金屬結構件損傷的復合材料修理研究

牛芳芳

(西安航空職業(yè)技術學院，陜西 西安 710089 )

設計制造不合理、維修保養(yǎng)不到位、疲勞與應力腐蝕等各種因素的作用常會造成飛機金屬結構件產(chǎn)生穿孔、分層、破裂等損傷，這些損傷如不及時修理，將會導致災難性事故的發(fā)生[1]。傳統(tǒng)的飛機金屬損傷結構件修理方法是采用機械連接或者金屬補強板膠接修理，這類修理方法會由于緊固件而增加重量而且會產(chǎn)生新的應力集中區(qū)，減少金屬結構件的使用壽命[2]。為了滿足現(xiàn)代飛機對于材料高強輕質(zhì)的要求，采用復合材料補片膠接修理技術來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的修理方法。復合材料補片膠接修理技術是集材料科學、力學、物理學、化學等學科為一體的綜合性應用技術，該領域的研究和應用工作一直是復合材料設計與飛機維修者關注的熱點與努力的方向[3]。

1 金屬結構件的常見損傷確定

1.1 金屬結構件的損傷類型

損傷通常是在加工和使用過程中產(chǎn)生的，損傷主要有表面劃傷、裂紋、雷擊損傷、孔邊損傷和沖擊損傷等。理論上講，以上損傷都可以被修理[4]。

1.2 金屬結構件損傷的檢測方法

在對金屬結構件進行修理之前，必須對其損傷情況進行檢查評估[5]。目前用于金屬結構件損傷檢測方法主要有目視檢測法、敲擊法、超聲檢測、射線檢測、滲透檢測、渦流檢測、磁粉檢測等檢測方法。

目視檢測法是最基本的檢測方法，主要是利用肉眼或者放大鏡、內(nèi)窺鏡等進行目視檢查，主要可以判斷表面比較明顯的裂紋、凹坑或者穿孔等，對于非常微小的或者內(nèi)部的缺陷很難通過目視法檢測出來。敲擊法是采用專用的敲擊錘輕輕敲擊被檢測復合材料結構表面，通過辨聽敲擊聲音的變化來確定損傷，但仍是一種比較粗糙的檢驗方法。如果對于較微小或者內(nèi)部的缺陷，必須通過無損檢測進行檢查，一般使用超聲檢測、射線檢測及滲透檢測法。超聲檢測方法穿透能力強、靈敏度高，可檢測結構件中的氣孔、熔合不良、裂紋和夾雜等缺陷，但對于裂紋缺陷，超聲檢測只能檢測垂直于聲束方向的裂紋[6]。射線檢測對體積型缺陷如氣孔、夾雜等較易檢出，檢測面積型缺陷如裂紋、未熔合等缺陷需注意射線的方向性。滲透檢測技術適用于表面較光滑的表面開口缺陷的檢測。因此，需要根據(jù)損傷的類型選取合適的檢測方法確定具體的損傷范圍。

2 金屬結構件損傷的復合材料補片修理技術

2.1 復合材料補片修理工藝流程

金屬結構件損傷的復合材料補片修理工藝實施首先是通過目視檢測及無損檢測方法確定損傷范圍，并用記號筆標定修補區(qū)域；接著對損傷部位進行表面處理，準備復合材料補片材料、膠黏劑及相關輔助材料，按設計要求鋪放補片及膠膜并逐層壓實；然后封裝真空袋對安裝加熱單元進行固化，而后進行整修處理；最后進行膠接修理質(zhì)量檢測。整個修理工藝流程如圖1所示。

圖1 復合材料補片膠接修理工藝流程圖

2.2 復合材料補片修理工藝實施

2.2.1 確定損傷范圍

通過目視檢測、敲擊檢測及超聲檢測等無損檢測確定金屬構件的損傷程度及損傷范圍，損傷確定后，在金屬構件上用記號筆進行標記，便于后期準確進行補片貼補修理。

2.2.2 被修理結構表面處理

為了獲得良好的修理表面，必須在復合材料補片修理前進行表面處理。表面處理包括表面的脫脂清潔、表面打磨、表面化學處理等。

(1)表面清潔。用兩塊干凈的脫脂棉布或專用擦拭紙，沾上脫脂溶劑，兩塊布相同方向前后跟隨，從一邊擦向另一邊，切忌反復一塊布擦或畫圓圈擦。脫脂溶劑可以選擇乙酸乙酯、丙酮、甲乙酮等，脫脂溶劑用量不能過大，并應盡量不含水分，最好是化學試劑級[7]。

