張辰玉

（中國(guó)特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊門 448035）

飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)特別是鋁合金結(jié)構(gòu)在鹽霧、水氣、霉菌和工業(yè)廢氣等不利大氣環(huán)境的侵襲下，容易發(fā)生腐蝕損傷[1-3]。金屬腐蝕損傷修理通常采用清除腐蝕產(chǎn)物后進(jìn)行局部加強(qiáng)的方法。傳統(tǒng)的螺接加強(qiáng)和鉚接加強(qiáng)需對(duì)待修部位打孔，孔邊微裂紋可能會(huì)因局部應(yīng)力集中而擴(kuò)散為宏觀裂紋，成為新的損傷源。復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修理技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械修理方法相比，具有結(jié)構(gòu)質(zhì)量增量小、抗疲勞性能和耐腐蝕性能好、修理時(shí)間短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的結(jié)構(gòu)修理方法[4-7]。自20世紀(jì)70年代澳大利亞空軍成功采用高性能復(fù)合材料補(bǔ)片修理戰(zhàn)機(jī)的疲勞裂紋和腐蝕損傷以來(lái)，該項(xiàng)新技術(shù)日益得到多國(guó)和各大航空公司的高度重視和推廣應(yīng)用[8-13]。

文中以2A12鋁合金預(yù)制腐蝕損傷件為修補(bǔ)對(duì)象，分別用自主研制的常溫固化填充材料、碳纖維預(yù)浸料和結(jié)構(gòu)修補(bǔ)膠三種材料對(duì)腐蝕區(qū)域進(jìn)行填充修補(bǔ)?？己瞬煌奶畛浞椒▽?duì)含典型腐蝕損傷鋁合金板力學(xué)性能的影響，從而為確定最佳修理工藝提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試件

1.1 制備金屬腐蝕損傷件

選取飛機(jī)常用的2A12鋁合金板材為對(duì)象，針對(duì)典型的剝蝕腐蝕損傷形式，設(shè)計(jì)加工了中心含未穿透腐蝕坑的損傷結(jié)構(gòu)件，模擬剝蝕損傷鋁合金板在完全清除腐蝕產(chǎn)物后的情形。鋁合金板尺寸為350 mm×80 mm×3 mm，在板中央銑一個(gè)下底面直徑為20 mm，上底面直徑為26 mm，深度為1.5 mm的梯形截面圓孔作為預(yù)制腐蝕坑，試樣如圖1所示。加工完成后，試驗(yàn)件經(jīng)過(guò)磷酸陽(yáng)極化表面處理。

圖1 含未穿透腐蝕坑的損傷結(jié)構(gòu)件

1.2 制備復(fù)合材料膠接修補(bǔ)件

以上述制作的金屬腐蝕損傷件為修補(bǔ)對(duì)象，復(fù)合材料預(yù)浸料補(bǔ)片為修補(bǔ)材料，按以下步驟制備復(fù)合材料膠接修補(bǔ)件。

1）在裂紋板上劃出修補(bǔ)范圍，并進(jìn)行打磨和清洗[14]。

2）填充。分別采用自主研制的常溫固化填充材料（填充效果見(jiàn)圖2a）、1500型碳纖維預(yù)浸料（填充效果見(jiàn)圖 2b）和 J-150結(jié)構(gòu)修補(bǔ)膠（填充效果見(jiàn)圖2c）對(duì)腐蝕坑區(qū)域進(jìn)行填充。

3）貼片。按需要的尺寸剪裁補(bǔ)片，并將其貼補(bǔ)到待修表面（單面貼補(bǔ)），用電熨斗輕輕碾壓補(bǔ)片使之與鋁板緊密貼合[15]。

4）固化。采用便攜式復(fù)合材料熱補(bǔ)儀按兩步固化法對(duì)試件進(jìn)行加熱固化。

5）檢查。通過(guò)上述工藝所得的試件外觀清潔，無(wú)多余物。復(fù)合材料補(bǔ)片成型完好，無(wú)孔隙和其他缺陷，修補(bǔ)后的試樣見(jiàn)圖3。

2 試驗(yàn)

該試驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)及力學(xué)性能試驗(yàn)兩部分。

圖2 填補(bǔ)腐蝕損傷試樣

圖3 復(fù)合材料修理件

2.1 實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)分別在 SU2000C高低溫交變濕熱環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行濕熱暴露試驗(yàn)、Q-Sun Xe-3HSC光照環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行紫外老化試驗(yàn)及 VSC 1000鹽霧環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境條件采用加速試驗(yàn)環(huán)境譜，基本構(gòu)成如圖4所示。

圖4 加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜流程

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

靜力試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)分別采用 AG-X250 kN電子拉伸試驗(yàn)機(jī)和日本島津生產(chǎn)的 LandMark-250 疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。靜力拉伸試驗(yàn)參照GB/T 1447—2005和 GB/T 228—2002進(jìn)行，疲勞試驗(yàn)參照 GJB 1997—1994進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)

