楊 姝,魏文濤,崔海超,亓 昌,盈 亮

(1.大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024;2.中國航空制造技術(shù)研究院, 北京 100024;3.大連理工大學(xué) 寧波研究院, 浙江 寧波 315016)

0 引言

纖維金屬層合板(fiber metal laminates,FMLs)是由金屬薄板和纖維增強復(fù)合材料按一定順序交替鋪疊而成的一種先進(jìn)復(fù)合材料[1]。FMLs集成了金屬材料與纖維增強復(fù)合材料的優(yōu)勢,具有輕質(zhì)、高強、抗疲勞、耐腐蝕等諸多優(yōu)點,目前已在航空航天領(lǐng)域重要結(jié)構(gòu)部件中得到了廣泛應(yīng)用。例如,空客A380飛機將GLARE層板應(yīng)用于機身壁板,應(yīng)用面積達(dá)470 m2[2]。

FMLs的高性能成形制備是實現(xiàn)其工程應(yīng)用的前提和關(guān)鍵,需要綜合考慮金屬材料的成形加工[3]、纖維增強復(fù)合材料的固化成形,以及二者之間的層間協(xié)調(diào)變形和層間結(jié)合強度,避免產(chǎn)生分層失效。目前,國內(nèi)外針對FMLs成形的研究主要圍繞傳統(tǒng)的塑性成形方法。Alireza等[4]證明了采用拉深工藝成形FMLs的可行性,評估了預(yù)膨脹壓力、最終腔室壓力和拉深比等工藝參數(shù)對層板成形性能的影響;Russig等[5]采用噴丸工藝成形了玻璃纖維增強金屬層合板(GLARE)試件,證明了此工藝成形簡單曲率GLARE試件的可行性,同時指出需要對成形后的層板進(jìn)行必要的無損檢測;Liu等[6]研究了纖維層取向?qū)_壓成形過程中GLARE層板成形性能的影響,結(jié)果表明,中間層的單向和多向纖維對3層板材的減薄和表面成形質(zhì)量影響顯著;李磊等[7]分析了充液成形工藝中壓邊間隙和液室壓力對編織FMLs成形質(zhì)量的影響,證明當(dāng)壓邊間隙略小于層板厚度,最大液室壓力為10 MPa時,可成形出無缺陷的試件。然而,傳統(tǒng)的成形方法對目標(biāo)結(jié)構(gòu)曲率的限制較大,成形效率較低、成本較高,且缺乏對熱固性和熱塑性[8-9]2類樹脂基FMLs成形規(guī)律的深入研究。

熱態(tài)氣壓成形技術(shù)[10-11]利用高溫環(huán)境下材料易變形和高壓氣體的隨形加載特性可實現(xiàn)合金和復(fù)材試件的高效精確成形。劉鋼等[12]開展了矩形截面鈦合金試件的高壓氣脹成形實驗,證明采用合理的加載路徑能高質(zhì)高效地實現(xiàn)鈦合金異形管件的成形制造;秦中環(huán)等[13]基于高溫氣脹成形工藝研究了預(yù)成形和氣壓加載速率對鋁合金球頭成形件壁厚分布均勻性的影響規(guī)律,確定了預(yù)成形和終成形優(yōu)化方案;Chen等[14]證明了碳纖維復(fù)材熱氣壓成形的可行性,分析了成形溫度、成形壓強、加壓速率等工藝參數(shù)對CFRP成形試件力學(xué)性能的影響。本文采用熱態(tài)氣壓成形技術(shù)成形單曲率GLARE層板試件,以成形試件的壁厚分布和成形深度作為表征參數(shù),研究不同成形溫度和成形壓強對熱固性和熱塑性樹脂基GLARE層板成形性能的影響規(guī)律,為纖維金屬層合板熱態(tài)氣壓成形工藝優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

