一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，属于复合材料无损检测领域。该方法首先利用断铅信号幅值确定碳化硅纤维断裂信号幅值范围，然后根据质心频率不同在待选信号中排除基体变形产生的高幅值信号；根据纤维断裂信号到达声发射传感器时间不同使用相对位置定位法确定纤维断裂位置。该方法可以适用于多种实验条件下检测纤维断裂，不受声发射传感器布置距离和实验环境的影响。本发明专利技术能够正确识别钛基复合材料纤维断裂信号和定位纤维断裂位置，具有实时动态监测、灵敏度高等特点，对保障碳化硅纤维增强钛基复合材料服役安全有重要意义。

A fracture detection method for silicon carbide fiber reinforced titanium matrix composites based on Acoustic Emission Technology

The invention discloses a fracture detection method of silicon carbide fiber reinforced titanium matrix composite fiber based on acoustic emission technology, which belongs to the field of nondestructive testing of composite materials. In this method, the amplitude range of the fracture signal of SiC fiber is determined by the amplitude of the broken lead signal, and the high amplitude signal is eliminated in the selected signal according to the difference of the centroid frequency. The fiber fracture location is determined by the relative position positioning method using the fiber breaking signal to the acoustic emission sensor. The method can be applied to detect fiber breakage under various experimental conditions, and is not affected by the distance of acoustic emission sensor and the experimental environment. The invention can correctly identify the fracture signal of the titanium matrix composite fiber and the location of the fiber fracture. It has the characteristics of real-time dynamic monitoring and high sensitivity, which is of great significance for ensuring the safety of the SiC fiber reinforced titanium matrix composite.

