■ 李洪釗 周波 谷平 王衍斌 黎紅英 李玲/航發(fā)科技

國(guó)內(nèi)首次研制的葉柵式反推裝置有8個(gè)大型金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)膠接件，金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)占反推裝置復(fù)合材料制件的60%，是其中最重要的連接承力組件之一。金屬蜂窩夾芯構(gòu)件的膠結(jié)成型工藝是該反推裝置研發(fā)制造的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)乎航空發(fā)動(dòng)機(jī)反推裝置的質(zhì)量和效能。

金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料中一種特殊類型，是一個(gè)雙曲率型面的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，由蒙皮、蜂窩、加強(qiáng)框和鑲嵌件通過(guò)膠結(jié)的方式連接在一起，直徑約2m，采用熱壓罐工藝膠結(jié)成型，如圖1所示。該工藝結(jié)構(gòu)和型面復(fù)雜、尺寸大，且尺寸精度要求高、工藝難度大。為攻克這些關(guān)鍵技術(shù)難題，航發(fā)科技的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)完成了金屬蜂窩夾芯構(gòu)件膠結(jié)工藝研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了膠結(jié)工藝流程設(shè)計(jì)、雙曲率大直徑零件變形控制、各部件裝配方法研究、熱壓罐固化工藝設(shè)計(jì)、大型多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)膠結(jié)質(zhì)量控制及檢測(cè)等一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，掌握了金屬蜂窩夾芯構(gòu)件熱壓罐膠結(jié)成型工藝的核心技術(shù)。

項(xiàng)目總體思路

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)按照“工藝路徑設(shè)計(jì)—難點(diǎn)分析—關(guān)鍵問(wèn)題識(shí)別—關(guān)鍵問(wèn)題解決辦法分析研究—試驗(yàn)驗(yàn)證—工藝方法調(diào)整與確認(rèn)”的開(kāi)發(fā)思路。通過(guò)膠結(jié)成型型胎方案設(shè)計(jì)等一系列技術(shù)手段，解決了雙曲率大直徑零件變形控制等一系列關(guān)鍵問(wèn)題，完成了工藝開(kāi)發(fā)和研究。

膠結(jié)成型工藝關(guān)鍵技術(shù)

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)零件結(jié)構(gòu)的剖析，經(jīng)過(guò)理論探討及試驗(yàn)摸索，設(shè)計(jì)了膠結(jié)全工藝流程，包括蒙皮與蜂窩的技術(shù)狀態(tài)、蒙皮的磷酸陽(yáng)極化與噴底膠工藝、各部件裝配工藝、熱壓罐固化工藝和檢測(cè)工藝，解決了其中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

各部件裝配工藝

在各部件裝配工藝研究方面，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)主要解決了雙曲率大直徑零件變形控制、多層結(jié)構(gòu)裝配貼合以及真空加壓系統(tǒng)重復(fù)制備等問(wèn)題。

一是設(shè)計(jì)了膠結(jié)成型型胎方案。根據(jù)理論計(jì)算及工藝摸索驗(yàn)證，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)設(shè)置了型胎的最優(yōu)預(yù)留回彈量，解決零件回彈變形。在零件四周增設(shè)擋塊與定位裝置限制零件活動(dòng)，同時(shí)在擋塊的4個(gè)方向分別設(shè)置2個(gè)定位孔控制蒙皮位置，減少膠結(jié)過(guò)程中應(yīng)力導(dǎo)致的變形與人為裝配導(dǎo)致蒙皮錯(cuò)位、偏移問(wèn)題，如圖2所示。

圖2 膠結(jié)成型型胎示意

二是設(shè)計(jì)了預(yù)抽真空加壓工藝。每鋪貼一層膠膜或蒙皮，均通過(guò)在真空值＞90kPa條件下預(yù)抽真空15min，壓實(shí)膠膜與零件，保證膠膜與蒙皮、鑲嵌件等貼合完好，解決了多層結(jié)構(gòu)裝配膠膜、蒙皮貼合不緊、移位等問(wèn)題。

三是制定了可重復(fù)利用真空加壓系統(tǒng)的制備方法。膠結(jié)過(guò)程中需要反復(fù)多次進(jìn)行預(yù)抽真空，一個(gè)零件大概8 ～10次，由于真空袋和密封膠條之間黏結(jié)牢固，黏結(jié)后就很難分開(kāi)，無(wú)法重復(fù)使用，浪費(fèi)大量操作時(shí)間以及真空袋、密封膠條等輔材。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過(guò)在真空袋和密封膠條之間引入一種帶膠四氟布，首先將在工裝上黏結(jié)一圈密封膠條，再按與密封膠條相同的走向，將四氟布的特氟龍面黏結(jié)在密封條上，然后將真空袋黏結(jié)在四氟布的帶膠面上。四氟布里的纖維可以加強(qiáng)真空袋強(qiáng)度，使其在揭開(kāi)時(shí)不容易被扯壞，同時(shí)四氟布的特氟龍面可以與密封膠條輕松脫開(kāi)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)抽真空加壓系統(tǒng)可重復(fù)利用，如圖3所示。