3.1.1 濕熱試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)7天的濕熱試驗(yàn)后，對(duì)比未經(jīng)過(guò)環(huán)境試驗(yàn)的試驗(yàn)件發(fā)現(xiàn)，鋁合金試件表面（不包括樹(shù)脂覆蓋區(qū)域）顏色從磷酸陽(yáng)極化后的銀白色轉(zhuǎn)變?yōu)樯顪\程度不一的暗黃色或暗紅色，樹(shù)脂由原來(lái)的近乎無(wú)色轉(zhuǎn)變?yōu)闇\灰色，目視檢查并不能發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕或損傷，如圖5所示。

圖5 濕熱試驗(yàn)后試件宏觀特征

采用科視達(dá) KH-7700三維體視顯微系統(tǒng)從更小尺度來(lái)考察復(fù)合材料修理試件的形貌變化。從圖6可以更清楚地看出，無(wú)論是復(fù)合材料補(bǔ)片、鋁板，還是其膠接界面均未出現(xiàn)老化或腐蝕問(wèn)題。這說(shuō)明復(fù)合材料修理試件對(duì)濕熱試驗(yàn)的不敏感，濕熱抗性優(yōu)異。鋁合金表面出現(xiàn)的變色現(xiàn)象可能是磷酸氧化膜的結(jié)構(gòu)或成分改變?cè)斐傻摹?/p>

3.1.2 紫外老化試驗(yàn)

圖6 濕熱試驗(yàn)后試件微觀特征

紫外老化譜塊試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要針對(duì)非金屬材料易老化的問(wèn)題。經(jīng)紫外燈的強(qiáng)烈照射后，試件表觀最顯著的變化是附著在補(bǔ)片四周的富膠（包括樹(shù)脂和膠粘劑）顏色由近乎無(wú)色變?yōu)辄S褐色（見(jiàn)圖 7）。通過(guò)科視達(dá)KH-7700三維體視顯微系統(tǒng)的照片可以清楚地看到富膠顏色的明顯變化（見(jiàn)圖 8），這說(shuō)明紫外老化對(duì)有機(jī)物具有顯著的老化作用。

圖7 紫外老化試驗(yàn)后試件宏觀特征

圖8 紫外老化后試驗(yàn)后試件微觀形貌

3.1.3 酸性鹽霧試驗(yàn)

酸性鹽霧譜塊試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要針對(duì)鋁合金基體的腐蝕問(wèn)題。

將試件從鹽霧箱中拿出，經(jīng)過(guò)堿性肥皂水的清洗、蒸餾水沖洗以及風(fēng)干等步驟，得到預(yù)腐蝕一個(gè)周期的復(fù)合材料修理件。通過(guò)目視檢查，發(fā)現(xiàn)試件的腐蝕情況有如下兩個(gè)特點(diǎn)（見(jiàn)圖9）。

1）絕大部分鋁合金基體均出現(xiàn)膜狀腐蝕產(chǎn)物。

2）鋁板腐蝕程度差異很大，主要表現(xiàn)在兩方面，不同試件的腐蝕情況不同；同一試件不同區(qū)域的腐蝕情況不同。

圖9 酸性鹽霧試驗(yàn)后試件宏觀特征

由圖10可以看出，復(fù)合材料沒(méi)有明顯的變化，富膠處繼續(xù)老化，鋁合金基體已產(chǎn)生點(diǎn)蝕（見(jiàn)圖10b）和輕微剝蝕（見(jiàn)圖10d）。

圖10 酸性鹽霧試驗(yàn)后試件顯微形貌

鋁板腐蝕程度出現(xiàn)較大差異，主要是由于鋁板左右兩側(cè)的氧化膜被不同程度地破壞造成的。試件的鋁合金部分經(jīng)磷酸陽(yáng)極化處理后，其表面形成陽(yáng)極氧化膜。氧化膜本身具有較強(qiáng)的防腐功能，能夠保護(hù)內(nèi)部的鋁合金基體不受環(huán)境的侵蝕。在進(jìn)行復(fù)合材料膠接修理后，易對(duì)鋁合金基體表面的氧化膜產(chǎn)生不同程度的破壞。氧化膜未破壞或破壞少，則腐蝕不明顯；氧化膜破壞多，則腐蝕相對(duì)嚴(yán)重。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

3.2.1 靜力試驗(yàn)

分別對(duì)使用了不同填充材料的修補(bǔ)件進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：修補(bǔ)件均發(fā)生不同程度的脫膠，同時(shí)在修補(bǔ)區(qū)內(nèi)萌生裂紋并發(fā)生母板斷裂。如圖11所示。

