周源琦， 蒲永偉， 湛利華， 宋 揚(yáng)， 李樹健， 彭文飛

(1.中南大學(xué) 輕合金研究院,長沙410083；2.沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司,沈陽110036；3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長沙410083)

復(fù)合材料帽型結(jié)構(gòu)熱壓共固化成型質(zhì)量研究

周源琦1， 蒲永偉2， 湛利華1， 宋 揚(yáng)2， 李樹健1， 彭文飛3

(1.中南大學(xué) 輕合金研究院,長沙410083；2.沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司,沈陽110036；3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長沙410083)

在共固化工藝條件下,采用不同結(jié)構(gòu)芯模制備了復(fù)合材料帽型加筋構(gòu)件?；诔曄嗫仃嚐o損檢測(cè)技術(shù),分別開展了帽型結(jié)構(gòu)不同部位成型質(zhì)量檢測(cè)與分析。針對(duì)帽型構(gòu)件帽頂處的表面形狀利用相控陣B掃進(jìn)行了表征；通過閘門定位技術(shù)檢測(cè)了帽邊成型精度；查明了帽型結(jié)構(gòu)臥邊和蒙皮結(jié)合界面質(zhì)量與超聲衰減系數(shù)間的關(guān)聯(lián)規(guī)律,提出了利用超聲衰減系數(shù)表征共固化成型界面質(zhì)量的量化模型。同時(shí),在無損檢測(cè)基礎(chǔ)上,結(jié)合顯微金相分析,對(duì)超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果從微觀的角度進(jìn)行了驗(yàn)證,最終確定φ12mm孔硅橡膠芯模為該工藝條件下的最佳芯模結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料；帽型加筋結(jié)構(gòu)；共固化；超聲相控陣；成型質(zhì)量

近年來隨著航空制造技術(shù)的不斷進(jìn)步,復(fù)合材料的用量已成為衡量現(xiàn)代飛機(jī)先進(jìn)性的標(biāo)志。由蒙皮與長桁組成的復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)共固化成型技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大型民機(jī)與軍機(jī)機(jī)翼、機(jī)身壁板的制造,其中大型壁板的長桁形狀主要有工字型、J型、T型以及Ω型等［1］。Ω長桁又稱為帽型加筋結(jié)構(gòu),其扭轉(zhuǎn)剛度及彎曲穩(wěn)定性能優(yōu)異,因此在現(xiàn)代的飛機(jī)壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上得到了廣泛的使用［2］。

伴隨著大型飛機(jī)綜合服役性能要求的進(jìn)一步提升,針對(duì)其結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)與分析技術(shù)顯得尤為重要。其中Kim［3］采用實(shí)驗(yàn)與FEA分析相結(jié)合的方式,分析了不同材料芯模與不同固化方式對(duì)帽型件的影響,并利用3-D圖像以及超聲C掃對(duì)構(gòu)件成型質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。Bertolini［4］等通過力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法,預(yù)測(cè)了帽型加筋結(jié)構(gòu)的帽緣與機(jī)身蒙皮發(fā)生剝離失效的位置。孫晶晶［5］等通過對(duì)加筋結(jié)構(gòu)筋條脫粘的失效機(jī)理分析,提出了一種有效預(yù)測(cè)復(fù)合材料帽型加筋結(jié)構(gòu)損傷起始及擴(kuò)展的方法。目前在復(fù)合材料帽型構(gòu)件的無損檢測(cè)研究方面,針對(duì)帽型加筋結(jié)構(gòu)件在制造過程中產(chǎn)生的缺陷以及缺陷的檢測(cè)方法尚未深入研究。在復(fù)合材料帽型長桁加筋結(jié)構(gòu)制造中,帽型腔體內(nèi)的芯模作為支撐型腔與承受固化壓力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),直接影響構(gòu)件的整體成型精度和帽型長桁與機(jī)身壁板的界面結(jié)合強(qiáng)度,成為復(fù)合材料構(gòu)件形性協(xié)同控制的關(guān)鍵因素。

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用的預(yù)浸料屬于高溫固化環(huán)氧復(fù)合材料體系,其中織布牌號(hào)FM6673-37KC,單向帶牌號(hào)P2352W-19,該體系在航空行業(yè)的定位為民機(jī)尾翼級(jí)結(jié)構(gòu)材料。真空袋、Airpad橡膠、透氣氈、封裝膠帶等輔助材料為美國Air Tech公司生產(chǎn)。硅橡膠牌號(hào)為RHODORSIL RTV3248A和RTV3248B。

