磨料氣射流去除CFRP表面涂層

武 俊

(安徽理工大學機械工程學院 安徽 淮南 232000)

一、引言

碳纖維是含碳量在90%以上的碳素材料。碳纖維具有低密度、耐摩擦、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能[1]。因此，碳纖維在各個工業(yè)領(lǐng)域被廣泛的應用。在航空領(lǐng)域中，碳纖維復合材料(CFRP)主要被用于副翼、整流罩和水平尾翼等。有效的降低了飛機重量，提高了飛機的耐腐蝕性和耐疲勞性。

為了保持飛機良好的飛行性能，飛機涂層顯得尤為重要。而飛機在飛行過程中會受到氣流沖擊、腐蝕等不利因素的影響，碳纖維板表面涂層會產(chǎn)生裂紋、脫落等損傷，因此飛機在檢修的時候，如何有效去除CFRP表面涂層成為了必須解決的問題。目前,國內(nèi)主要采用手工打磨、激光除漆和化學除漆法來去除飛機部件表面涂層[2]。手工打磨法不易控制力度，容易在去除CFRP表面涂層的時候破壞基體組織。激光除漆法需要消耗大量的能量來產(chǎn)生激光，容易灼燒碳纖維基體[3]。王議研究發(fā)現(xiàn)，化學除漆法具有腐蝕性，能夠腐蝕碳纖維材料，污染環(huán)境[2]。

磨料氣射流拋光(Abrasive Jet Polishing，簡稱AJP)是一種利用由噴嘴小孔高速噴出的混有細小磨料粒子的氣固兩相流體作用于工件表面的表面處理工藝。一些形狀復雜的部件表面涂層也可以用AJP進行去除。20世紀末，國外通過噴涂樹脂介質(zhì)顆粒對復合材料表面進行除漆并取得了良好的效果[4]。波音787CFRP的用量高達50%。CFRP在飛機上的大量應用讓AJP在飛機涂層去除上的應用擁有廣闊的前景。國內(nèi)鮮有人對磨料氣射流去除CFRP表面涂層進行研究。張朵等人發(fā)現(xiàn)噴丸脫漆技術(shù)能夠很好的去除涂層，且不損傷玻璃纖維基體。CFRP以其優(yōu)異的性能，被廣泛地應用在飛機制造領(lǐng)域。因此開展CFRP表面涂層磨料氣射流去除技術(shù)的研究對于該類材料的維修維護具有重要意義。

二、實驗

(一)實驗設備與材料

圖1和圖2顯示了AJP的實驗裝置。本試驗采用廣東JCK機械設備有限公司9060a型干式噴砂機作為實驗設備。磨料預先放置在磨料罐中，當氣路電磁閥啟動時，磨料被吸入到噴槍中，進入噴槍的磨料經(jīng)壓縮空氣加速后，可進行噴砂處理。

圖1 噴砂機 圖2 噴砂機細節(jié)圖

(二)實驗方法

利用理論與實驗相結(jié)合的方法，以磨料氣射流脆性去除理論為理論依據(jù)，研究CFRP表面涂層的磨料氣射流去除工藝。利用FlexSEM1000型掃描電子顯微鏡觀察試驗前后試樣的表面形貌與成分。

(三)工藝參數(shù)的確定

實驗使用的磨料為氨基塑料磨料，其元素成分主要是C和O。它的微觀形貌圖和能譜圖如圖3所示，其中能譜圖中的Au和Ba元素是做掃描電鏡噴金預處理加入的元素。實驗中的操作變量有噴射壓力、噴射角度、噴射距離和磨料目數(shù)等?？紤]到噴砂機的進氣壓力范圍，選取噴射壓力為：0.1～0.5MPa。噴射角度選取方便操作的70°。根據(jù)以往拋光其他試樣的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)20～30目的磨料去除效果較好，所以選用20～30目的磨料。噴射距離選取6cm。

圖3 (a)磨料微觀形貌圖；(b)磨料能譜圖

三、加工機理與模型分析

(一)磨料氣射流脆性去除機理分析

實驗所采用的碳纖維板試樣結(jié)構(gòu)，其表面涂層為環(huán)氧類保護層，分為底漆和面漆兩層，基體是CFRP。本實驗可根據(jù)實際要求只去除面漆保留底漆，也可以有效去除底漆。

試樣表面的面漆屬于脆性材料。當高速磨料顆粒沖擊試樣表面時，在沖擊點處會產(chǎn)生壓應力，形成變形區(qū)，在持續(xù)載荷的作用下，變形區(qū)的底部會產(chǎn)生裂紋。同時，當載荷超過產(chǎn)生裂紋的極限載荷時，即使沒有持續(xù)載荷的作用，材料內(nèi)部的殘余應力也會導致裂紋的橫向擴展，錯綜復雜的橫向裂紋最終導致材料的去除。

由圖4可知，開始噴射的時候磨料粒子a1、b1、c1剛沖擊到試樣表面不會造成涂層的去除。但是在連續(xù)磨料的沖擊下，試樣表面涂層會逐漸產(chǎn)生裂紋。在第n顆磨料沖擊到試樣表面的時候，裂紋達到一定程度導致涂層脫落，所以涂層的脫落是一種疲勞斷裂的過程。磨料繼續(xù)連續(xù)沖擊試樣表面，最終完全去除碳纖維板的面漆而保留底漆。

圖4 (a)磨料剛接觸到試樣表面；(b)面漆去除初始階段；(c)噴射區(qū)域面漆被完全去除

通過用高速攝像機(CCD)拍攝噴射過程得知，尺寸較大的磨料顆粒與試樣接觸后的反彈角β1遠大于小磨料顆粒的反彈角β2。這是因為小磨料的質(zhì)量輕，在反彈后更容易被壓縮氣體吹向下方。

