Эффективный способ теплового неразрушающего контроля композитов для авиакосмической промышленности разработали специалисты Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности Томского политехнического университета (ТПУ), 16 апреля сообщает пресс-служба вуза.

Для исключения влияния теплового шума от шероховатости поверхности в процессе поиска дефектов в структуре деталей из углепластика или стеклопластика ученые применили принудительное охлаждение в сочетании с основным импульсом нагрева.

Результаты, полученные при исследовании нового метода, авторы разработки представили в статье «Обнаружение дефектов в композитах с использованием комбинированного нагрева и охлаждения: теория и эксперименты», опубликованной в Journal of Nondestructive Evaluation (Q2; IF: 2,5). На основе этих результатов ученые ведут разработку портативного дефектоскопа для контроля структуры композиционного материала деталей авиакосмической техники.

В настоящее время процедура теплового неразрушающего контроля заключается в том, что поверхность контролируемого объекта подвергалась краткому нагреву с последующей регистрацией с помощью тепловизора ее температуры при остывании.

Однако шероховатость и неравномерная излучательная способность поверхности полимерных композитов создает для такого теплового контроля ряд сложностей. При нагреве такого материала, например, оптическим источником, его температура будет неравномерно меняться во времени, что создает тепловые помехи, на фоне которых может «потеряться» температурный сигнал от внутреннего дефекта.

Новый способ контроля ученых Томского политеха основан на последовательном нагреве и охлаждении поверхности материала. Для выбора оптимальных параметров этого процесса исследователи сначала разработали его математическую модель, после чего провели эксперименты с применением метода линейного сканирования.

Исследуемыми образцами послужили многослойная пластина из оргстекла, окрашенная черной матовой краской для обеспечения низкого уровня тепловых помех с ее поверхности, а также изделие из углепластика с сильно шероховатой поверхностью. Причем образцы имели внутренние скрытые дефекты.

В процессе эксперимента поверхности образцов сначала нагревали галогенной лампой, а затем охлаждали и проводили регистрацию температурного поля. Полученные тепловые изображения анализировались.

При этом было обнаружено интересное явление: принудительное охлаждение приводило к снижению температуры поверхности до состояния, предшествующего нагреву, в то время как внутренняя структура еще «отдавала» тепло, и скрытые дефекты всё еще производили значительные температурные сигналы.

Причем величина температурного контраста — отношение температурного сигнала к температуре в бездефектной зоне — в этом эксперименте существенно увеличивается, и температурные отметки дефектов видны лучше, указал старший научный сотрудник Центра промышленной томографии ТПУ Арсений Чулков.

Кроме повышения вероятности обнаружения внутренних дефектов, комбинированная процедура нагрева и принудительного охлаждения, в отличие от обычной процедуры теплового контроля, не требует высокого нагрева контролируемого материала для обеспечения устойчивых сигналов в дефектных зонах.

В настоящий момент специалисты ТПУ разрабатывают прототип портативного дефектоскопа, использующего новый метод контроля. Его особенностью станет то, что им можно будет выявлять дефекты в оптически прозрачных и полупрозрачных композитах, поскольку в нем будет использован не оптический, а конвективный источник нагрева и охлаждения.

«Излучение в оптическом диапазоне, проходя сквозь прозрачный материал, слабо его нагревает. Для теплового контроля необходимо, чтобы энергия нагрева поглощалась материалом. Воздушная система нагрева и охлаждения позволит решить эту проблему. Также в дефектоскопе планируется реализовать комбинирование сканирующего теплового контроля и классического ультразвукового метода неразрушающего контроля. Это даст возможность идентифицировать дефекты в широком диапазоне глубин», — отмечает Арсений Чулков.

Ученые ТПУ намерены создать устройство, способное обнаруживать дефекты в изделиях с горизонтальной и вертикальной ориентацией структуры, а также в изделиях с криволинейной поверхностью. И его опытный образец, по их планам, будет готов к концу 2024 года.