段涵囈，柏晶芳，彭 珂，劉曉琴

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

0 引言

航空航天結(jié)構(gòu)由于在役使用造成疲勞需檢查、維修等原因，不可避免地會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能的下降以及結(jié)構(gòu)的承載能力的降低[1，2]。因此需要對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。20世紀(jì)70年代初，澳大利亞航空與海運(yùn)研究室（Aeronautical and Maritime Research Laboratory）首次使用復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修復(fù)金屬飛機(jī)構(gòu)件[3，4，5]，并獲得巨大成功。與傳統(tǒng)的機(jī)械螺接、鉚接修復(fù)相比，復(fù)合材料補(bǔ)片具有輕質(zhì)高強(qiáng)、不對(duì)構(gòu)件再破壞、不產(chǎn)生新的應(yīng)力集中源等優(yōu)點(diǎn)[6，7]。在金屬材料上粘貼復(fù)合材料補(bǔ)片[8]，能有效地解決原構(gòu)件力學(xué)性能不符合要求的情況，延長(zhǎng)了在役飛機(jī)的使用壽命[9，10]。在補(bǔ)強(qiáng)后，如何確保其粘接質(zhì)量，是需要解決的問(wèn)題。補(bǔ)強(qiáng)后零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且檢測(cè)環(huán)境限制多，檢測(cè)方法缺失。補(bǔ)強(qiáng)使用的復(fù)合材料制造過(guò)程中受工藝水平、人員技能、生產(chǎn)環(huán)境等因素的影響，產(chǎn)品質(zhì)量離散性較大，可能產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，對(duì)產(chǎn)品性能等有著極大的影響，一旦有質(zhì)量隱患，將危及產(chǎn)品安全，造成不可挽回的重大損失。無(wú)損檢測(cè)是控制復(fù)合材料制件內(nèi)部質(zhì)量的重要手段。目前應(yīng)用于復(fù)合材料檢測(cè)的新方法中，紅外檢測(cè)及散斑檢測(cè)僅能檢測(cè)近表面缺陷。在使用機(jī)翼復(fù)材增強(qiáng)片粘接后，如何確保其內(nèi)部粘接質(zhì)量，是亟需解決的問(wèn)題。但現(xiàn)有無(wú)損檢測(cè)技術(shù)僅單獨(dú)針對(duì)金屬、復(fù)合材料，尚未有金屬及復(fù)合材料粘接補(bǔ)強(qiáng)方面的研究。在傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)手段中，廣泛應(yīng)用于航空航天類復(fù)合材料檢測(cè)的手段主要有射線檢測(cè)及超聲檢測(cè)。射線檢測(cè)能量高，穿透力強(qiáng)，可有效控制金屬及復(fù)合材料內(nèi)部質(zhì)量，但射線檢測(cè)儀器設(shè)備要求高，并且在檢測(cè)過(guò)程中有較高的安全的防護(hù)需求，對(duì)于飛機(jī)原位檢測(cè)可執(zhí)行性較差，且射線檢測(cè)對(duì)體積性缺陷敏感，僅能檢測(cè)夾雜類缺陷，無(wú)法檢測(cè)分層、脫粘類缺陷；超聲檢測(cè)亦常應(yīng)用在金屬及復(fù)合材料的檢測(cè)上，且對(duì)于復(fù)合材料層壓板-層壓板間的粘接，復(fù)合材料層壓板-泡沫芯的粘接質(zhì)量檢測(cè)上都有廣泛應(yīng)用。針對(duì)該補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)工藝，設(shè)計(jì)并制作了復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)專用試塊，并使用超聲檢測(cè)的手段對(duì)試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化確定了檢測(cè)工藝參數(shù)，并建立了評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可有效解決復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)工藝內(nèi)部質(zhì)量無(wú)法控制的問(wèn)題，具有應(yīng)用現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)翼復(fù)材增強(qiáng)

所研究的飛機(jī)機(jī)翼部位金屬件附近是主要應(yīng)力集中區(qū)域[11，12]，其出現(xiàn)裂紋的主要原因是由于金屬件應(yīng)力較大，因此，有必要通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)來(lái)彌補(bǔ)薄弱區(qū)域的強(qiáng)度損失[13，14]。