本研究中成形單曲率GLARE層板試件選用的鋁合金型號為2024-T3,厚度為0.3 mm,根據(jù)ASTM-E8標(biāo)準(zhǔn)測得力學(xué)性能參數(shù)值如表1所示。層板分別選用山東光威公司生產(chǎn)的環(huán)氧基熱固性玻璃纖維增強預(yù)浸料和PP基熱塑性玻璃纖維增強預(yù)浸料,其中環(huán)氧基預(yù)浸料厚度為0.15 mm,PP基預(yù)浸料厚度為0.45 mm。廠商提供的基本力學(xué)性能參數(shù)值如表2所示。本研究采用的層板鋪疊方式為鋁合金層/預(yù)浸料層/預(yù)浸料層/鋁合金層,預(yù)浸料按照0°/90°纖維方向鋪層。為增強預(yù)浸料層和鋁合金層的界面黏結(jié)強度,從而促進(jìn)兩者協(xié)調(diào)變形,減少成形試件分層缺陷,需分別對鋁合金板和預(yù)浸料進(jìn)行預(yù)處理[15]。如圖1所示,對鋁合金板進(jìn)行機械打磨及清洗,除去表層氧化膜,提高表面粗糙度;對預(yù)浸料進(jìn)行烘干處理,除去內(nèi)含水分。

圖1 材料預(yù)處理流程及結(jié)果圖

表1 2024-T3鋁合金基本力學(xué)性能參數(shù)值

表2 玻璃纖維增強預(yù)浸料主要力學(xué)性能參數(shù)值

1.2 試驗裝備

采用自行設(shè)計開發(fā)的熱態(tài)氣壓成形機開展GLARE層板熱態(tài)氣壓成形工藝研究。該設(shè)備主要由氣壓系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和成形模具4大部分組成,如圖2所示。其中,氣壓系統(tǒng)包括氣源、控制臺、進(jìn)排氣管路等部分,起到快速向模具型腔內(nèi)充氣加壓并精確控壓的作用;溫控系統(tǒng)由控溫箱、加熱圈、熱電偶等組成,旨在較短時間內(nèi)將模具加熱至目標(biāo)溫度,實時反饋模具內(nèi)部溫度,并在成形過程中保持溫度恒定;冷卻系統(tǒng)包括水泵、管路和水冷板等,用于冷卻設(shè)備各組件并帶走多余熱量;成形模具由上模具和半球形下模具組成,上下模合模后可提供熱氣壓成形所需的密閉型腔。成形時先將層板坯料放置在下模具上,通過壓邊圈壓緊,如圖3(a)所示;隨后,利用氣壓系統(tǒng)將高壓氣體充入型腔,在一定溫度下將GLARE層板吹脹成形,直至貼合下模具型腔表面,如圖3(b)所示。

圖2 熱氣壓成形設(shè)備示意圖

圖3 GLARE層板熱態(tài)氣壓成形過程示意圖

1.3 試驗方案

分別根據(jù)環(huán)氧基和PP基2種樹脂的受熱融化溫度[16]、最大耐熱溫度,并按相等間距確定工藝實驗的溫度參數(shù)值設(shè)置;實驗中氣體壓強峰值為5 MPa,同樣按等間距確定壓強參數(shù)值設(shè)置。GLARE層板熱態(tài)氣壓成形實驗工藝參數(shù)取值如表3所示。GLARE層板熱態(tài)氣壓成形工藝路線如圖4所示,包括成形溫度、氣體壓強和壓邊力隨時間的變化過程。首先將模具加熱至工藝路線參數(shù)設(shè)置中相應(yīng)的溫度,隨后將鋁合金板和預(yù)浸料交替鋪層后放置在下模具上表面,并合模使試件升溫;待試件加熱至目標(biāo)溫度時,由氣壓系統(tǒng)按均勻的加壓速率向模具型腔充氣,直至預(yù)設(shè)氣壓;之后保溫保壓一段時間,以保證層板被充分脹形;接著保持氣壓和壓邊力不變,開啟冷卻系統(tǒng),使成形后的試件冷卻固化,當(dāng)溫度降至固化點時卸去載荷,取出試驗件。成形結(jié)束后,觀察評估試件的分層、破裂情況,測量壁厚分布及成形深度,并結(jié)合試驗工藝條件對結(jié)果進(jìn)行分析討論。