(二)模型分析

為了方便計算做出以下假設：(1)假設磨料是一種球形顆粒；(2)磨料與噴嘴內(nèi)表面得相互作用不考慮；(3)不考慮磨料自身的旋轉(zhuǎn)和反彈后的二次沖蝕。

1.磨料噴射速度的預測

磨料之所以能夠噴射到試樣表面是因為壓縮氣體快速流動產(chǎn)生的負壓給了它一個吸力，所以要計算磨料噴射速度則先要計算氣體速度。根據(jù)參考文獻[5]的研究，噴嘴出口處的氣流速度可以由下式給出：

(3)客家居民點分布密度和河流密度二者具有較高的線性正相關(guān)關(guān)系，表明客家人也是具有“逐水而居”的特點?？图胰俗≌x址在水源充足的區(qū)域，易于為生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供充足水源，同時也易于達到客家人對住宅的“前水后山”的風水要求。

(1)

式中，K為絕熱指數(shù)，P為絕對空氣壓力，P0為大氣壓力，Ri是單個氣體常數(shù)，T是絕對溫度。對于正?？諝猓琑i是287Nm/(kg·K)。

磨料射流從噴嘴噴出后成傘狀結(jié)構(gòu)，其大致可分為初始段、基本段和發(fā)散段。每一段的長度范圍與噴嘴直徑有關(guān)，設噴嘴直徑為d1，噴射距離為x。當6.2d1

(2)

根據(jù)文獻[5],假設磨料在噴嘴內(nèi)部的加速度恒定，則磨料的速度可表示為：

(3)

式中，CD為阻力系數(shù)，ρA為空氣密度，L為磨料加速長度，d為磨料直徑，ρ為磨料密度。

2.磨料最大沖擊深度的預測

磨料剛接觸到試樣表面的時候，其沖擊深度可由參考文獻得出：

(4)

式中σy是試樣的屈服應力，E1和μ1分別是磨料的彈性模量和泊松比(E1=2.94GPa,μ1=0.35)，E2和μ2分別是CFRP涂層的彈性模量和泊松比(E2=1GPa,μ2=0.38)。

當沖擊深度大到產(chǎn)生裂紋的界限深度時，在連續(xù)載荷的作用下涂層最終脫落，脫落區(qū)域的最大深度λ2就是磨料的最大沖擊深度。Thornton等人研究得出在這個過程中，磨料和試樣之間的作用力F可由下式得出：

(5)

假設F在沖擊過程中保持不變，則F可以寫成：

(6)

根據(jù)能量守恒定律得出：

(7)

從上式進而得出：

(8)

由式(8)可知磨料的最大沖擊深度與磨料的沖擊速度、磨料的質(zhì)量和磨料的沖擊角度都有關(guān)系。沖擊速度對磨料的最大沖擊深度影響最大?？梢岳枚淮畏匠痰那蠼夤絹硭愠鲎畲鬀_擊深度的理論值。

(三)模型預測的合理性分析

圖5展示了不同參數(shù)下的磨料理論沖擊速度和理論沖擊深度。從圖中可以看出增加噴射壓力可以提高磨料的沖擊速度和沖擊深度。這是因為噴射壓力增加導致磨料沖擊速度的增加，進而導致磨料的動能增加。由圖可知，當噴射壓力為0.1MPa的時候，磨料的最大沖擊深度幾乎為0，不具有切削能力，這與實驗的觀察結(jié)果一樣。

圖5 擬合曲線圖

四、結(jié)果與討論

圖6中，(a)和(b)是碳纖維板面漆去除前后的微觀圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)面漆相對平整，磨料氣射流去除面漆后，會在底漆表面形成凹槽和片狀結(jié)構(gòu)，且沒有磨料顆粒的嵌入底漆。當再涂敷面漆的時候，底漆表面的凹槽和片狀結(jié)構(gòu)會增加面漆與底漆的結(jié)合力。

圖6 (a)碳纖維板面漆；(b)碳纖維板底漆

用大尺寸的磨料沖蝕，會出現(xiàn)在面漆還沒有去除完時就出現(xiàn)了底漆被去除的情況。因為大尺寸磨料的動能較大，具有去除底漆的能力。所以磨料粒度的均勻性也很重要，本實驗使用的20～30目磨料中顆粒的尺寸差異較大，這是篩分磨料的時候篩分時間短和大磨料堵住了篩網(wǎng)的網(wǎng)孔導致的，所以采用20～30目的磨料顯然不合適?？梢圆捎昧６雀〉?0～50目磨料，通過增加噴射壓力來提高磨料的沖擊速度和流量，進而增加磨料顆粒的動能，使更多的能量轉(zhuǎn)化成切削面漆所需要的能量。實驗結(jié)果表明，使用40～50目的磨料能夠更有效地去除面漆，而且底漆損傷較小。

五、結(jié)論

通過對CFRP面漆磨料氣射流去除的理論分析和相關(guān)實驗，得出了以下結(jié)論：

1.磨料氣射流拋光工藝能夠滿足CFRP只去除面漆而保留底漆的要求。

2.CFRP面漆磨料氣射流去除的過程是一個在連續(xù)載荷作用下的疲勞斷裂過程。

3.單顆磨料顆粒的最大沖擊深度主要取決于磨料的噴射壓力和磨料尺寸，磨料的噴射角度不是決定最大沖擊深度的主要因素。

4.大磨料顆粒具有同時去除面漆和底漆的能力，不適合被用于只去除面漆的工藝中。