由于是在役飛機(jī)出現(xiàn)強(qiáng)度損失，需要盡可能減少對(duì)飛機(jī)原有結(jié)構(gòu)的破壞和損害[15]，并且盡量使補(bǔ)強(qiáng)可在飛機(jī)原位上進(jìn)行。同時(shí)，強(qiáng)度需達(dá)到原有要求，且后續(xù)維持時(shí)間長(zhǎng)，再次出現(xiàn)強(qiáng)度損失可能性小。而復(fù)合材料具有強(qiáng)度高，耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在軍事裝備上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，使用復(fù)合材料在損失原位補(bǔ)強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)金屬與復(fù)合材料的粘接成為補(bǔ)強(qiáng)的有效手段。采用此方法補(bǔ)強(qiáng)后原部件強(qiáng)度可達(dá)到要求，大大延長(zhǎng)了飛機(jī)壽命，并且提高了飛機(jī)安全，補(bǔ)強(qiáng)后，通過(guò)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)證實(shí)金屬粘接復(fù)合材料增強(qiáng)片為有效的修補(bǔ)措施。

1.1 修補(bǔ)所用材料

飛機(jī)機(jī)翼部分的金屬部件出現(xiàn)裂紋后，采用復(fù)合材料與該金屬部位粘接的方式補(bǔ)強(qiáng)。修補(bǔ)過(guò)程中所使用復(fù)合材料預(yù)浸料為碳纖維材料，牌號(hào)為ZT7G/LT-03A16，膠黏劑為FM-73M，清洗劑為丙酮，硅烷偶聯(lián)劑為γ-甘油丙基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑（牌號(hào)KH560），硅烷偶聯(lián)劑溶液配制所需溶劑為甲醇、醋酸。

1.2 修補(bǔ)前準(zhǔn)備工作

（1）拆卸左/右機(jī)翼，盡量排空機(jī)翼油箱內(nèi)燃油，然后進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，檢測(cè)油氣濃度，然后密閉并適時(shí)監(jiān)控油箱內(nèi)部壓力。

（2）機(jī)翼下翼面朝上放置，在專用型架上固定好，在不損傷結(jié)構(gòu)前提下去除機(jī)翼下翼面表面底漆、面漆。

（3）拆卸修補(bǔ)區(qū)域口蓋，對(duì)開孔位置進(jìn)行封堵，并進(jìn)行濕裝配，保證封堵工裝氣密性。

（4）采用氦質(zhì)譜檢查口蓋及釘頭縫隙氣密性，對(duì)漏氣位置螺栓、口蓋以及前緣封嚴(yán)片等視情況拆除，重新進(jìn)行濕裝配。

（5）無(wú)法進(jìn)行濕裝配的漏氣位置釘縫和內(nèi)/外下蒙皮對(duì)縫處采用高壓注膠槍注膠。

（6）清洗干凈去漆區(qū)域釘頭十字槽，然后注入膠，固化后，打磨平整。

1.3 表面處理

（1）在清潔度較高的環(huán)境里進(jìn)行噴砂/硅烷處理過(guò)程。

（2）噴涂或刷涂硅烷溶液到準(zhǔn)備好的清潔表面，當(dāng)表面濕潤(rùn)達(dá)到預(yù)定時(shí)間后，采用紅外照射燈進(jìn)行干燥，干燥過(guò)程不允許直接接觸。

（3）在硅烷溶液干燥后的表面涂極薄的一層底膠，再次加熱固化，固化過(guò)程不允許直接接觸。

1.4 安裝修理

鋪疊膠膜和復(fù)合材料補(bǔ)片及真空袋加壓固化。修補(bǔ)后機(jī)翼結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩側(cè)為原金屬部分，中間部分為修補(bǔ)增加的復(fù)合材料增強(qiáng)片。該區(qū)域的粘接質(zhì)量是修補(bǔ)工作中重點(diǎn)關(guān)注的部分，不僅決定了粘接工作成功與否，也關(guān)系修補(bǔ)后的結(jié)構(gòu)是否能達(dá)到應(yīng)有的強(qiáng)度，同時(shí)在使用周期內(nèi)，需持續(xù)監(jiān)控對(duì)該區(qū)域的粘接質(zhì)量，以保證在役飛機(jī)的補(bǔ)強(qiáng)部分的質(zhì)量。