表3 GLARE層板熱態(tài)氣壓成形實驗工藝參數(shù)取值

2 結(jié)果和討論

2.1 GLARE層板熱態(tài)氣壓成形性能及表征方法

在GLARE層板熱態(tài)氣壓成形過程中,由于金屬層與纖維復(fù)合材料層力學(xué)性能的差異,易出現(xiàn)因兩者變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的層板分層失效。此外,成形溫度過高可能引起纖維復(fù)合材料層失效,進(jìn)而導(dǎo)致金屬層達(dá)到成形極限而破裂。為評估和表征層板成形性能,首先觀測成形試件是否存在分層或破裂情況,隨后分別采用測厚儀和測高儀檢測層板厚度分布和最大成形深度。由于成形過程中樹脂受熱融化流動導(dǎo)致試件厚度分布不均勻,因此從試件中心至邊緣沿徑向分別取7個測試點測厚,如圖5所示,測量時取0°、90°、180°和270°四個方向?qū)?yīng)測量點的厚度值,并取平均值作為該點的厚度值。采用測高儀測量試件的最大成形深度H,即試件穹頂高度,如圖6所示?？傮w上,若所制備的GLARE層板試件表面光潔度及平整度良好,無顯著分層缺陷或破裂現(xiàn)象,各處厚度均勻性良好,即可判定為成形質(zhì)量較好的試件。

圖5 GLARE層板厚度測試位置分布

2.2 成形溫度對GLARE層板成形性能的影響

成形溫度對薄壁試件的塑性成形性能和成形質(zhì)量影響顯著。因此,首先保證其他工藝參數(shù)不變,試驗研究熱態(tài)氣壓成形溫度變化對GLARE層板試件壁厚分布和成形質(zhì)量的影響。對比起見,分別針對采用環(huán)氧基和PP基樹脂預(yù)浸料層的GLARE層板開展研究。

圖7展示了表3中編號T1—T5的GLARE層板試件成形試驗結(jié)果,該組試件采用熱固性環(huán)氧樹脂預(yù)浸料,成形氣壓5 MPa。可以看出,成形溫度不超過140 ℃時,試件成形質(zhì)量良好,并且可以緊貼模具;當(dāng)成形溫度達(dá)到150 ℃時,外層鋁合金和纖維復(fù)材層均發(fā)生失效現(xiàn)象,且法蘭區(qū)域出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。

圖7 不同溫度下環(huán)氧基Glare層板試件成形結(jié)果

分析原因如下：環(huán)氧樹脂的融化溫度約為100 ℃,高于融化溫度時,處于熔融狀態(tài)的樹脂在上下2層鋁板擠壓下自由流動,可以成形出質(zhì)量良好的試件;當(dāng)達(dá)到150 ℃(環(huán)氧樹脂熱分解溫度)時,樹脂焦化引起金屬層和復(fù)合材料層界面失效,進(jìn)而導(dǎo)致GLARE層板分層,纖維斷裂以及鋁合金層破裂。

圖8是成形溫度110～140 ℃時沿中心至邊緣方向測得的試件在圖5所示樣點處的厚度分布情況。

圖8 不同溫度下環(huán)氧基GLARE層板試件成形厚度分布

總體上看,從樣點1～7,即從成形試件中心至邊緣,不同溫度下的厚度變化趨勢均是先增大后減小。其中試件中心處厚度最小,且均小于層板原厚度;最大厚度集中出現(xiàn)在樣點5附近,即模具圓角處,且厚度大于層板原厚度。這是由于試件中心部分首先貼模,熔融態(tài)的樹脂受上下2層鋁合金板的擠壓作用而向外部移動;同時由于壓邊圈的作用,樹脂被擠壓至模具內(nèi)側(cè),導(dǎo)致靠近壓邊圈的圓角部分預(yù)浸料層厚度增加,從而引起層板總體厚度增加。