無損檢測(cè)采用超聲相控陣探傷儀,探頭型號(hào)5L64-A2,頻率為5MHz,內(nèi)置64個(gè)晶片呈線性排列,楔塊型號(hào)SA2-OL。金相圖像分析采用光學(xué)數(shù)碼顯微鏡,最小分辨率0.01μm,采用逐行掃描方式。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 帽型加筋構(gòu)件制造

復(fù)合材料帽型加筋構(gòu)件的結(jié)構(gòu)如圖1所示,試驗(yàn)件表面鋪設(shè)織布,內(nèi)部鋪層為單向帶,其鋪層方式如表1所示。采用5種不同孔徑的硅橡膠芯模以及真空袋芯模支撐輔助制造復(fù)合材料帽型加筋構(gòu)件,硅橡膠芯模的孔徑大小分別是無孔、φ6mm, φ12mm,φ16mm以及φ20mm,硅橡膠芯模成型與真空袋成型的封裝示意圖如圖2所示。熱壓罐內(nèi)的固化工藝路線為：室溫下抽真空,加壓到0.6MPa后保持,再以1.5°C/m in的速率升溫至180°C,保溫150min后以1.5℃/m in降至70℃,泄壓空冷,如圖3所示。

圖1 復(fù)合材料帽型加筋結(jié)構(gòu)Fig.1 Composite hat-stiffened structure

表1 復(fù)合材料帽型加筋構(gòu)件鋪層方式Table 1 Ply sequences of the composite hat-stiffened structure

圖2 封裝結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Encapsulation structure

圖3 熱壓罐工藝路線Fig.3 Autoclave process route

2.2 檢測(cè)原理

2.2.1 相控陣B掃描成像

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是通過一次觸發(fā)多個(gè)晶片,利用觸發(fā)時(shí)間的延遲(即相位的改變)來控制不同晶片在不同的時(shí)間被觸發(fā),以得到特定的聲束［8］。顯示方式采用A+S掃形式,S掃在零度線性聚焦法則下即B掃描,對(duì)復(fù)合材料的層間界面缺陷有很好的檢測(cè)效果［9］,相比于傳統(tǒng)A掃描,超聲相控陣B掃描能把探頭經(jīng)過位置所有的A掃描記錄,繪制連續(xù)且?guī)в胁ǚ臋M截面圖像,如圖4所示。

2.2.2 閘門定位測(cè)厚

我們?cè)诮虒W(xué)中對(duì)時(shí)代背景的處理，看似無關(guān)宏旨，其實(shí)還是很重要的。要想恰當(dāng)?shù)靥幚砗盟?，就要求教師?duì)文本有清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置有準(zhǔn)確的把握，對(duì)文本所涉及的背景有確鑿的分析，因?yàn)檫@直接影響到學(xué)生對(duì)文本的理解，同時(shí)也會(huì)影響教學(xué)的節(jié)奏。但不管采用哪種方式，都要從學(xué)生出發(fā)，從閱讀的規(guī)律出發(fā)，從具體的文本特點(diǎn)出發(fā)，只有適合的才是最好的。

本實(shí)驗(yàn)用厚度的分布以及厚度偏差來表征帽型長桁帽邊的成型精度,超聲相控陣技術(shù)中的多閘門技術(shù)能定位任意回波的位置。在相控陣超聲掃描界面里的表面波和底波附近分別設(shè)置閘門1、閘門2,系統(tǒng)便通過閘門記錄了表面波和底面波的回波位置T1,T2,得到上下表面的厚度 T,最后將每個(gè)掃描孔徑測(cè)得的厚度數(shù)據(jù)記錄,求得平均偏差度 σ,計(jì)算方法如下：

式中T為工件厚度,c為超聲波在復(fù)合材料中的聲速,Δt為時(shí)間,ˉT為厚度平均值,n為掃描孔徑的個(gè)數(shù)。

圖4 超聲相控陣掃描示意圖 (a)探頭和楔塊；(b)掃描界面Fig.4 Schematic diagram of ultrasonic phased array scanning (a)probe and xedge；(b)image of scanning

2.2.3 超聲衰減系數(shù)計(jì)算

由于復(fù)合材料材料內(nèi)部孔隙、纖維皺曲、脫粘等缺陷會(huì)引起超聲信號(hào)衰減［10］,當(dāng)超聲波在有缺陷的材料中傳播時(shí),其超聲衰減系數(shù)會(huì)增大,因此本工作用超聲衰減系數(shù)α來表征帽型加筋結(jié)構(gòu)臥邊與機(jī)身蒙皮的結(jié)合質(zhì)量［11］,其表達(dá)式如下。