圖1 修補(bǔ)示意圖

2 無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

超聲檢測(cè)A掃描設(shè)備便攜性高，探頭對(duì)在役飛機(jī)原位檢測(cè)的位置可適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)后金屬及復(fù)合材料粘接質(zhì)量的有效性控制有較高的可操作性，是較為理想的無(wú)損檢測(cè)手段。超聲A掃描檢測(cè)通過(guò)測(cè)量反射波的位置與大小來(lái)判斷缺陷的位置和大小（圖2），反射波信號(hào)攜帶了材料內(nèi)部質(zhì)量情況的信息。但測(cè)量其絕對(duì)值非常困難，目前國(guó)際上均采用比較測(cè)量法，用試塊的人工缺陷信號(hào)比對(duì)而對(duì)真實(shí)缺陷定量、定位等。因此，對(duì)比試塊是超聲波檢測(cè)中不可或缺的物質(zhì)，試塊直接影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。但國(guó)內(nèi)對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)后金屬及復(fù)合材料粘接的研究較少，需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

圖2 反射法示意圖

針對(duì)該機(jī)翼復(fù)材增強(qiáng)片粘接工藝，需制作復(fù)合材料修補(bǔ)專用試塊。但補(bǔ)強(qiáng)手段復(fù)雜，可能產(chǎn)生缺陷的界面很多。根據(jù)上文介紹的補(bǔ)強(qiáng)手段，結(jié)合復(fù)合材料及復(fù)合材料粘接的情況，最容易發(fā)生的缺陷為脫粘，而可能產(chǎn)生脫粘位置有：復(fù)合材料層間（也叫作分層），復(fù)合材料與粘接膠膜間，金屬與粘接膠膜間，兩種不同的膠膜間。每種缺陷對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)表現(xiàn)不一致。因此在制作試塊模擬實(shí)際缺陷情況時(shí)，需要綜合考慮到所有可能出現(xiàn)的缺陷，為實(shí)際檢測(cè)情況提供最全面的參考。

2.1 無(wú)損檢測(cè)試塊制作

根據(jù)本次補(bǔ)強(qiáng)，成都飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司制作了復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)試塊（圖3）。

圖3 試塊實(shí)物圖

金屬基體材料為鋁板，如圖3（a），牌號(hào)為2024，厚度為2 mm。為更好模擬拼縫缺陷，使用兩塊鋁板拼接，并在拼縫下方再膠接一塊鋁板，拼縫處如圖3（b）。補(bǔ)強(qiáng)所使用復(fù)合材料預(yù)浸料牌號(hào)為ZT7G/LT-03A16，共16層，鋪疊工藝與零件補(bǔ)強(qiáng)一致，如圖3（c）。膠膜使用FM-73M。為更好的模擬在役情況，設(shè)計(jì)了與實(shí)際情況一致的螺栓。螺栓采用GJB121.1.16，十字槽用EC3448膠進(jìn)行填充。試塊預(yù)置缺陷材料為聚四氟乙烯，其聲傳導(dǎo)特性與空氣最為近似，可最高程度還原脫粘及分層類型缺陷。尺寸大小分別為φ3mm和φ10 mm。其中1、3、5、7、9、11號(hào)缺陷為φ3mm，2、4、6、8、10、12號(hào)缺陷為φ10 mm。1、2號(hào)缺陷埋在復(fù)材的1-2層間，3、4號(hào)缺陷埋在復(fù)材的6-7層間，5、6號(hào)缺陷埋在復(fù)材的11-12層間，7、8號(hào)缺陷埋在FM-73M膠與EC3448膠間，9、10號(hào)缺陷埋在復(fù)材蒙皮與膠膜間，11、12號(hào)缺陷埋在膠膜與金屬鋁板間。

其分布情況如圖4所示。

2.2 超聲檢測(cè)結(jié)果

試塊制作完成后，使用成都飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司MASTERSCAN380超聲A掃描系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探頭參數(shù)為5 MHz，耦合劑為水或醫(yī)用耦合凝膠。

圖4 試塊設(shè)計(jì)圖

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，在試塊完好處，一、二、三次底波均清晰可見(jiàn)，說(shuō)明試塊制作較好，內(nèi)部無(wú)缺陷，如圖5（a）所示。而移動(dòng)探頭之缺陷處，出現(xiàn)明顯分層信號(hào)，底波消失，并出現(xiàn)缺陷波信號(hào)，如圖5（b）所示。繼續(xù)檢測(cè)預(yù)埋所有缺陷，超聲檢測(cè)可有效檢測(cè)出試塊上所有人工缺陷，位置信息正確，缺陷尺寸與實(shí)際預(yù)埋尺寸的誤差小于10%，符合用于飛機(jī)內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)控試塊的標(biāo)準(zhǔn)，各類型缺陷檢測(cè)如圖6所示。

