喷管扩散段无损检测(NDT)方案

由美国宇航局航空航天信息中心（CASI）制作

提供项目支持，以协助质量保证，编写计划并对无损检测方法进行评估，以评估其在确定正在考虑用于喷管扩散段的纤维增强石墨复合材料质量方面的适用性。

NERVA喷管扩散段件的无损检测计划是根据CY 71-72合同期的工作说明在项目261-质量保证，后缀f-工程，第13项下的指示制定的。该计划的最终目标是定义纤维状石墨的全尺寸喷管扩散段的 NDT 检测技术。然而，近期目标是将现有技术应用于六个 Intremold III 圆柱段，三个螺旋缠绕和三个正交缠绕。除此之外，在圆柱段测试结果出来之前，该计划必须在很大程度上保持大纲形式。然而，持续的无损检测开发活动与预定的项目工程工作同时进行，以便在最终构建 全尺寸喷管扩散段时，评估的无损检测技术将可用。

在定义最终检测系统时，不太可能发现任何全新的无损检测技术。现有技术也不太可能在没有实验的情况下应用。射线照相是唯一可以直接应用于新物品的检查。射线照相术存在局限性，因此几乎可以肯定它不能单独满足要求1。因此，假设燃烧室检查的结果将揭示开发工作的必要性。这是从处理类似材料的已发表研究结果中推断出来的。

一 任务摘要

该时间表规定了检查六个 Intremold 圆柱段所需的立即工作、将在并行中与项目工程工作一起进行的连续任务以及预计的未来工作。

工作大纲如下:
1. 内部筒段的检查
a.酒精渗透剂
b.X射线
c.涡流
d.超声
e.热导
f.中子射线照相
2. 全尺寸喷管扩散段无损检测计划
a.能力调查
(1)文献检索
(2)行业调查
b.试验后圆柱体试样材料的实验研究
c.缺陷表征
d.含有诱导缺陷的试样试验
e.全尺寸喷管扩散段试验

f.编制喷管扩散段无损检测计划
(1)检验技术
(2)检查设备
(3)规范的制定

二 任务讨论

A.对已完成的钢圆柱体进行无损检测

使用现有的设备和技术对钢圆锥体进行检查。所有组件将使用酒精渗透、CT、超声波和涡流技术进行检查。一个钢瓶将进行热无损检测，另一个将进行中子射线照相检查。表1 总结了要执行的检查。

在钢瓶无损检测结束后，将进行分析，以确定大约需要开发多少评估技术。

1. X光

将进行正常和切向曝光。切向暴露对于全尺寸喷管扩散段应用是不可取的，因为需要大量的可接受的区域覆盖，但这种暴露可以与提供100%区域覆盖的免费技术结合使用。因此，有必要对材料的切向x光片的外观有一个概念。

正常的x线照相机提供了可接受的区域覆盖，尽管一个小圆柱体不允许真正的正常的大区域的x线照相机。对整个圆柱体进行真正的正常曝光是可能的，但要求光源在圆柱体内部，因此光源到胶片的距离很小，这是分辨率的不利条件。

2. 涡流

再铸圆柱材料属于电流不良导体的一般范畴。此外，它们的电导率不均匀且各向异性。后一对属性允许在纤维增强检测各种形式的不对准。这是通过使用具有不对称场的探针来完成的，并且已经成功地用于晶粒取向和纤维碳材料。还可以检测到树脂导电性的变化，以及一些裂缝。涡流法在区分各种类型的缺陷方面存在一定的困难。

3. 超声波

传统的超声波技术，脉冲回波和透射，将被用来检查气缸。接触法和浸入法均可使用，但后者是首选方法，因为可以提供c扫描记录。更复杂的技术将不会在这个时候应用，虽然他们将在后面详细考虑。预期的问题与Intremold III材料的正常结构引起的光束散射有关。这就需要使用相对较低的频率来克服衰减，而衰减随后会导致分辨率的损失。细孔隙度也可能难以检测。

4. 酒精渗透剂

酒精渗透检测通常用于检测塑料喷管材料的表面缺陷。该测试是通过简单地将酒精涂抹在组件表面一段受控的时间内，并在材料蒸发时观察表面是否有湿线来完成的。湿线表示存在缺陷。

5. 中子射线照相术

中子射线照相术在技术上与 X 射线照相术相似，因为中子束被引导穿过物体，在那里它被目标部分吸收，而其中一些穿过某种薄膜。中子比X射线更容易穿透许多材料。然而，预计Intremold III材料上的中子穿透力较差，而X射线穿透力应该很好。

6. 热导

热技术已经证明能够定位复合材料中的缺陷，类似于Intremold III的缺陷。该技术的应用将通过在旋转圆柱体的同时局部加热圆柱体并用红外辐射计测量表面温度来实现。材料内部的缺陷会破坏热流模式，从而导致表面温度的变化。温差将通过 x-y 记录器绘制。

