試論典型發動機的復合材料結構損傷與修理

曹西雷

摘要：航空領域應用了大量的復合材料，在民用航空發動機上就有相當多的復合材料結構。由于復合材料和普通金屬材料在性能上和損傷機理上都有很大區別，因此其維護修理有自己獨有的方法與流程。本文將以民用航空發動機PW4000復合材料結構的損傷修理辦法為例，探討典型發動機中復合材料結構的損傷機理和修理技術。

關鍵詞：典型發動機；復合材料結構；損傷；修理

材料科學的發展使復合材料在航空領域獲得廣泛應用，包括作為核心部件的發動機在內，飛機部件對復合材料的使用比例越來越高，相應的就產生了一定的維護與修理問題。復合材料的結構修理從機理上就跟普通金屬材料有很大區別，是一門極具特點的技術，而發動機作為飛機上最重要的核心部件，其復合材料結構又具有自己的特點，因此相關的損傷機理和修理技術都需要仔細研究，謹慎對待。

1. 復合材料損傷

復合材料損傷的類型繁多、模式復雜，而且經常出現多種損傷混雜在一起的現象，因此無論是檢測還是評價都比金屬材料損傷困難。

1.1損傷類型

復合材料的損傷類型可以按兩種方法進行分類，分別是損傷原因和可修性。

1.1.1按損傷原因分類

（1）制造缺陷

制造缺陷是在生產過程中產生的缺陷，產生原因包括工藝不合理、材料不合格、人為操作不當等。這種缺陷產生的損傷中常見的有表面損傷、孔隙、分層和脫膠。

（2）使用損傷

使用損傷是飛機服役過程中，人為操作出現失誤所造成的損傷，包括表面劃傷與凹陷、分層、脫膠、邊緣損傷、穿透損傷。這類損傷往往是可以避免的。

（3）環境損傷

環境損傷同樣產生于飛機服役的過程中，但并非人為引起，而是由于各個部件所處的工作環境影響而產生的一些難以避免的損傷，發動機中復合材料結構的損傷往往屬于這一類。這類損傷包括腐蝕坑、分層、穿透損傷、表面氧化等，其中分層在以纖維類進行增強的復合材料結構部件中較為常見，這點我們下文的例子中會提到。

1.1.2按可修性分類

（1）許用損傷

意即不用立即進行修理的損傷，對飛機總體結構的完整性幾乎沒有影響，不進行修理飛機也可以正常服役。但需要注意的是，這種損傷有規定的修理時間，務必要在這個時間之內完成永久性修理。

（2）可修損傷

會對飛機的正常服役產生影響，飛機的完整性和功能性都會因這類損傷而受到限制，因此必須立即修理。這類損傷通常并沒有嚴重到對飛機部件造成永久性損害，因此由維修人員進行修補即可。

（3）不可修損傷

無法通過現有的技術水平和方法進行維修的損傷，即使勉強修理，修理后的部件也不能達到要求的功能指標了，是損傷中較為嚴重的一類。這類損傷只能對損傷部件進行更換或返廠處理。

1.2損傷檢測

只有發現損傷才能進行修理，因此通過無損檢測找到復合材料結構的損傷部位是修理工作的前提，需要根據具體損傷情況進行可修不可修的判斷和修理方案的確定。目前復合材料結構損傷檢測中常用的無損檢測法有如下幾種：

1.2.1. 目視檢測

以目測的方法來發現某些直接可見的損傷，包括各種物體撞擊造成的損傷，或者肉眼可見的凹坑等。發動機進氣錐中卷入異物時所造成的損傷就可以用這種方法發現。

1.2.2. 熒光檢測

該檢測法對檢測人員的經驗水平要求很高，具體方法是以小錘等工具敲擊復合材料結構的部件，利用細微的聲音差異來判別損傷情況。

1.2.3. 射線檢測

對一些復雜或夾層結構，可以用X射線進行檢測。因為X射線的穿透性極強，所以對復合材料結構的一些內部損傷可以直接成像顯示出來，直觀而又簡便。

1.2.4. 超聲檢測

使用超聲波反射檢測技術，不但能確定損傷的位置，還能判明損傷類型、損傷深度等多重信息，大部分損傷都可以依靠這種方法檢測出來，因此該方法目前在復合材料結構的損傷檢測工作中應用最廣。

