某型號教練機用樹脂基復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)件修補工藝的研究

吳 平,萬建平,甘武奎

（洪都航空工業(yè)集團，南昌330024）

某型號教練機用樹脂基復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)件修補工藝的研究

吳 平,萬建平,甘武奎

（洪都航空工業(yè)集團，南昌330024）

針對某型號教練機復(fù)合材料垂尾的修理，開展了某型號教練機用樹脂基復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)件的修補工藝研究。通過試驗研究，確定了修補角度、修補補片材料、修補用膠粘劑和補片類型等。同時，自主研發(fā)了具有知識產(chǎn)權(quán)的專用修補工具-斜面磨輪。該修補工藝已形成企標“復(fù)合材料挖補修理工藝規(guī)范”。采用該企標對某型號教練機復(fù)合材料垂尾翼盒和方向舵進行了修理，修理后的方向舵已裝機。

復(fù)合材料修補工藝;斜接式挖補法;斜面磨輪;復(fù)合材料垂尾修理

0 引言

針對某型號教練機復(fù)合材料垂尾的修理，我們開展了飛機用樹脂基復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)件的修補工藝研究，主要包括修補設(shè)備、修補工具、修補方式、修補角度、修補材料、補片類型、底孔直徑及修補固化工藝參數(shù)等。在試驗和研究中，我們采用了便攜式熱修補儀進行修補；自主研發(fā)了專用修補工具；選擇了斜接式挖補修理方式；通過修補角度優(yōu)化試驗，確定了修補角度為6°；根據(jù)母板材料，選定了修補補片材料為T300/NY9200G，修補用膠粘劑為SY-14A；補片為預(yù)固化補片和預(yù)浸料補片兩種類型；修理層壓板試件底孔直徑分別為Φ10mm和Φ20mm；固化工藝參數(shù)分別為：預(yù)浸料補片采用T300/NY9200G復(fù)合材料固化工藝參數(shù)；預(yù)固化補片采用SY-14A膠粘劑固化工藝參數(shù)。

該修補工藝已用于修理層壓板拉、壓試件及垂尾翼盒模擬件—加筋板的修理，修補后的拉、壓試件及加筋板外觀光滑平整，試驗時拉、壓試件正常破壞，修理加筋板已通過疲勞試驗。該修補工藝已形成企標“復(fù)合材料挖補修理工藝規(guī)范”。

采用該修補工藝對某型號教練機某批架次垂尾翼盒進行了驗證性修理，同時對某型號教練機某批架次撞傷的垂尾方向舵進行了修理，修理好的方向舵已裝機使用。

1 試驗部分

1.1 修補設(shè)備

復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)件可以采用熱壓罐或便攜式熱修補儀進行修理，考慮到外場修理，故選用便攜式熱修補儀作為修補設(shè)備。該熱修補儀最高固化溫度190℃，最高固化壓力0.095 Mpa.

1.2 修補工具

1.2.1 專用修補工具—斜面磨輪

在復(fù)合材料層壓板上能否挖出一定角度且光滑平整的斜接角是修補成敗的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的修補挖孔是采用手工挖孔，由于是手工操作，磨出的斜接角難免會高低不平，角度不準確，且重復(fù)性差，造成母板與預(yù)固化補片不吻合，修補效果不佳。為此，我們自主研發(fā)了具有知識產(chǎn)權(quán)的專用修補工具—斜面磨輪，每副斜面磨輪由陰、陽磨輪各1只組成，均有相同角度的斜面，斜面上覆蓋有1層金剛石。采用陽磨輪可在復(fù)合材料層壓板上挖出具有一定角度且光滑平整的斜接角，采用陰磨輪可在復(fù)合材料層壓板上切割出具有光滑平整斜接角的預(yù)固化補片。由于是同一副陰、陽磨輪，磨出的斜接角完全一致，母板與預(yù)固化補片配合良好，有利于修補強度的提高。采用斜面磨輪挖孔，無論是挖孔精度還是勞動效率都較手工挖孔大為提高。該斜面磨輪已獲得國家專利。

1.2.2 主要修理工具（表1）

表1 主要修理工具

1.3 修補方式

修補方式可以分為貼補法、挖補法、注射法以及微波加熱法等。由于貼補法適用于載荷不大、氣動外形要求不高、較薄平面外形制件，注射法僅限于分層脫粘、孔邊緣損傷的修理，而微波加熱法尚未成熟，所以我們選用挖補修理方式進行試驗。挖補修理包括斜接式挖補和階梯式挖補兩種方式，采用這兩種修理方式，在膠接面上的剪應(yīng)力分布比較均勻，壽命也比較長，并且能得到光滑平整的外表面。此外，由于不存在偏心載荷，補強板的剝離應(yīng)力比較小，因此采用這兩種修理方式的效果比較好?？紤]到外場修理的施工通道和可操作性等因素，確定修補方式為單面、貫穿、斜接式挖補法。

