民用飛機鈦合金蒙皮成型表面缺陷的工程處置研究

孫競偉

【摘 要】鈦合金蒙皮成型表面缺陷是民用飛機制造過程中的常見偏離問題。本文研究了某民機的鈦合金蒙皮成型技術特性，梳理了結構修理中鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題的分析思路和處置方法，提出了民用飛機鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題的工程處置流程。以某民機APU艙門鈦合金內蒙皮成型表面缺陷問題為例，說明了該分析研究在結構修理有一定的工程指導意義。

【關鍵詞】鈦合金蒙皮；成型表面缺陷；工程處置

蒙皮是民機結構的主要組成部分。蒙皮形成飛機外形，飛機在承受空氣動力作用后，通過蒙皮將作用力傳遞到機身骨架上。因此，對于蒙皮而言，不僅要求蒙皮具有較好的強度和塑性，還要求蒙皮表面光滑，滿足氣動要求。

鈦合金同其他結構金屬相比，具有比強度高和耐腐蝕性能好兩個顯著優點，被廣泛應用于現代飛機制造業中。但鈦合金機械加工困難，成本比較高，在生產制造過程中表面容易產生劃傷、擦傷、刻痕、碰傷、磕傷等損傷情況，對其性能產生一定影響。

本文在對民機鈦合金蒙皮特性進行了一定研究，并在此基礎上提出了鈦合金蒙皮表面損傷問題處置流程，并將該流程應用到某民機APU艙門鈦合金內蒙皮成型表面缺陷問題的工程處置之中。

1 鈦合金蒙皮成型的主要特性

在國內，機身蒙皮應用較為廣泛的材料有鋁合金、復合材料、鈦合金、不銹鋼等。隨著我國航空工業的不斷發展，鈦合金材料在飛機結構上的應用不斷增多，尤其是用于飛機蒙皮材料，相對于傳統鋁合金材料，鈦合金能收到大幅度減輕飛機重量的效果，而減輕重量又可以提高飛機飛行性能，從而降低民用飛機的運營成本。另外，當接觸表面溫度普遍高于200℃是，鋁蒙皮已經不再適用，需要用鈦合金取代。

蒙皮的表面成型效果對其結構、氣動性能以及飛機外觀和使用壽命有很大影響。鈦合金薄板件在成型過程中對模具的表面質量和周圍環境有很高的要求，因此，必須對結構進行適當的保護和檢查，防止結構產生表面損傷問題。

我國的鈦合金生產和應用中，Ti-6Al-4V占主要地位，由于受到制造技術的限制，鈦合金蒙皮在航空工業中的應用任然存在阻礙。Ti-6Al-4V合金板材具有一定的沖壓工藝性能，可以再加熱狀態下形成各種形狀的零件，但對于薄板曲面零件而言，容易由于不均勻冷卻產生翹曲和殘余應力。若對鈦合金蒙皮成型過程中產生的表面缺陷不能妥善處理，則零件該零件的強度、外觀和功能都會受到影響。

本文中所涉及的APU艙門內蒙皮是作為直接與APU艙內高溫區域接觸的防火材料，因此其選用材料為Ti-6Al-4V。由于APU艙門內表面外形為曲面，因此選用拉伸成型的方法對其外形進行加工。在加工過程中，由于模具表面粗糙度和周圍環境質量問題，以及加工工藝參數不成熟等問題，使得該鈦合金蒙皮在成型后表邊出現點蝕、橘皮和波紋度超差等缺陷。

2 表面損傷處置流程

在了解鈦合金蒙皮表面成型特性的基礎上，可以對鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題的特點和結構修理方法進行分析和研究，總結該類問題處置的一般流程，見圖1。

對于鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題，首先要判斷該缺陷是何種類型的缺陷，一般的缺陷類型有三種，即凹坑、凹陷和波紋度超差。

波紋度超差這類缺陷，首先根據超差所處區域判斷該處超差是否能滿足功能性要求，如果對飛機的氣動外形影響可接受且滿足功能性需求的前提下，則認為該波紋度超差的缺陷可以接受。如果不能滿足功能性要求或者對飛機的氣動外形影響不可接受，則需要對波紋度超差區域進行校形。

凹坑和凹陷這兩種類型的缺陷，首先應判斷該缺陷處蒙皮是否已經產生裂紋，如果沒有產生裂紋則對缺陷處進行打磨，打磨范圍和打磨半徑需滿足工藝文件要求，并在打磨后按原圖紙要求進行表面保護。

對于的三種缺陷情況，若是在檢測過程中發現缺陷處出現裂紋，則必須去除蒙皮上裂紋區域，并對其進行后續修理以及強度校核。若不滿足強度要求，則需要對修理區域進行強度補強處理，如用加強板對該缺陷區域進行加強等。補強后再次進行強度校核，以及補充氣動校核，并對氣動校核不滿足的區域進行填平處理，直到滿足強度和氣動要求為止。最后再對修理后的表面按工程需要進行表面保護。

3 應用案例

某民機APU艙門鈦合金內蒙皮表面存在多條波紋，波峰波谷最大深度0.3mm，且在非波紋區域有兩處凹坑，深度0.2mm，一處凸起，高度0.2mm，材料厚度無減薄，缺陷情況如圖2所示。通過工程分析，缺陷產生的主要原因為該鈦合金蒙皮在制造過程中由于加工工藝不成熟導致。通過對該區域的結構和功能特點分析，結合問題產生的原因，明確了如下結構修理方案。

首先對波紋度不滿足要求的區域進行校形，以減小波紋度缺陷，并對凹坑和凸起處進行打磨，打磨范圍包括打磨長度、打磨寬度和打磨深度，打磨范圍要覆蓋碰傷區域。校形及打磨后，對校形區域、凹坑區域和凸起區域分別進行裂紋檢查，通過檢測報告發現，缺陷區域并沒有出現裂紋。然后對缺陷區域進行強度評估，打磨深度占零件總厚度的百分比較小，對強度的影響可接受。最后再對工程處置后的蒙皮外形進行氣動性能評估，由于該鈦合金蒙皮應用于飛機的內表面，對飛機的氣動性能無影響，故可以判定可以使用因此，經過一系列分析評估，可以使用校形和打磨的方案對該損傷問題進行工程處置。

4 結語

表面損傷問題是民用飛機蒙皮的典型制造偏離之一。本文在探討鈦合金蒙皮成型表面特性的基礎上，通過一系列的分析，總結歸納了民用飛機鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題在結構修理中的一般處置方法，提出了民用飛機鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題處置流程。在實際的工程處置過程中，該分析研究可以為鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題處置提供清晰的思路和方法，提高該類結構制造偏離的處置效率。

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[責任編輯：朱麗娜]endprint