工业CT在喷管扩散段绝热层无损检测中的应用

张翠翠 潘 兰 陈 曦 宋锦夺 俱可超

工业CT在喷管扩散段绝热层无损检测中的应用

张翠翠 潘 兰 陈 曦 宋锦夺 俱可超

（西安航天复合材料研究所，西安 710025）

针对火箭发动机喷管扩散段绝热层的常见缺陷和工业CT技术特点，采用工业CT技术对其质量进行了检测分析，结果表明：工业CT技术对提高制品质量和改进制品工艺有指导性的意义，在三维重建后更高层面上保证了产品质量，为火箭发动机正常工作提供了强有力的保障手段。

喷管扩散段；绝热层；工业CT；三维重建

1 引言

扩散段绝热层具有可靠性高、生产周期短、成本低等优点，在国内外被广泛应用于高性能固体火箭发动机喷管推力和能量转换效率的关键部件上[1，2]。目前国内大多数喷管扩散段绝热层由碳布/酚醛和高硅氧/酚醛复合缠绕材料构成，整个扩散段是平行于轴线方向布带重叠缠绕成型的二维层合结构形式，受其工艺特点的限制，碳布/酚醛与高硅氧/酚醛层之间的结合界面容易产生薄弱环节，如：裂纹、分层、气泡、疏松、树脂积聚、厚度与设计要求不符等缺陷，这些缺陷的存在容易造成喷管烧蚀不均匀，并影响固体火箭发动机内弹道的性能[3]，但是喷管扩散段绝热层服役中必须要求承受高压、高温和高速燃气的作用，并且能够在几秒或几十秒的工作时间内，保证发动机安全可靠地工作。因此，对扩散段绝热层的性能要求极为苛刻，用工业CT检测技术进一步严格控制其生产和加工过程的质量非常必要。

2 喷管扩散段绝热层工业CT检测现状

工业CT检测被誉为当今最佳无损检测和无损评估技术，能在对检测物体无损伤的情况下，采用密度差异，即把不同密度的被检测物体对穿透射线（X射线）的衰减系数换算成物质的CT值，然后以二维灰度图像的形式将物体内部的结构、组成、密度变化等清晰、准确、直观地显示出来，解决了一些关键性的无损检测技术难题，取得了较好的经济效益与社会效益[4]。国内专家赵付宝等[5]、李金鹿等[6]对喷管扩散段绝热层进行了工业CT检测，结果都证明了工业CT对于此类产品缺陷具有很高的检出效率。随着工业CT三维重建技术的成熟，工业CT不仅可以获得与胶片相媲美的断层图像数据，而且配合三维软件后可以对产品内部结构进行全面、详细地分析。欧美著名的ARACOR、BIR等公司已针对固体火箭发动机实际检测需求运用三维重建进行了无损检测[7]，检测效果较好。基于工业CT的以上优点，本文采用工业CT对喷管扩散段绝热层进行检测分析，并对一些小型喷管扩散段绝热层缺陷区域进行了三维重建以及全面展示。

3 工业CT在喷管扩散段绝热层无损检测中的应用

3.1 检测设备技术指标

空间分辨率：5lp/mm；密度分辨率：0.3%；射线机管电压：430kV；射线机管电流：3.4mA；射线机焦点尺寸：0.4mm；探测器：线阵列探测器和面阵列平板探测器。

3.2 检测应用

3.2.1 工业CT在喷管扩散段绝热层缺陷检测分析中的应用

工业CT图像充分再现了材料的组分及密度特性，适合于喷管扩散段绝热层中多种类型缺陷的检测，如裂纹、分层、气泡、疏松、厚度不符等缺陷。有效的缺陷检测，不仅提高了喷管扩散段绝热层的使用可靠性，而且为扩散段绝热层结构设计提供了更多的选择机会，使得工业CT检测和制造工艺相结合，及时发现出现缺陷的工序，便于改进工艺，缩短研制周期，降低成本。

图1为扩散段绝热层气孔图片，从图中可以看出气孔呈圆形缺陷，气孔处影像灰度一致，与空气密度接近，轮廓光滑，有明显的边界。通过工业CT软件可以测量出该气孔缺陷距离产品小端端面20mm，距内型面7mm，直径为1.8mm，缺陷处CT值最小值为0.01082，平均CT值为0.01737。根据CT值和物理密度之间的对应关系，计算得出密度降值为37.7%，超出设计提出的20%的要求，不符合检测标准。结合产品的生产工艺分析，此气孔主要出现在制造过程中，是由于碳布浸泡树脂不完全或者树脂固化时的化学反应产生挥发物等形成的，树脂中游离酚含量、胶带中挥发份含量和固化压力工艺都会影响气孔的含量。