B 喷管全尺寸扩散段无损检测计划

1. 能力调查

这项工作将分两部分进行：（1）文献搜索和（2）行业调查，并将在整个喷管扩散段开发计划中作为一项持续的监测活动。可用文献检索-sources-11=被 nti1ized。除特别需要的参考资料外，搜寻者通常仅限于过去五年。将咨询 NDT 设备制造商，并审查使用与该计划类似的材料的程序。能力调查的结果将决定评估和开发技术的最终选择。

2.实验研究

在这项活动中，将对无损检测具有重要意义的材料特性进行测量。这些包括声速、声音散射、电导率的变化和热特性。由于在实验室条件下测量的特性并不总是反映无损检测仪器在检测条件下的响应，因此应尽可能模拟正常的测试环境。来自圆柱体的样品将用于这些实验。

3.缺陷表征

根据断裂力学、应力分析和可靠性数据，从可靠性和无损检测的角度对预计会造成麻烦的缺陷进行表征。这两个观点将进行整合，以确保最终的可靠性分析是根据可以在实践中衡量的变量来制定的。

4.使用含有诱导缺陷的试样进行测试

这些测试将确定已知缺陷之间的关系，这些缺陷将需要被捏造。这里的问题是诱发与实际缺陷相似的性质和程度的缺陷。这项任务将建立用于全尺寸喷管扩散段的无损检测方法。

5.喷管扩散段的全尺寸段测试

将制造喷管扩散段的全尺寸段，以用于每种候选技术的应用。这项任务将通过实验确定在实践中可以从无损检测中预期的灵敏度和分辨率。它还将为规划检查程序、报告和记录提供必要的数据。

在制造过程中也可以应用无损检测，以控制特定变量并防止不可接受材料的积累。在此过程中，将确定无损检测可能有用的点，以便在构建全尺寸段期间应用所选技术。

三、无损检测的最终计划和今后的工作

1.最终无损检测计划

根据先前任务的结果，将定义生产型喷管扩散段的无损检测计划。计划将包括检查程序规范，包括系统中每种技术的校准和控制条件以及所需的设备。

2.今后的工作

1.无损检测系统的可靠性

将与项目工程、断裂力学和可靠性组织一起开发一个程序，以展示为全尺寸喷管扩散段检查选择的技术的综合成功概率。

2.材料变化

随着喷管演变为最终形式，制造、设计和验收标准很可能会发生变化。对于每一次变化，都必须确定如果无损检测技术更严格，它们是否可以按照新标准进行检查，或者如果它们不那么严格，是否可以采用更快、更经济的方法。

四 无损检测技术探讨

有几种技术可以被视为检查喷管扩散段材料的候选技术。然而，最有希望的可能可以在选择的检查极值圆柱体的方法的许多变体中找到。此外，无损检测的应用不必局限于探伤。例如，射线照相术已成功用于测量碳/石墨复合材料的密度变化，而同样，超声波已被应用于检测模量变化。其中一些方法将在程序的后面部分进行考虑。在此对正在考虑的一些技术进行了描述。

渗透剂

渗透剂用于发现表面缺陷，或与表面有开口的内部缺陷。它们通常由表面张力和粘度非常低的液体组成，很容易渗透到缺陷中。使用染料和显影剂的渗透剂通常仅限于无孔材料。将渗透剂涂在表面上，去除多余的渗透剂，然后涂上显影剂以抽出剩余的渗透剂，从而指示检测者的位置。

使用酒精作为渗透剂的类似技术通常用于塑料部件。在这里，渗透剂（酒精）再次涂在表面上，但没有使用显影剂。取而代之的是，当渗透剂蒸发时，会观察表面是否有湿线（表明存在缺陷）。

还有另一种渗透技术，使用放射性气体，如氪。据报道，由于其原子尺寸小，氪气可以扩散成非常细小的表面缺陷。“发射的辐射可以直接使用辐射计数器读取，也可以通过进行接触式X射线打印来读取。

热技术

无损检测中使用了几种热测试。它们通常被称为红外检查，尽管这对它们来说并不是一个特别好的名字，因为红外辐射实际上并不参与与缺陷的任何相互作用。这些方法实际上涉及检测热导率的变化。它们分为两类：稳态映射和飞点映射。在前一种情况下，建立了通过零件的稳态热流模式。这种模式被缺陷打乱了。被检测物品表面的热图显示了这些干扰。巴氏涂片通常是通过用热光器件覆盖表面来制成的。胶片，例如某些液晶，或通过用红外辐射计扫描，或用红外摄像机扫描。在飞点技术中，来自加热灯的光束聚焦在物品表面。该点在表面上进行扫描。温度测量设备，如红外热像仪或辐射计，用于监测移动热点的 热 尾流。当热导率发生变化时，尾流的形状会发生变化。设置这些热测试的困难在于试件的热调节。此外，使用红外传感器的方法，表面发射率的变化会产生类似于缺陷的迹象。