圖11 采用不同填充材料修理后的試件失效情況

對(duì)經(jīng)過(guò)腐蝕環(huán)境試驗(yàn)后的試件進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)。采用J-150膠粘劑填充并修補(bǔ)修理后，損傷件的平均承載能力為 89.77 kN，較未修補(bǔ)裂紋板增幅達(dá)26.3%，承載能力保留率/恢復(fù)率達(dá)到78.8%。采用固化材料填充，J-150膠粘劑修理后，損傷件的平均承載能力為90.93 kN，較未修補(bǔ)裂紋板增幅達(dá)28.0%，承載能力保留率/恢復(fù)率達(dá)到 80.8%。采用預(yù)浸料填充，J-150膠粘劑修理后，損傷件的平均承載能力為85.85 kN，較未修補(bǔ)裂紋板增幅達(dá)20.8%，承載能力保留率/恢復(fù)率達(dá)到76.2%。如圖12所示。

圖12 不同填補(bǔ)方法對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用常溫固化材料、J-150膠粘劑填充修補(bǔ)的方法在恢復(fù)結(jié)構(gòu)靜拉伸性能方面較采用預(yù)浸料填充修補(bǔ)方式略有優(yōu)勢(shì)。由于采用J-150膠粘劑填充修補(bǔ)方法操作更簡(jiǎn)單、方便，所以在實(shí)際應(yīng)用中，條件允許的情況下，推薦使用 J-150膠粘劑對(duì)腐蝕損傷區(qū)域?qū)嵤┰惶畛湫扪a(bǔ)。

3.2.2 疲勞試驗(yàn)

對(duì)在經(jīng)過(guò)腐蝕環(huán)境試驗(yàn)后的試件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)。非承力金屬完好試樣的平均疲勞壽命為 13 399周次，50%存活率時(shí)中值疲勞壽命（N50）為 13 373周次。采用J-150膠粘劑填充并修補(bǔ)修理后，損傷件的平均疲勞壽命為13 257周次，50%存活率時(shí)中值疲勞壽命（N50）為13 104周次，較未修補(bǔ)含未穿透腐蝕坑的損傷試樣增幅達(dá)270%，承載能力保留率/恢復(fù)率接近100%。采用固化材料填充，J-150膠粘劑修理后，損傷件的平均疲勞壽命為10 272周次，50%存活率時(shí)中值疲勞壽命（N50）為10 085周次，較未修補(bǔ)含未穿透腐蝕坑的損傷試樣增幅達(dá) 211%，承載能力保留率/恢復(fù)率達(dá)到 75.4%。采用預(yù)浸料填充，J-150膠粘劑修理后，損傷件的平均疲勞壽命為10 161周次，50%存活率時(shí)中值疲勞壽命（N50）為9 818周次，較未修補(bǔ)含未穿透腐蝕坑的損傷試樣增幅達(dá) 210%，承載能力保留率/恢復(fù)率達(dá)到73.4%。如圖13所示。

圖13 不同填補(bǔ)方法對(duì)對(duì)疲勞性能的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用J-150膠粘劑填充并修補(bǔ)的方法在恢復(fù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面的優(yōu)勢(shì)顯著。因此在實(shí)際應(yīng)用中，條件允許的情況下，推薦使用J-150膠粘劑填充并修補(bǔ)。

4 結(jié)論

該項(xiàng)試驗(yàn)主要包括中心含預(yù)制損傷鋁合金試件的復(fù)合材料修理、實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)和力學(xué)性能測(cè)試三部分內(nèi)容。

1）對(duì)修理件依次進(jìn)行了濕熱、紫外老化、酸性鹽霧等3項(xiàng)腐蝕環(huán)境試驗(yàn)。通過(guò)觀察和統(tǒng)計(jì)分析，得出以下結(jié)論：濕熱試驗(yàn)造成鋁合金表面顏色的改變，但復(fù)合材料補(bǔ)片、鋁板及其膠接界面未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕。紫外老化試驗(yàn)使得富膠的顏色由無(wú)色變?yōu)辄S褐色，即紫外老化對(duì)于有機(jī)物有顯著的老化作用。經(jīng)酸性鹽霧試驗(yàn)后，絕大部分鋁合金基體均出現(xiàn)膜狀腐蝕產(chǎn)物，但是不同鋁板腐蝕程度差異很大，主要表現(xiàn)為不同試件的腐蝕情況不同，同一試件不同區(qū)域的腐蝕情況不同，這主要是由于試驗(yàn)過(guò)程中鋁合金表面的氧化膜被不同程度地破壞造成的。通過(guò)目視檢查，未發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料補(bǔ)片出現(xiàn)明顯腐蝕老化現(xiàn)象。

2）試驗(yàn)通過(guò)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析修理件的靜力性能數(shù)據(jù)和疲勞性能數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：在進(jìn)行腐蝕坑填補(bǔ)時(shí)，采用固化材料填充、J-150膠粘劑修補(bǔ)的方法在恢復(fù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面的效果較采用J-150填充并修補(bǔ)的方式略有優(yōu)勢(shì)，但由于采用J-150膠粘劑填充并修補(bǔ)的方法操作更簡(jiǎn)單、更高效，所以在實(shí)際應(yīng)用中，在條件允許的情況下，推薦使用J-150膠粘劑填充并修補(bǔ)。

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