圖5 試塊超聲A掃描結(jié)果

圖6 各類缺陷超聲A掃描結(jié)果

2.3 實(shí)際檢測(cè)效果

將該試塊應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，可控制復(fù)材增強(qiáng)片粘接工藝實(shí)施內(nèi)部質(zhì)量。補(bǔ)強(qiáng)后機(jī)翼要求不允許有超過(guò)最大缺陷尺寸為26 mm的缺陷，并且在飛機(jī)飛行過(guò)程中，定時(shí)持續(xù)地檢測(cè)該區(qū)域是否新出現(xiàn)分層和脫粘或分層和脫粘缺陷有擴(kuò)展。

在實(shí)際的飛機(jī)在役檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)強(qiáng)度降低的飛機(jī)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，隨后采用使用超聲A掃描的方法檢測(cè)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域，監(jiān)測(cè)內(nèi)部質(zhì)量。圖7中，白色粉筆圈出區(qū)域?yàn)樵趯?shí)際檢測(cè)過(guò)程中，機(jī)翼上出現(xiàn)分層信號(hào)的區(qū)域，根據(jù)與試塊的對(duì)比，可以得出缺陷的大小及產(chǎn)生缺陷的深度信息。為驗(yàn)證試塊效果，切開實(shí)際工件后測(cè)量實(shí)際缺陷尺寸及深度信息，其尺寸及深度信息與測(cè)量尺寸誤差在10%以內(nèi)，見(jiàn)表1。該試塊可以復(fù)現(xiàn)實(shí)際機(jī)翼復(fù)材增強(qiáng)片粘接情況。

表1 缺陷實(shí)測(cè)尺寸與理論值對(duì)比

超聲波檢測(cè)的試塊有效性決定了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過(guò)比對(duì)超聲檢測(cè)試塊可判斷零件內(nèi)部質(zhì)量，如圖7所示，可檢測(cè)出補(bǔ)強(qiáng)后零件出現(xiàn)分層結(jié)果的區(qū)域，最終可達(dá)到控制工藝實(shí)施后的內(nèi)部質(zhì)量，持續(xù)監(jiān)測(cè)飛行過(guò)程中的質(zhì)量變化趨勢(shì)，并指導(dǎo)補(bǔ)強(qiáng)工藝的參數(shù)優(yōu)化。

圖7 使用試塊實(shí)際檢測(cè)零件有問(wèn)題區(qū)域

3 結(jié)語(yǔ)

在金屬材料上粘接復(fù)合材料補(bǔ)片，能有效地解決原構(gòu)件力學(xué)性能不符合要求的情況，延長(zhǎng)了在役飛機(jī)的使用壽命。但在使用機(jī)翼復(fù)材增強(qiáng)片粘接后，如何確保其粘接質(zhì)量并在后續(xù)飛行過(guò)程中持續(xù)監(jiān)控，是必須解決的問(wèn)題。本研究針對(duì)該機(jī)翼復(fù)材增強(qiáng)片粘接工藝，預(yù)估實(shí)際過(guò)程中可能產(chǎn)生的缺陷類型及位置，制作了機(jī)翼復(fù)材增強(qiáng)粘接質(zhì)量控制專用試塊，并使用超聲檢測(cè)的手段對(duì)試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用該試塊使用超聲檢測(cè)技術(shù)可準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷的位置及大小信息（與實(shí)際比較誤差在10%以內(nèi)），給補(bǔ)強(qiáng)過(guò)程中每一次實(shí)驗(yàn)的參數(shù)提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)，使復(fù)材增強(qiáng)片粘接工藝技術(shù)逐漸成熟，并能更好的應(yīng)用于飛機(jī)修補(bǔ)中。同時(shí)彌補(bǔ)了復(fù)材增強(qiáng)片粘接修補(bǔ)工藝的內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)測(cè)的空白，解決了復(fù)材增強(qiáng)片粘接工藝內(nèi)部質(zhì)量無(wú)法控制的問(wèn)題，并在后續(xù)飛行過(guò)程中持續(xù)提供可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于延長(zhǎng)飛機(jī)壽命，保證飛行安全具有應(yīng)用現(xiàn)實(shí)意義。