式中Δ為視在衰減,Δ=20 lg(H1/H2),H1,H2為構(gòu)件底波的1,2次回波幅值；αc為耦合修正,由于探頭依靠耦合劑緊貼工件表面,耦合的衰減量可以忽略,即αc≈0dB；αd為衍射修正,超聲波探頭都有一個(gè)近場(chǎng)區(qū)N,該相控陣探頭發(fā)射的主聲束在擴(kuò)散區(qū)(＞3N)以外,αd=6dB；T為被檢工件的厚度。

2.3 檢測(cè)方法

使用相控陣超聲探傷儀以及超聲檢測(cè)分析軟件對(duì)試件的不同位置進(jìn)行超聲掃描并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),檢測(cè)位置以及掃描順序?yàn)椋孩倜表敘诿边參叟P邊。為了在無損檢測(cè)基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析缺陷形貌,在相應(yīng)位置取樣、鑲嵌、磨平、拋光和超聲清洗,使用光學(xué)數(shù)碼顯微鏡和金相圖像分析軟件對(duì)試樣進(jìn)行分析。

3 結(jié)果和討論

3.1 芯模對(duì)帽頂形狀的影響

圖5給出了采用不同芯模成型的帽型結(jié)構(gòu)在帽頂處的相控陣超聲掃描圖片。可以看出：采用φ20mm孔橡膠芯模成型的帽頂兩側(cè)厚度相差很大,底波部分消失,這是因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致超聲波散射嚴(yán)重,所以在該位置沒有回波［12］。剖開試樣后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部富脂嚴(yán)重,帽頂隆起、纖維皺曲,如圖6所示,結(jié)果與超聲相控陣掃描圖像一致。

圖5 不同芯模在帽頂處掃描圖片 (a)φ20mm孔；(b)φ16mm孔；(c)φ12mm孔(d)φ6mm孔；(e)無孔；(f)真空袋Fig.5 The scan images of croxn x ith differentmandrels (a)φ20mm hole；(b)φ16mm hole；(c)φ12mm hole；(d)φ6mm hole；(e)no hole；(f)vacuum bag

圖6 采用φ20mm孔芯模的帽頂處缺陷Fig.6 The defects of croxn x ithφ20mm hole

采用φ16mm孔橡膠芯模成型的帽頂處厚度不均,帽頂中間厚并且有纖維皺曲；而采用φ12mm孔橡膠芯模成型的帽頂平整光滑,底面波衰減小,內(nèi)部無缺陷波；采用φ6mm和無孔芯模成型的底波不夠連續(xù)且不平整；而采用真空袋成型的帽頂處底面粗糙,并且底面的回波有衰減(顏色深度代表聲壓值)。硅橡膠模具在復(fù)合材料共固化成型時(shí),能很好保持帽型結(jié)構(gòu)的形狀,但由于熱膨脹系數(shù)的不匹配,硅膠模具會(huì)隨著固化溫度的升高而發(fā)生膨脹,如果模具內(nèi)部開的孔太大,比如到了 φ16mm和φ20mm時(shí),硅膠模具整體的結(jié)構(gòu)將向孔內(nèi)部凹陷,發(fā)生嚴(yán)重變形而不能保證帽頂處的固化壓力,最終導(dǎo)致帽頂下表面厚度不均,產(chǎn)生局部富脂等缺陷。而采用真空袋成型時(shí),由于真空袋本身沒有維持形狀的能力,加上其對(duì)制作工藝要求高,容易在封裝時(shí)帶來誤差,所以不能很好控制帽頂下表面的形狀。

3.2 芯模對(duì)帽邊成型精度的影響

采用閘門定位測(cè)厚技術(shù)對(duì)帽型件的帽邊進(jìn)行測(cè)量,圖7給出了帽型件在帽邊位置處的厚度分布以及厚度的偏差度。可以看出采用真空袋成型的帽邊厚度的分布從1.63mm到1.92mm,偏差度為9.7%,為所有試件中的最大；在硅橡膠模具成型中,當(dāng)硅橡膠模具未打孔時(shí),帽邊厚度偏差值為3.2%,隨著內(nèi)部孔徑增大,厚度分布越來越均勻,厚度偏差減小,當(dāng)硅橡膠模具孔徑為 φ12mm時(shí)帽邊厚度偏差最小,為1.3%,當(dāng)內(nèi)部孔徑增大到φ20mm時(shí),帽邊的厚度偏差也增大到5.9%。說明采用硅橡膠模具成型的帽邊成型精度均高于真空袋成型,其中φ12mm的帽邊成型精度最高。使用超聲相控陣B掃描以及金相觀察進(jìn)一步分析其內(nèi)部質(zhì)量。