(2)表面打磨。為了獲得一定的表面粗糙度，要對待修理部位進行打磨，一般用濕砂紙進行打磨表面，最后用清潔擦布蘸取蒸餾水去除打磨殘留物。

(3)化學處理。對于修理要求比較高的表面或者特殊材料表面在脫脂和打磨后還需要進行化學處理?；瘜W處理包括重鉻酸鈉-濃硫酸浸蝕法、FPL酸洗法、磷酸陽極化等方法，化學處理中需要注意的是化學處理液的配方、化學處理的時間和溫度。

2.2.3 補片材料的選擇及設計

補片材料一般要求強度高、剛性好，熱膨脹系數(shù)高，與金屬部件的熱匹配性好，能與膠黏劑的固化溫度相匹配，有利于降低膠接修理結構中的殘余熱應力，受溫度的影響應該盡量小。國外多采用硼纖維/環(huán)氧復合材料補片，國內(nèi)多使用碳纖維/環(huán)氧復合材料及玻璃纖維/環(huán)氧復合材料補片。文思維[8]選用硼/環(huán)氧復合材料補片對含中心裂紋鋁合金厚板進行了膠接修理獲得了良好的膠接效果。王躍然[9]選用碳/環(huán)氧復合材料補片膠接修理鋁合金板，研究了其工藝參數(shù)及相關性能測試，結果表明獲得了良好的膠接效果。

補片形狀最佳選擇依次是多邊形、長方形。橢圓形、方形及圓形[10]。一般常用的是長方形、橢圓形及圓形，補片應盡量長一點，且四周可以做成斜削的形狀，從而降低應力，提高膠接強度。增加補片的厚度,可以提高結構的修理效果，但膠層內(nèi)的最大剪切應力也隨之提高，為了避免膠層發(fā)生脫膠，補片厚度要保持一定值，補片的纖維方向應盡量同損傷修補結構中的最大受力方向保持一致。

2.2.4 膠黏劑的選擇及準備

金屬結構件的復合材料補片修理工藝的成功與否，媒介膠黏劑起到了至關重要的作用。為了獲得良好的膠接效果，應該選擇剪切強度和剝離強度均較高、耐腐蝕、耐老化及抗沖擊的結構膠黏劑，一般要求膠黏劑應于復合材料補片的固化溫度相匹配。膠黏劑一般采用膠膜形式，目前常用的有改性環(huán)氧膠(FM-73、AF-126、J-150、J-47)、酚醛-丁腈(J-147)等。對于液體膠黏劑要進行配方配制，對于膠膜要按修補尺寸及形狀要求進行裁剪。

2.2.5 鋪放補片材料及膠膜

首先根據(jù)修補部位的要求進行下料即對于補片及膠膜進行裁剪，接著在待修理部位均勻貼敷合適的膠膜，將手工剪裁的復合材料預浸料補片鋪放在膠層區(qū)，其余復合材料預浸料補片按鋪層設計要求鋪貼，每鋪貼2～3層預浸料補片，采用電熨斗控制適當溫度擠壓鋪層，趕走層與層之間的氣泡[11]，而后在鋪設一層玻璃纖維預浸料作為加強層，在最外層再鋪一層膠膜。

2.2.6 真空袋封裝

復合材料補片鋪層完畢后，進行真空袋封裝并放置加熱元件準備固化。修理區(qū)鋪設有孔隔離膜、熱電偶、吸膠層、無孔分離膜、電熱毯、表面透氣布、真空袋，同時安裝抽真空吸氣管完成封裝。

2.2.7 固 化

固化制度包括固化的溫度、時間及壓力。根據(jù)預浸料補片及膠黏劑的固化要求設計合理的固化制度。為了消除高溫固化過程中預浸料和膠黏劑可能出現(xiàn)的暴聚現(xiàn)象，一般采用階梯式固化。

2.2.8 整修處理

完成固化后，拆除真空袋及加熱元件，對于修理區(qū)邊緣進行打磨修整，并完成噴漆等后處理工作。

3 金屬結構件復合材料補片修理的質(zhì)量檢測

金屬結構件損傷修理結束，一般首先采用目視法和敲擊法對于粘接修復質(zhì)量進行初步質(zhì)量檢查，如若沒有明顯的脫膠、孔隙等缺陷，隨后采用超聲等無損檢測方法對于修理質(zhì)量進行進一步檢查，根據(jù)無損檢測的結果最終確定修復的效果。

4 結 語

金屬結構件的復合材料補片修補技術是一項涉及多學科領域的復雜的結構修理技術，其中補片材料的選擇、結構膠粘劑的選擇、復合材料補片鋪層設計、固化制度確定都是關鍵的工藝因素。為了獲得良好修理效果，關鍵工藝因素的控制是至關重要的。