DETECTABILITY OF DISBONDS IN TITANIUM & CARBON FIBRE MATERIAL COMPOSITE — THE CASE OF THE CF-188 INNER WING STEPPED LAP JOINT

Abstract

The Inner Wing Stepped Lap Joint (IWSLJ) is a critical primary structure of the CF-188. In the past few years, it has been shown to be prone to disbonds. This thesis focuses on the inspection technique for the IWSLJ, developed in 2015 by the Canadian Armed Forces’ Quality Engineering and Testing Establishment (QETE) and Aerospace and Telecommunications Engineering Support Squadron (ATESS). Three potential challenges, as well as areas of improvement are highlighted. First, the heterogeneous nature of the Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) makes ultrasonic testing challenging, as ultrasound is easily scattered and attenuated in composites. Second, the geometry of the Stepped Lap Joint adds to the complexity of the inspection. Third, the accessibility to the lap joint, while performing the inspections, makes detection of disbonds on the inner mold line difficult. In this thesis, it is shown that the use of a delay line, currently not included in the inspection procedure, improves the near-surface signal resolution seen in the CFRP and enhances the disbond detection on the inner-mold line. The current procedure is based on detection of complete disbonds, but before a material completely disbonds, an intermediate stage, called a kissing bond, occurs. Although harder to detect, kissing bonds are shown in this thesis, by tension testing, to have a significant impact on bond strength. Therefore, it would be preferable to target detection of disbonds, while they still present as kissing bonds, and before they start to grow and weaken the lap joint further. No data is available at the moment on disbond growth. Therefore, the use of flat bottom holes as reference standards for this inspection should be reconsidered. If simulated kissing bonds are used instead of flat bottom holes, the likelihood of detecting disbonds, before they fully form, may be enhanced. Ultrasonic data obtained from conventional ultrasonic testing, which is currently not recorded, is compared with results obtained with an automated inspection system, developed by QETE, that records IWSLJ inspection data and allows the user to examine it in the form of an A, B or C-Scan. Signals from artificially produced disbonds in laboratory samples produced in this thesis work are found to simulate signals from real disbonds found on F/A-18 IWSLJ, using the automated inspection system.

Le joint de recouvrement de l’aile intérieure est une partie critique du CF-188. Au cours des dernières années, il fut démontré que le joint est susceptible aux décollements. Cette thèse porte sur la technique d'inspection du joint de recouvrement de l’aile intérieure, développée en 2015 par le centre d'essais d'ingénierie et de qualité et l'escadron de soutien technique en aérospatiale et en télécommunications des forces armées canadiennes. Trois défis potentiels, ainsi que des pistes de solutions sont analysés. Premièrement, la nature hétérogène du matériau composite rend les tests par ultrasons difficiles, car le son est facilement diffusé et atténué. Deuxièmement, la géométrie spécifique au joint de recouvrement ajoute à la complexité de l'inspection. Troisièmement, l'accessibilité au joint de recouvrement lors des inspections rend difficile la détection des décollements sur le joint intérieur. L'utilisation d'une ligne à retard, qui n’est actuellement pas mentionnée dans l’inspection, permet de sortir du champ proche et améliore la mauvaise résolution du signal causée par le composite, et augmente la détection de décollements sur le joint intérieur. La procédure actuelle est basée sur la détection de décollements complets. Mais avant qu'un matériau ne se décolle complètement, une étape intermédiaire, appelée décollement partiel, se produit. Bien que plus difficiles à détecter, il est démontré dans cette thèse que les décollements partiels ont un impact significatif sur la force totale du joint. Aucune information sur la vitesse de propagation des décollements n’est disponible pour l’instant. Par conséquent, il serait préférable de viser à détecter les décollements alors qu'ils sont encore partiels, et avant qu'ils ne commencent à affaiblir davantage le joint. L'utilisation de trous à fond plat comme standard pour cette inspection a donc été reconsidérée. Il serait avantageux d'utiliser plutôt les décollements partiels comme standard, car cela permettrait de détecter plus tôt les points faibles du joint. Les résultats obtenus au moyen de méthode d’essai ultrasonique conventionnel sont comparés aux résultats obtenus avec un système d’inspection automatisé. Des décollements trouvés sur des F/A-18 sont comparés aux résultats obtenus à partir de coupons fabriqués en laboratoire.