非胶片射线照相

胶片不是特别灵敏的 X 射线和γ射线探测器，尽管它具有出色的分辨率和区域覆盖范围。灵敏度的缺乏是由于其相对较低的面积密度：它没有太多的质量来吸收辐射。

碘化钠闪烁探测器等探测器要好得多。为了使用这种探测器，相当强的 X 射线束或γ射线通过铅屏蔽进行精细准直。这种非常窄的光束穿过被检测的物品并撞击检测器的中心。

由于探测器的质量大，效率可以比用于薄膜的效率高得多。探测器没有分辨率，所有分辨率都由光束定义提供。闪烁探测器测量的计数率将随着光束穿过的材料总量而变化。低密度区域会导致数量增加率。虽然这种类型的系统比胶片更敏感，但它的速度较慢，使用合适的录像机可以产生传真图片。该操作非常适合检查锥体和柱体，但存在速度和辐射屏蔽问题。通过使用更小的光束来提高分辨率，通过降低速度或增加光源强度来提高灵敏度。这种方法对厚度变化也很敏感。

Aerojet对POLARIS第一级推进剂颗粒和POLARIS喷管喉坯的银渗透钨进行了类似的检查。这两项检查都使用了非常昂贵的固定装置。喷管扩散段比POLARIS颗粒小，比烧结钨坯密度小，以这种方式进行检测不会那么昂贵。

特殊超声波技术

超声波检测通常被理解为脉冲回波器 脉冲贯通传输技术。在前者中，人们依赖于一个缺陷，该缺陷或多或少地以镜像方式将声音脉冲反射到接收器或可能返回到发射器。返回脉冲的延迟时间给出了缺陷的深度。在直通传输中，人们将接收脉冲的损失视为发送者和接收者之间存在缺陷的证据，并且没有缺陷深度指示。这两种方法主要用于裂纹、空隙、分层或孔隙率。

为了获得良好的脉冲回波深度分辨率，需要高频和短而尖锐的脉冲（大带宽）。对于小缺陷，希望波长小于缺陷。另一方面，吸收通常随着频率的增加而增加，因此良好的穿透力需要低频（长波长）。此外，更灵敏的电子设备可用于窄带设备，而短而尖锐的脉冲则需要宽带电子设备。

因此可以看出，在某些情况下，熟悉的方法受到限制。最坏的情况之一是材料的正常结构具有宏观不均匀性。更糟糕的是，不均匀性的范围从与缺陷相同的大小到小一个小一个数量级，再加上相当高的衰减。也许最糟糕的是有一个模量的矩阵，其中包含另一个模量的高度定向包含物。在这些条件下，脉冲波束会在材料中严重散射，衰减和波速都会。随频率而变化。在人们希望用于检测的频率上，问题会更加严重，因为速度和吸收的频率依赖性使得在材料的任何距离内都难以传输短而尖锐的脉冲。然而，在实验室中，可以测量对超声波束的所有这些影响，并且可以对材料有很大了解。如果材料以某种方式散射声音，则散射模式的任何变化都表明散射不连续性或多或少比应有的严重。高度取向的夹杂物，如平行纤维，在散射中应显示出方向性。散射的变化可能表明方向错误。

涡流的定向电导率

更熟悉的涡流测试使用螺线管作为探头，其轴线垂直于表面。这在试件中感应出涡流回路，涡流回路在表面上是探头周围的同心环。这对于定位垂直于表面的浅裂纹非常有利，这是该技术最常见的用途。当在Inturemold等材料上使用这种类型的探针时，会感应出电流环路深入到材料中。裂纹敏感性远不如金属那么好，但在规则形状的零件上，可以测量电导率（在一定体积内的平均）。

探头线圈也可以绕组，使感应涡流回路主要在一个方向上。在树脂基体中含有碳纤维的材料上，当电流线主要平行于纤维时，可以测量更高的电导率。两个探头可以组合在桥式和差分电路中。

这些方法已经取得了一些成功。问题是结果不容易解释。很多时候，有必要将涡流检测记录与破坏性或性能测试结果进行比较，以确定什么构成了缺陷指示。

用于此类测试的设备由一些相对适中的电子设备、记录系统、转盘和探针线圈组成。有了与转盘和探头相连的良好记录设备，运动的发展很大程度上是发现如何缠绕线圈的问题。这可能很耗时，但并不是特别昂贵。