2. 典型發動機的復合材料結構修理（PW4000）

接下來將以PW4000發動機為例分析典型發動機中的復合材料結構，并研究其可能出現的損傷與修理方法。這種航空發動機由美國普惠公司生產，在多種型號的民用飛機上都有使用，是典型發動機的一種。該發動機使用復合材料的結構比較集中，基本都是位于發動機前部的冷端部件，具體包括進氣錐、風扇的出口導葉、出口整流罩、機匣防磨板與內襯板等。

2.1進氣錐的損傷與修理

PW4000沿用當初JT9D發動機的結構形式，為橢球形構造，前部為前錐蓋，后部為后錐體，內部的防冰功能由高壓壓氣機提供，因為其可以引出熱空氣。在材料成分上則以環氧樹脂為基體，再用高強度的凱夫拉纖維加強。

這種發動機的進氣錐有一個特點就是尺寸較大，這使得其更易被外物擊傷，所幸其構造為橢球形，因此能夠以離心力將誤入的外物甩出，有效規避外物飛入發動機核心的危險。由于易被外物擊傷，所以這種發動機進氣錐的損傷形式有多種，常見的有錐體表面裂紋、局部凹坑掉塊和纖維分層等。這些損傷中有些是不可修復的，比如大尺寸的裂紋、纖維嚴重分層，這類損傷都只能通過換件來解決，而諸如小尺寸裂紋、局部凹坑掉塊之類的損傷則可以進行修理，具體修理方法是先用環氧樹脂對損傷處進行填充，等樹脂完全固化后再對填充處用砂紙進行打磨，直到氣動表面恢復為止。

2.2風扇出口導葉的損傷與修理

PW4000型發動機的減重效果非常好，這跟它的風扇出口導葉使用了復合材料有很大的關系。PW4000發動機所使用的風扇出口導葉在復合材料構成上以環氧樹脂為基體，以碳纖維進行增強，這使得其風扇的出口機匣在重量上比金屬出口導葉的風扇出口機匣輕了50%。

發動機的風扇出口導葉在各方面的性能要求很高，因為其受高速氣流的沖擊很大。值得注意的是，這種靠纖維增強的復合材料本身就容易產生分層的損傷，雖然通過在導葉前緣粘接鈦合金薄片的方式可以使風扇出口導葉分層報廢的幾率大大降低，但是這個部件的損傷率依然是PW4000型發動機的諸多復合材料結構部件中最高的。在其損傷中，導葉前緣的磨損、小面積的剝層分層都屬于不太嚴重的類型，前者可以對前緣的鈦合金片進行更換，后者可以在出現剝層的部位用環氧樹脂和碳纖維補片。而裂紋、嚴重擊傷等重大損傷則無法修理，當出現這類損傷時，風扇出口導葉整根都要更換。

2.3風扇出口整流罩的損傷與修理

風扇出口整流罩的安裝位置是核心機匣的前端，其復合材料構成與前面提到的進氣錐并無區別，結構上則非常簡單，但采用了和風扇出口導葉類似的防沖擊、防分層方式——在前緣粘接了不銹鋼薄片。

與其他型號發動機的鋁合金整流罩相比，PW4000發動機結構簡單、抗沖擊性強的復合材料風扇出口整流罩無論是損傷率還是報廢率都是相當之低的。這種風扇整流罩偶爾會發生的損傷基本只有局部的纖維剝落而已，這種損傷只要用環氧膠對多層纖維布進行粘接補片就可以輕易地修補。

2.4其他復合材料結構的損傷與修理

PW4000發動機的其他復合材料結構中以風扇機匣的防磨板和位于出口機匣內側的整流板比較容易產生損傷。其中防磨板的耐磨性能很高，但其自身韌性不夠高，受到發動機運轉時那強大的離心力影響，非常容易產生裂紋，在修理上也比較困難。

3. 結語

我國目前在航空發動機的自主生產研發上進展緩慢，因此航空發動機的維修問題在未來一段相當長的時間里仍會是技術重點，而其中復合材料結構的維修技術也會越來越重要。本文以PW4000型發動機為例對相關維修技術進行了分析與研究，希冀能為維修技師們提供一定的幫助，不只增長其對航空發動機中復合材料結構部件的維修經驗，更為國產航空發動機的研發提供一定的理論參考。

4. 參考文獻

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