圖7 不同芯模在帽邊處成型精度 (a)厚度分布；(b)厚度平均偏差Fig.7 The molding precision of xeb area x ith differentmandrels (a)distribution of thickness；(b)deviation of thickness

圖8 不同芯模在帽邊處超聲掃描圖片 (a)φ12mm孔；(b)真空袋成型Fig.8 Ultrasonic scan images of x eb area x ith differentmandrels (a)φ12mm hole；(b)vacuum bag

圖8分別給出了采用φ12mm孔橡膠芯模成型和真空袋成型的帽型件在帽邊處的超聲B掃描圖以及提取出來的A掃描數(shù)據(jù)。觀察到采用真空袋成型的帽邊底波較弱,這是因?yàn)閺?fù)合材料內(nèi)部存在的孔隙等缺陷引起超聲波的衰減；而φ12mm孔硅橡膠成型帽邊內(nèi)部無缺陷回波,回波的幅值高,成型質(zhì)量好。

綜合分析帽型件帽邊成型精度與內(nèi)部缺陷,芯模內(nèi)部孔徑的大小對(duì)其成型質(zhì)量有重要影響。當(dāng)孔徑較小或無孔時(shí),硅橡膠芯模隨固化溫度升高所產(chǎn)生的膨脹量無法由芯模內(nèi)孔補(bǔ)償而向外膨脹,因此在帽邊處由于模具結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致壓力傳遞不均勻而導(dǎo)致厚度產(chǎn)生偏差；當(dāng)芯模內(nèi)部孔徑增大到φ12mm時(shí),基本上能抵消芯模結(jié)構(gòu)因升溫產(chǎn)生的膨脹量,所以芯模在共固化成型過程中能始終保持自己的外部尺寸,同時(shí)保持了壓力傳遞的均勻,體現(xiàn)為帽邊厚度均勻且內(nèi)部缺陷少；而當(dāng)孔徑繼續(xù)增大到φ16mm和φ20mm時(shí),內(nèi)部孔腔大于芯模的膨脹量,芯模整體剛度變?nèi)醵鴮?dǎo)致整體結(jié)構(gòu)向內(nèi)部凹陷,同樣不能保證帽邊的成型精度,所以厚度的偏差大。真空袋成型由于真空袋與帽型結(jié)構(gòu)不匹配,在實(shí)際操作時(shí)容易搭橋或漏氣,難以保證兩者的完全貼合,所以在固化時(shí)壓力沒有完全傳遞到帽邊處,導(dǎo)致了帽邊厚度的尺寸偏差較大且內(nèi)部產(chǎn)生許多孔隙［13］,如圖9a所示。同樣的原因?qū)е铝嗽诘撞康墓战菂^(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的纖維皺曲,如圖9b所示。

圖9 真空袋成型帽邊處產(chǎn)生的缺陷 (a)孔隙；(b)纖維皺曲Fig.9 The defects of xeb area x ith vacuum bag (a)voids；(b)fiber x rink ling

3.3 芯模對(duì)臥邊與蒙皮界面結(jié)合質(zhì)量的影響

本實(shí)驗(yàn)對(duì)帽型筋條與蒙皮采用共固化成型,在成型過程中產(chǎn)生的孔隙、纖維皺曲、富脂等缺陷對(duì)材料的性能影響很大,在承受載荷時(shí),這些缺陷的存在容易使帽型筋條與蒙皮的結(jié)合界面發(fā)生失效［5］,所以該位置的成型質(zhì)量對(duì)機(jī)身壁板的力學(xué)性能起重要作用。

將臥邊處A掃描的數(shù)據(jù)提取出來在超聲相控陣軟件中分析,得到相應(yīng)位置的回波幅值、厚度等超聲信息,代入公式(1)求得該位置的超衰減系數(shù)。圖10建立了帽型件芯模內(nèi)孔直徑與臥邊處超聲衰減系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,隨著硅橡膠模具內(nèi)部孔徑的增加,臥邊處的超聲衰減系數(shù)從1.65減小到1.19,且真空袋成型的超聲衰減系數(shù)最小。