采用熱塑性PP基預(yù)浸料的GLARE層板在不同溫度下的熱氣壓成形結(jié)果如圖9所示,對應(yīng)表3中編號T6—T10的試件。實驗發(fā)現(xiàn),160 ℃時試件成形質(zhì)量較差,層板法蘭區(qū)域金屬層和纖維層出現(xiàn)嚴(yán)重分層,且內(nèi)層鋁合金層發(fā)生了破裂。分析原因是該溫度下樹脂尚未達(dá)到完全熔融狀態(tài),導(dǎo)致纖維層塑性變形能力不足,影響了內(nèi)層鋁合金的成形,進(jìn)而發(fā)生破裂;同時,由于鋁合金層和纖維層未協(xié)調(diào)變形,導(dǎo)致試件發(fā)生了分層。成形溫度在170～200 ℃區(qū)間內(nèi)時試件成形質(zhì)量良好,且均能貼合模具;在200 ℃下成形時出現(xiàn)了少量煙霧,判斷為部分PP樹脂發(fā)生了熱解,故將200 ℃設(shè)定為最高成形溫度。

圖9 不同溫度下PP基Glare層板試件成形結(jié)果

測量T7—T10成形試件相應(yīng)測量點的壁厚值,其分布情況如圖10所示?？梢钥闯?4個成形溫度下試件厚度變化趨勢大致相同,均從試件中心到邊緣先增大后減小。最小厚度分別出現(xiàn)在試件中心處和最外側(cè)邊緣;其中,中心位置厚度減小是由于高溫下PP樹脂流動性強,在上下層鋁板擠壓下,樹脂向兩側(cè)流動所致;最大厚度出現(xiàn)在模具圓角處,這是由于高溫下熔融態(tài)的樹脂在上下鋁層的擠壓以及壓邊圈阻隔作用下,在模具圓角處出現(xiàn)了較明顯的堆積現(xiàn)象,導(dǎo)致成形后的試件在該處的壁厚大于成形前的壁厚。

圖10 不同溫度下PP基GLARE層板試件成形厚度分布

2.3 成形壓強對GLARE層板成形性能的影響

基于上述成形溫度對GLARE層板熱態(tài)氣壓成形性能的影響規(guī)律研究結(jié)果,分別設(shè)定環(huán)氧基和PP基GLARE層板試件的熱氣壓成形溫度為130 ℃和170 ℃,進(jìn)而以成形時的氣體壓強為工藝參數(shù)變量,研究其對采用2種類型預(yù)浸料的GLARE層板熱氣壓成形性能的影響規(guī)律。其中,表3中編號P1—P4的環(huán)氧基GLARE層板試件的熱氣壓成形試驗結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同壓強下環(huán)氧基Glare層板試件成形結(jié)果

實驗采用的單曲率下模具最大深度為20 mm,利用測高儀分別測量不同氣壓下的試件成形深度,結(jié)果如圖12所示。當(dāng)充氣壓強為2～3 MPa時,試件未實現(xiàn)貼模;當(dāng)壓強增至4 MPa時,試件完全貼模,且成形質(zhì)量良好;當(dāng)壓強繼續(xù)升至5 MPa時,試件同樣緊貼模具,且成形質(zhì)量依然良好,故無須再增大充氣壓強。選取4 MPa和5 MPa下的成形試件測量壁厚,結(jié)果如圖13所示?？傮w上,2試件的壁厚分布與不同溫度下的層板厚度變化類似,即沿著試件中心至邊緣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且最小厚度出現(xiàn)在試件中心位置,最大厚度出現(xiàn)在模具圓角處。如所預(yù)期,充氣壓強為5 MPa時試件的平均厚度比4 MPa時要小,這是由于金屬層在較高的充氣壓強下減薄率更大,加之高氣壓會促使熔融態(tài)的樹脂向四周流動,從而導(dǎo)致試件整體平均厚度偏小。