圖3 可重復(fù)利用真空加壓系統(tǒng)制備方法

熱壓罐固化工藝研究

在熱壓罐固化工藝研究方面，主要解決了固化程序和二次固化導(dǎo)致零件變形的問(wèn)題。

根據(jù)理論分析及工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)摸索出了最優(yōu)的溫度、罐壓、真空等工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)了熱壓罐固化工藝程序及參數(shù)，見(jiàn)表1。采用該程序，能夠確保膠結(jié)件在固化過(guò)程中壓力值穩(wěn)定，使零件受壓均勻，保證零件的厚度均勻性，減少零件變形，同時(shí)可以解決嚴(yán)重溢膠的問(wèn)題，保證零件整體膠結(jié)成型質(zhì)量。

表1 熱壓罐固化工藝

同時(shí)，對(duì)熱壓罐固化工藝進(jìn)行改進(jìn)。由于鑲嵌件容易移位，金屬蜂窩膠結(jié)工藝前期采用二次固化工藝，即先將外蒙皮、蜂窩、加強(qiáng)框、鑲嵌件裝配后進(jìn)熱壓罐固化一次，再裝配外蒙皮進(jìn)行第二次固化，二次固化工藝生產(chǎn)周期長(zhǎng)，且會(huì)導(dǎo)致零件嚴(yán)重變形。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種鑲嵌件預(yù)固化的方法，即先將鑲嵌件組裝后，使用調(diào)溫?zé)犸L(fēng)槍設(shè)置120℃，保持約100mm的距離，對(duì)鑲嵌件加熱10min，使膠膜等能夠初步具備可黏結(jié)性，將鑲嵌件進(jìn)行預(yù)固定，防止其在后續(xù)裝配及加壓過(guò)程中移位，成功將二次固化工藝改進(jìn)為一次整體固化成型工藝，提高零件加工效率，大幅度減少零件變形。

噴水穿透法水浸超聲檢測(cè)工藝

在檢測(cè)工藝研究方面，項(xiàng)目主要解決了零件內(nèi)部膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的問(wèn)題。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作了各金屬蜂窩夾芯構(gòu)件的超聲對(duì)比試塊、自由曲面及回轉(zhuǎn)體檢測(cè)工裝，仿形各零件結(jié)構(gòu)、規(guī)劃專用檢測(cè)路徑與檢測(cè)姿態(tài)，試驗(yàn)比較發(fā)射端與接收端不同頻率聚焦與不聚焦水浸探頭的檢測(cè)效果，優(yōu)化檢測(cè)水距及檢測(cè)系統(tǒng)噴液器結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了金屬蜂窩夾芯構(gòu)件噴水穿透法水浸超聲檢測(cè)工藝，解決了自由曲面及雙曲率多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬蜂窩夾芯構(gòu)件的超聲檢測(cè)難題，實(shí)現(xiàn)自主檢測(cè)，為金屬蜂窩夾芯構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量提供了保障。

實(shí)施效能

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)攻克了金屬蜂窩夾芯構(gòu)件熱壓罐成型膠結(jié)工藝中的一系列技術(shù)難題，完成了金屬蜂窩膠結(jié)全工藝流程開(kāi)發(fā)，并通過(guò)（-55 ～175℃）全工況溫度力學(xué)性能測(cè)試，發(fā)泡膠填充完整性試驗(yàn)、超聲掃描內(nèi)部質(zhì)量檢查和尺寸檢查等一系列檢測(cè)手段，驗(yàn)證了工藝的可行性和有效性，已具備了金屬蜂窩夾芯構(gòu)件批量加工能力，掌握了金屬蜂窩夾芯構(gòu)件熱壓罐膠結(jié)成型工藝的核心技術(shù)，打通了金屬蜂窩復(fù)合材料構(gòu)件領(lǐng)域工藝瓶頸。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)還完成了金屬蜂窩夾芯構(gòu)件膠結(jié)固化成型工藝的改進(jìn)，以及可重復(fù)利用真空加壓系統(tǒng)制備方法的改進(jìn)，大幅度減少零件變形，零件輪廓度由5mm降低至0.5mm以內(nèi)。同時(shí)提高了零件加工效率，節(jié)約加工成本，加工周期由12天降至7天，生產(chǎn)周期縮短約42%，預(yù)計(jì)每年節(jié)約加工成本數(shù)百萬(wàn)元。

膠結(jié)工藝的成功開(kāi)發(fā)，促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)反推裝置穩(wěn)定交付，對(duì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力自主保障起到關(guān)鍵作用。該技術(shù)還可推廣至短艙等民機(jī)項(xiàng)目，進(jìn)一步提高反推裝置專業(yè)化制造能力，預(yù)計(jì)每年創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益數(shù)億元，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)束語(yǔ)

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)解決了膠結(jié)成型工藝中的一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，完成了一種大型雙曲率多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬蜂窩夾芯構(gòu)件膠結(jié)成型工藝開(kāi)發(fā)，并應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，填補(bǔ)了大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)反推裝置金屬蜂窩膠結(jié)工藝空白，促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)反推裝置產(chǎn)品穩(wěn)定交付，對(duì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力自主保障起到關(guān)鍵作用。