這是因?yàn)椴捎谜婵沾尚蜁r(shí),臥邊與蒙皮的固化壓力幾乎等于罐壓,壓力的傳遞十分均勻,所以內(nèi)部的成型質(zhì)量好,無缺陷,如圖11c。而在固化升溫過程中,由于硅橡膠的膨脹系數(shù)與預(yù)浸料不匹配,并且大于預(yù)浸料的膨脹,隨著溫度的不斷升高,硅膠芯模的膨脹有一種將帽型筋條向上頂開的趨勢(shì),這種趨勢(shì)會(huì)阻礙臥邊與機(jī)身壁板之間的共固化結(jié)合,導(dǎo)致該處的固化壓力降低,產(chǎn)生孔隙以及纖維皺曲等缺陷［14,15］,如圖 12所示。隨著芯模內(nèi)部孔徑的增大,硅橡膠模具在升溫時(shí)向內(nèi)孔膨脹而維持外形尺寸,因此臥邊與蒙皮之間的壓力傳遞越來越均勻,孔隙、纖維皺曲等缺陷減少［16］,構(gòu)件對(duì)超聲波的衰減隨之減小,最后體現(xiàn)為超聲衰減系數(shù)不斷降低。當(dāng)孔徑為φ12mm時(shí),帽型結(jié)構(gòu)的共固化質(zhì)量已經(jīng)很好,如圖11b所示,臥邊與蒙皮的內(nèi)部無缺陷回波。

圖10 超聲衰減系數(shù)與芯模內(nèi)孔直徑的關(guān)系Fig.10 Relationship betxeen ultrasonic attenuation coefficient and diameter

圖11 不同芯模在臥邊處超聲掃描圖片 (a)無孔芯模；(b)φ12mm孔；(c)真空袋成型Fig.11 Ultrasonic scan images in flange x ith differentmandrels (a)no hole；(b)φ12mm hole；(c)vacuum bag

圖12 無孔芯模臥邊處缺陷 (a)纖維皺曲；(b)孔隙Fig.12 Defects of flange area x ith holelessmandrel (a)fiber x rinkling；(b)voids

4 結(jié)論

(1)真空袋成型帽型結(jié)構(gòu)的厚度偏差大,帽邊靠近底角處有孔隙、纖維皺曲等缺陷,而臥邊與蒙皮的結(jié)合質(zhì)量好。但是真空袋成型對(duì)工藝要求高、操作難度大,容易在封裝時(shí)帶來缺陷,并不適合工程實(shí)際應(yīng)用。

(2)采用硅橡膠芯模成型的帽型結(jié)構(gòu)內(nèi)腔的尺寸控制好,各個(gè)邊的厚度均勻。使用不同孔徑的硅橡膠芯模進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),在本實(shí)驗(yàn)工藝條件下,帽型加筋結(jié)構(gòu)采用φ12mm孔硅橡膠芯模共固化的成型質(zhì)量最佳。

(3)基于超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)帽型結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),并使用光學(xué)數(shù)碼顯微鏡驗(yàn)證了無損檢測(cè)的效果,查明了實(shí)際微觀結(jié)構(gòu)缺陷與無損檢測(cè)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,表明采用超聲相控陣技術(shù)可以對(duì)機(jī)身壁板帽型加筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效檢測(cè)。

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Form ing Quality of Composite Hat-stiffened Structure by Autoclave Co-curing Process

ZHOU Yuan-qi1, PU Yong-xei2, ZHAN Li-hua1, SONG Yang2, LIShu-jian1, PENGWen-fei3
(1.Light Alloys Research Institute,Central South University,Changsha 410083,China；2.Shenyang Aircraft Industry(group)Co., LTD,Shenyang 110036,China；3.College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

Composite hat-stiffened structures xere fabricated using differentmandrels under the co-curing process.Based on the ultrasonic phased array nondestructive testing technology,the inspection and analysis of forming quality at different positions of the hat-stiffened structure xere carried out.The geometrical shape of the hat-stiffened structure located in the croxn xas characterized using phased array B-scan；the forming precision of xeb x asmeasured by the gate location technology；and the specific quantitative relationship betxeen the interface bonding quality of the flange x ith the skins and ultrasonic coefficient xas found.Meanxhile,combined x ith microscopic metallographic analysis,the ultrasonic phased array testing result is verified from the viex ofmicrocosmic,and the optimalmandrel structure x ithφ12mm xas ultimately confirmed under certain co-curing process.

composites；hat-stiffened structure；co-curing；ultrasonic phased arrays；forming quality

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.5.012

TB332

A

1005-5053(2015)05-0075-07

2015-03-18；

2015-04-17

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014CB046502),中國博士后基金(2014M562127)

湛利華(1976—),女,教授,從事樹脂基復(fù)合材料制件固化成型研究,(E-mail)yjs-cast@csu.edu.cn。