圖12 不同壓強下環(huán)氧基Glare層板試件成形深度直方圖

圖13 不同壓強下環(huán)氧基Glare層板試件成形厚度分布

表3中編號P5—P8的PP基GLARE層板試件熱氣壓成形試驗結(jié)果如圖14所示。分別測量4種壓強下試件的最大成形深度,結(jié)果如圖15所示。

圖14 不同壓強下PP基Glare層板試件成形結(jié)果

圖15 不同壓強下PP基Glare層板試件成形深度直方圖

當(dāng)充氣壓強為2 MPa時,試件成形不充分,未實現(xiàn)貼模;當(dāng)充氣壓強為3 MPa時,試件即成形完全并緊貼模具;當(dāng)壓強進(jìn)一步增至4、5 MPa時,試件均成形良好,貼模完全。說明對于單曲率GLARE層板熱態(tài)氣壓成形,熱塑性樹脂較熱固性樹脂在更小的氣壓下即可實現(xiàn)試件貼模,熱塑性樹脂基GLARE層板的成形能力更強。

取3～5 MPa下成形質(zhì)量良好的試件,測得其壁厚分布如圖16所示?？梢钥闯?3種壓強下試件壁厚分布規(guī)律基本一致,都是從中心到邊緣呈先增大后減小的趨勢;其中3 MPa下試件中心位置處厚度最大,5 MPa下厚度最小;而在模具圓角處,成形壓強越大,壁厚越大;這是由于在較高的充氣壓強下,兩側(cè)鋁合計層的擠壓進(jìn)一步促進(jìn)樹脂流動,從而使試件中心位置厚度減小,而由于壓邊圈的擠壓作用,模具圓角處層板厚度增大。

圖16 不同壓強下PP基Glare層板試件成形厚度分布

3 結(jié)論

分別對熱固性、熱塑性樹脂基單曲率GLARE層板進(jìn)行了熱態(tài)氣壓成形試驗,以成形后試件的壁厚分布和最大成形深度為表征參數(shù),研究了成形溫度和成形氣壓對GLARE層板熱態(tài)氣壓成形性能的影響規(guī)律及機理,主要結(jié)論如下：

1) GLARE層板熱氣壓成形溫度區(qū)間取決于樹脂的融化溫度和熱分解溫度。成形溫度偏低時,樹脂融化不完全,纖維層成形性能較差,導(dǎo)致試件發(fā)生分層失效;成形溫度過高時,樹脂易發(fā)生分解失效,鋁合金層易出現(xiàn)破裂。環(huán)氧樹脂基GLARE層板熱氣壓成形溫度區(qū)間為110～140 ℃;PP樹脂基GLARE層板熱氣壓成形溫度區(qū)間為170～200 ℃。在上述溫度區(qū)間內(nèi),成形溫度越高,層板的成形質(zhì)量越好。

2) 成形溫度對2種樹脂基GLARE層板的壁厚分布影響規(guī)律基本一致,均從試件中心至邊緣先增大后減小,且最小厚度位于試件中心,最大厚度位于模具圓角區(qū)域。這是由于高溫下熔融態(tài)樹脂流動性強,在試件中心處受到上下鋁合金板擠壓而向外側(cè)流動,導(dǎo)致中心厚度較小;同時,向外側(cè)流動的樹脂受壓邊圈阻隔,在模具圓角對應(yīng)區(qū)域發(fā)生聚集,從而導(dǎo)致該處厚度較大。

3) 隨著成形壓強增大,試件成形深度增大,并逐漸貼合模具。試驗采用的熱固性環(huán)氧樹脂GLARE層板在氣體壓強為4 MPa時完全貼模;熱塑性PP樹脂GLARE層板在氣體壓強為3 MPa時即完全貼模,說明相較于熱固性樹脂,采用熱塑性樹脂的GLARE層板熱態(tài)氣壓成形能力更強。