【技术实现步骤摘要】
一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法
本专利技术涉及复合材料无损检测
，具体涉及一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法。
技术介绍
碳化硅纤维增强钛基复合材料(TMCs)具有高比强度、高比模量和良好的疲劳与蠕变性能，已经成为新一代高推重比航空发动机的关键材料之一，用其制备的低压涡轮轴、整体叶环、飞行器翼片等部分部件已经获得应用，该材料在航空航天领域具有非常广阔的应用前景。TMCs的承载损伤模式主要有SiC纤维断裂、界面反应层开裂、纤维基体界面脱粘、基体裂纹等，其中纤维断裂是TMCs发生严重损伤的标志，因此检测纤维发生断裂并确定纤维断裂位置对于TMCs结构件的安全可靠服役意义重大。目前TMCs无损检测手段有X射线探伤、工业CT和超声检测等，上述检测手段主要用于检测毫米以上的制造缺陷和承载损伤缺陷，受分辨率限制，对于构件内部少量SiC纤维断裂的检测技术难度较大，对于承载过程中SiC纤维的随机断裂更是无法检测。声发射技术作为一种无损检测技术，具有实时动态监测、灵敏度高等优点，已经广泛应用于碳纤维增强树脂基复合材料无损监测。碳纤维增强树脂基复合材料中纤维断裂通常采用声发射信号幅值判断，由于不同实验条件下信号幅值衰减不同，该方法易受声发射传感器布置距离和实验环境影响。碳化硅纤维增强钛基复合材料声发射信号特征相比碳纤维增强树脂基复合材料具有声发射活动性强、高幅值信号众多且成分复杂等特点，碳化硅纤维断裂信号幅值明显高于碳纤维断裂信号，此外基体合金变形也会产生少量类似高幅值声发射信号，因此需要建立一种适用于多种实验条件下钛基复合材料纤维断裂的检测方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，该方法利用声发射断铅实验确定纤维断裂幅值范围和标定参考位置，可以适用于多种实验条件下检测纤维断裂，能够正确识别钛基复合材料纤维断裂信号和定位纤维断裂位置。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，该方法首先利用断铅信号幅值确定碳化硅纤维断裂信号幅值范围，然后根据质心频率不同在待选信号中排除因基体变形产生的高幅值信号，最后根据筛选后的纤维断裂信号到达声发射传感器时间不同来确定纤维断裂位置。介绍如下：第一、识别钛基复合材料纤维断裂信号。碳化硅纤维增强钛基复合材料声发射源有：碳化硅纤维断裂、界面反应层断裂、纤维基体界面脱粘、基体变形、基体裂纹等，其中纤维断裂声发射信号幅值明显高于其他信号且与断铅信号幅值信号相近，因此可以利用断铅信号幅值确定纤维断裂信号幅值范围。由于基体合金在屈服点附近也会产生少量类似高幅值信号，因此需根据质心频率不同在待选信号中排除基体变形产生的高幅值信号。第二、定位钛基复合材料纤维断裂位置。根据纤维断裂信号到达声发射传感器时间不同可以定位纤维断裂位置，由于声发射传感器直径在10-20mm难以精确测量传感器间距，所以以两个传感器中点作为原点，在传感器连线上距原点距离L处作为参考点，在原点和参考点分别做断铅实验并记录断铅信号到达两个声发射传感器的时间差Δto、Δtr，波速可由2L/(Δtr-Δto)计算。根据纤维断裂声发射信号到达两个传感器的时间差Δt计算纤维断裂位置X＝L×(Δt-Δto)/(Δtr-Δto)，利用断铅实验标定参考位置可以减小传感器间距测量引入的误差。本专利技术检测方法具体包括以下步骤：(1)安装布置声发射传感器：以样品待测区域为中心对称布置声发射传感器，选择声发射传感器连线中点为原点，在传感器连线上取距原点距离L处作为参考点，使用胶带或固定器将声发射传感器固定在碳化硅纤维增强钛基复合材料表面或波导杆，声发射传感器与接触面中间填充耦合剂，保证声信号有效传输到声发射传感器。(2)连接设置声发射系统：连接声发射传感器、前置放大器和声发射检测仪，设置合适的声发射采集参数和声发射信号监控界面。(3)记录断铅实验幅值和到达时间差：使用0.5mm铅笔在原点和参考点处分别与样品表面夹角30度折断三次，记录断铅信号幅值和断铅信号到达两传感器时间差。(4)加载试样监测记录声发射信号：加载试样，声发射系统与力学测试系统同步采集数据，监测记录声发射信号特征参数中幅值、质心频率、到达时间等参数。(5)识别钛基复合材料纤维断裂信号：根据断铅信号幅值确定纤维断裂信号幅值范围；在待选信号中根据质心频率不同排除基体变形产生的高幅值信号。(6)定位钛基复合材料纤维断裂位置：根据原点参考点间距L、原点和参考点断铅信号到达声发射传感器的时间差Δto、Δtr以及纤维断裂信号到达两个传感器时间差Δt计算纤维断裂位置X＝L×(Δt-Δto)/(Δtr-Δto)。步骤(1)中声发射探头优先选择宽频探头，其工作段频率范围应包括200-900kHz。步骤(2)中声发射系统幅值最大记录范围不低于120dB以避免纤维断裂信号被截断，采样率不低于2MHz以满足频谱分析要求，前置放大器优先选择20dB。步骤(3)中断铅铅笔优先选择0.5mm直径HB型铅笔，原点到达两声发射传感器时间差应接近于0s。步骤(4)中声发射系统监控界面应包括幅值-时间图、幅值-质心频率图、事件-位置图。步骤(5)中纤维断裂幅值范围优先选择断铅信号幅值±10dB；将待选信号按质心频率分为两组，其中质心频率高的一组为纤维断裂信号，纤维断裂信号和基体变形高幅值信号质心频率分界线可由纯基体对比实验确定，优先选择在400-600kHz之间。步骤(4)、(6)中信号到达时间优先选择门槛到达时间，门槛幅值应高于背景噪声且低于断铅信号幅值的0.8倍。本专利技术具有如下优点：本专利技术基于声发射技术的钛基复合材料纤维断裂检测方法能够正确识别钛基复合材料纤维断裂信号和定位钛基复合材料纤维断裂位置，该方法可以适用于多种实验条件下检测纤维断裂，具有通用性高、定位准确等优点，能对碳化硅纤维增强钛基复合材料严重损伤给出及时预警，避免因碳化硅纤维增强钛基复合材料失效造成的安全事故和经济损失。附图说明图1为基于声发射技术的钛基复合材料纤维断裂检测方法流程图。图2为实施例声发射传感器和原点参考点位置示意图。图3为实施例单纤维复合材料拉伸过程声发射信号幅值、拉伸应力-时间图。图4为实施例纯基体合金材料拉伸过程声发射信号幅值、拉伸应力-时间图。图5为实施例单纤维复合材料和纯基体合金高幅值信号幅值-质心频率图。图6为实施例纤维断裂事件-位置图。图7为实施例中纤维断裂金相图片。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述，实施例为单纤维碎断实验，其特点为纤维在复合材料中发生多次碎断最终达到饱和，此外纯基体合金在相同条件下拉伸作为对比。实施案例包括以下步骤：(1)安装布置声发射传感器：如图1所示将两个Micro80s宽频探头沿样品对称布置，取声发射传感器中点为原点，在传感器连线上距离原点15mm处为参考点。声发射传感器与接触面之间采用真空硅脂耦合声信号。(2)连接设置声发射系统：将声发射传感器与2/4/6型前置放大器相连，前置放大器通过同轴电缆连接美国物理声学公司PCI-2型声发射检测仪，前置放大器选择20dB放大倍数，采样率设置为5MHz,门本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：该方法是针对碳化硅纤维增强钛基复合材料，利用声发射技术检测复合材料中纤维断裂情况，再进一步确定纤维断裂位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：该方法是针对碳化硅纤维增强钛基复合材料，利用声发射技术检测复合材料中纤维断裂情况，再进一步确定纤维断裂位置。2.根据权利要求1所述的基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：该方法首先利用断铅信号幅值确定碳化硅纤维断裂信号幅值范围，然后根据质心频率不同在待选信号中排除因基体变形产生的幅值信号，最后根据筛选后的纤维断裂信号到达声发射传感器时间不同来确定纤维断裂位置。3.根据权利要求1或2所述的基于声发射技术的碳化硅纤维增强钛基复合材料纤维断裂检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)安装布置声发射传感器：以样品待测区域为中心对称布置声发射传感器，选择两个声发射传感器连线中点作为原点，在两个传感器连线上取距原点L处作为参考点，使用胶带或固定器将声发射传感器固定在碳化硅纤维增强钛基复合材料表面或波导杆上，声发射传感器与材料表面或波导杆的接触面填充耦合剂，保证声信号有效传输到声发射传感器；(2)连接设置声发射系统：连接声发射传感器、前置放大器和声发射检测仪，设置合适的声发射采集参数和纤维断裂监控界面；(3)记录断铅实验幅值和到达时间差：使用铅芯直径0.5mm的铅笔在原点和参考点处分别与样品表面呈30度夹角折断三次，记录断铅信号幅值和断铅信号到达两传感器时间差；(4)加载试样并监测记录声发射信号：加载试样，声发射系统与力学测试系统同步采集数据，监控记录声发射信号特征参数中幅值、质心频率、到达时间等参数；(5)识别钛基复合材料纤维断裂信号：根据断铅信号幅值确定纤维断裂信号幅值范围，在待选信号中根据质心频率不同排除基体变形产生的幅值信号；(6)定位钛基复合材料纤维断裂位置：由公式(1)计算波速，并根据公式(2)计算断裂纤维的位置；波速＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉敏，孔旭，张旭，杨青，张国兴，杨丽娜，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21