图1 气孔图片和气孔处密度降图片

图2为扩散段绝热层分层图片，从图中可以看出层间严重开裂，线状影像比较规则，呈弧线状，层间密度均匀，低于基材密度。通过工业CT软件可以测量出该分层缺陷距离产品小端端面40mm，距内型面23mm，长度为79.6mm，角度为82.025°，此分层在检测图像中占比较大，缺陷处CT值最小值为0.02610，平均CT值为0.05031，通过计算得出密度降值为48.1%，属于严重缺陷。结合产品的生产工艺分析，分层最根本的原因是粘接力不足，基体内部或基体与纤维之间的粘接性能不足导致的。这种缺陷在扩散段绝热层中占比较大，其中以空腔型或者界面脱开型最为严重，对喷管扩散段绝热层质量影响也相对较大，也是缠绕工艺中的主要难题之一。一般针对分层较严重的产品，需要在缺陷中间进行轴向检测。

图2 分层角度测量图片和分层处密度降图片

图3为图2的轴向检测图片，图中明显看出缺陷处平均灰度较周围区域的平均灰度低，形状为线状，中间宽两端细，符合裂纹缺陷特征。通过工业CT软件可以测量出该裂纹缺陷长度为31.7mm，经计算得出密度降与图2密度降值相当。该裂纹从产品小端端面开始贯穿于产品小端，属于内部裂纹。结合工艺分析得出，其为产品端面受内部应力与机械加工时应力共同作用产生的。

图3 裂纹图片

在喷管扩散段绝热层中，测量其结构尺寸为其质量控制中的重要内容，特别是在烧蚀后其他检测方式难以实现准确测量的情况下，工业CT技术在保证图像质量的情况下，可以实现快速、准确、有效、全面的尺寸分析和测量。图4为烧蚀后扩散段绝热层CT检测图，从图中可以精确测量烧蚀后扩散段绝热层严重处每个点的碳层厚度等。从图中可以看出，喷管烧蚀严重区域比对称碳层薄9mm，从而为喷管扩散段绝热层的热防护提供理论依据，为改进工艺提供有力的数据支持。

图4 烧蚀后扩散段绝热层切层图像

3.2.2 工业CT三维重建在喷管扩散段绝热层中应用

图5是工业CT采取一次圆周扫描获取720幅投影图像（0.5°采集一次），经过三维重建获取的三维断层图像（精确到每层间隔0.2mm，共计200层），并通过三维可视化分析软件构造的三维立体图。从图中、、三个不同方向剖切图不仅可以看出环向横截面的缺陷信息，而且可以看出径向方向缺陷延伸程度，不用剖切，便可清晰地观察任意截面的内部结构，并能通过三维测量软件对其进行全方位测量，很大限度地排除和避免漏检产品的可能。从方向角度测量图可以明显地看到扩散段内型面于轴线之间的角度，通过三维软件对角度等的测量，实现与设计值之间比对，从而判断产品是否符合设计要求和装配条件，更高层次地保证了喷管扩散段绝热层质量。

图5 X、Y、Z三个不同方向剖切图和Y方向角度测量图

4 结束语

以上检测结果表明：a.工业CT密度分辨率较高，可以准确检测出喷管扩散段绝热层中的裂纹、分层、气孔、疏松等缺陷，能及时总结缺陷产生的原因，有针对性地进行预防与控制，起到提高产品质量的目的。b.工业CT可以针对喷管扩散段绝热层内部结构等进行定量分析，能够精确地测定产品几何尺寸并且进行表征，为喷管扩散段绝热层的质量判定提供量化的依据，同时也为改进工艺提供有力的数据支持。c.工业CT经过三维重建后可对产品进行全面的三维显示和测量，有助于检测人员对失效产品从产品的结构、角度等多方面进行分析，快速改进产品的工艺及质量。

在后续的工作中，还将进一步扩展、完善工业CT三维重建技术的应用功能，更高层次的保证喷管扩散段绝热层质量。

1 世界导弹与航天发动机大全中国航天工业总公司编辑委员会. 世界导弹与航天发动机大全[M]. 北京：军事科学出版社，1999

2 邱哲明，陈明义，杨传荣，等. 固体火箭发动机材料与工艺[M]. 北京：宇航出版社，1995

3 杨长红. 布带缠绕制品缺陷分析及修补工艺技术研究[D]. 西安：西北工业大学，2006

4 吴东流，郭伟明. 复合材料计算机层析照相检测及应用[J]. 无损检测，2002，24(4)：136～143

5 赵付宝，王从科，张霞，等. 工业CT在树脂基复合材料缺陷检测中的应用[J]. 工程塑料应用，2013，41(11)：96～98

6 李金鹿，王从科，柴娟，等. 工业CT技术检测喷管扩散段绝热层坯料的缺陷[J]. 工程塑料应用，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

张翠翠（1983），工程师，复合材料与工程专业；研究方向：复合材料无损检测工业CT检测。

2019-12-12