與纖維之間的粘接性能不足導致的。這種缺陷在擴散段絕熱層中占比較大，其中以空腔型或者界面脫開型最為嚴重，對噴管擴散段絕熱層質量影響也相對較大，也是纏繞工藝中的主要難題之一。一般針對分層較嚴重的產品，需要在缺陷中間進行軸向檢測。

圖2 分層角度測量圖片和分層處密度降圖片

圖3為圖2的軸向檢測圖片，圖中明顯看出缺陷處平均灰度較周圍區域的平均灰度低，形狀為線狀，中間寬兩端細，符合裂紋缺陷特征。通過工業CT軟件可以測量出該裂紋缺陷長度為31.7mm，經計算得出密度降與圖2密度降值相當。該裂紋從產品小端端面開始貫穿于產品小端，屬于內部裂紋。結合工藝分析得出，其為產品端面受內部應力與機械加工時應力共同作用產生的。

圖3 裂紋圖片

在噴管擴散段絕熱層中，測量其結構尺寸為其質量控制中的重要內容，特別是在燒蝕后其他檢測方式難以實現準確測量的情況下，工業CT技術在保證圖像質量的情況下，可以實現快速、準確、有效、全面的尺寸分析和測量。圖4為燒蝕后擴散段絕熱層CT檢測圖，從圖中可以精確測量燒蝕后擴散段絕熱層嚴重處每個點的碳層厚度等。從圖中可以看出，噴管燒蝕嚴重區域比對稱碳層薄9mm，從而為噴管擴散段絕熱層的熱防護提供理論依據，為改進工藝提供有力的數據支持。

圖4 燒蝕后擴散段絕熱層切層圖像

3.2.2 工業CT三維重建在噴管擴散段絕熱層中應用

圖5是工業CT采取一次圓周掃描獲取720幅投影圖像（0.5°采集一次），經過三維重建獲取的三維斷層圖像（精確到每層間隔0.2mm，共計200層），并通過三維可視化分析軟件構造的三維立體圖。從圖中、、三個不同方向剖切圖不僅可以看出環向橫截面的缺陷信息，而且可以看出徑向方向缺陷延伸程度，不用剖切，便可清晰地觀察任意截面的內部結構，并能通過三維測量軟件對其進行全方位測量，很大限度地排除和避免漏檢產品的可能。從方向角度測量圖可以明顯地看到擴散段內型面于軸線之間的角度，通過三維軟件對角度等的測量，實現與設計值之間比對，從而判斷產品是否符合設計要求和裝配條件，更高層次地保證了噴管擴散段絕熱層質量。

圖5 X、Y、Z三個不同方向剖切圖和Y方向角度測量圖

4 結束語

以上檢測結果表明：a.工業CT密度分辨率較高，可以準確檢測出噴管擴散段絕熱層中的裂紋、分層、氣孔、疏松等缺陷，能及時總結缺陷產生的原因，有針對性地進行預防與控制，起到提高產品質量的目的。b.工業CT可以針對噴管擴散段絕熱層內部結構等進行定量分析，能夠精確地測定產品幾何尺寸并且進行表征，為噴管擴散段絕熱層的質量判定提供量化的依據，同時也為改進工藝提供有力的數據支持。c.工業CT經過三維重建后可對產品進行全面的三維顯示和測量，有助于檢測人員對失效產品從產品的結構、角度等多方面進行分析，快速改進產品的工藝及質量。

在后續的工作中，還將進一步擴展、完善工業CT三維重建技術的應用功能，更高層次的保證噴管擴散段絕熱層質量。

1 世界導彈與航天發動機大全中國航天工業總公司編輯委員會. 世界導彈與航天發動機大全[M]. 北京：軍事科學出版社，1999

2 邱哲明，陳明義，楊傳榮，等. 固體火箭發動機材料與工藝[M]. 北京：宇航出版社，1995

3 楊長紅. 布帶纏繞制品缺陷分析及修補工藝技術研究[D]. 西安：西北工業大學，2006

4 吳東流，郭偉明. 復合材料計算機層析照相檢測及應用[J]. 無損檢測，2002，24(4)：136～143

5 趙付寶，王從科，張霞，等. 工業CT在樹脂基復合材料缺陷檢測中的應用[J]. 工程塑料應用，2013，41(11)：96～98

6 李金鹿，王從科，柴娟，等. 工業CT技術檢測噴管擴散段絕熱層坯料的缺陷[J]. 工程塑料應用，2011，39(1)：64～67

7 Gonzalez R C, Woods R E.Digital image processing[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2003

Application of Industrial CT in Quality Detection of Nozzle Divergence Cone Insulation

Zhang Cuicui Pan Lan Chen Xi Song Jinduo Ju Kechao

(Xi’an Aerospace Composite Materials Research Institute, Xi’an 710025)

Based on technical properties of industrial CT technology and the common defects of nozzle divergence cone insulation for the rocket motor, the quality of nozzle divergence cone insulation was investigated in this paper. The results showed that industrial CT had instructive significance in improving the quality of the nozzle divergence cone insulation and optimizing the corresponding preparation technology. Especially, the technology of 3-D reconstruction, which provides powerful support for the normal operation of the rocket motor, has better effect in product quality guarantee.

nozzle divergent cone；heat insularting layer；industrial CT；3-D reconstruction

張翠翠（1983），工程師，復合材料與工程專業；研究方向：復合材料無損檢測工業CT檢測。

2019-12-12