1.4 修補角度的優(yōu)化

為確定最優(yōu)修補角度，我們采用 T700/NY9200GB材料體系及某型號教練機復(fù)合材料垂尾翼盒蒙皮的某種典型鋪層制作了修理層壓板母板，并按選定的補片類型、底孔孔徑、不同的修補角度制作了修理層壓板試件。通過測試修理層壓板試件的拉伸強度、拉伸破壞載荷、拉伸破壞應(yīng)變、壓縮強度、壓縮破壞載荷、壓縮破壞應(yīng)變，判斷修補效果，在此基礎(chǔ)上獲得了最優(yōu)修補角度。

修理層壓板試件母板和補片的鋪層均為[±45/90/03/(±45)2/0]s， 底孔直徑為20mm， 修補角度為6°和10°，補片類型分為預(yù)浸料補片和預(yù)固化補片二種。試驗結(jié)果表明：

1）對于復(fù)合材料修理層壓板拉伸試驗件，在兩種不同修補角度（6°和10°）和兩種不同補片（預(yù)浸料和預(yù)固化）的情況下，采用6°修補角和預(yù)浸料補片的修理層壓板試驗件（6LY）的靜拉伸強度最高，為456 MPa，即采用6°修補角和預(yù)浸料補片的修理層壓板試驗件能夠獲得較高的拉伸強度。

2）對于復(fù)合材料修理層壓板壓縮試驗件，在兩種不同修補角度（6°和10°）和兩種不同補片（預(yù)浸料和預(yù)固化）的情況下，采用6°修補角和預(yù)浸料補片的修理層壓板試驗件（6YY）的靜壓縮強度最高，為343 MPa，采用6°修補角和預(yù)固化補片的修理層壓板試驗件（6YG）的靜壓縮強度次之，為329MPa，即采用6°修補角的修理層壓板試驗件能夠獲得較高的壓縮強度。

由此說明，采用6°修補角的修理層壓板試驗件能夠獲得較高的拉伸和壓縮強度。故確定修補角為6°。

1.5 修補材料

1.5.1 補片材料

我們認為修理用材料原則上應(yīng)與被修理材料一致，或與被修理材料用增強材料和樹脂基體材料為同一類型，而性能和工藝又處于同一水平的材料。考慮到某型號教練機復(fù)合材料垂尾翼盒為T300/NY9200G復(fù)合材料，故試驗選用的修補補片材料為T300/NY9200G，補片為預(yù)浸料補片和預(yù)固化補片二種。

1.5.2 修補用膠粘劑

我們采用了成熟的SY-14A高溫膠膜作為膠粘劑開展修補試驗。SY-14A膠膜膠接強度高，綜合性能好，耐介質(zhì)和老化性能優(yōu)異，可在-55℃～175℃范圍內(nèi)長期使用，我公司已用于某型號T300/NY9200G復(fù)合材料垂尾翼盒蒙皮與墻之間的膠接。實踐證明：該膠膜與T300/NY9200G復(fù)合材料有良好的配套性。

1.6 補片類型

采用的補片為預(yù)固化補片和預(yù)浸料補片二種類型。雖然預(yù)浸料補片修補恢復(fù)率較預(yù)固化補片高，但因預(yù)浸料存在儲存問題，一般只能在工廠內(nèi)修理，不適宜外場修理。而采用預(yù)固化補片進行修理，則不存在預(yù)浸料的儲存問題，不但可在工廠內(nèi)修理，而且可用于外場修理。其特點是適應(yīng)性強、施工方便、工藝性好。

1.7 母板底孔直徑

某型號教練機復(fù)合材料垂尾蒙皮典型鋪層有兩種，分別為[±45/90/03/(±45)2/0]s和[±45/90/02/±45/0]s?？紤]到拉、壓修理層壓板試件的寬度均為100mm，如果鋪層為 [±45/90/03/(±45)2/0]s、 母板底孔直徑大于20mm，挖孔后最大直徑將超過73mm，會引起邊際效應(yīng)。因此我們采用了母板底孔直徑分別為10mm和20mm， 鋪層均為 [±45/90/03/(±45)2/0]s和[±45/90/02/±45/0]s的拉、壓修理層壓板試件進行修補試驗。

1.8 修理層壓板試件的制造

1.8.1 修理層壓板試件母板的制造

采用T300/NY9200G預(yù)浸料，按鋪層為[±45/90/03/(±45)2/0]s和 [±45/90/02/±45/0]s制造復(fù)合材料層壓板，每塊層壓板必須進行無損檢測，合格后按數(shù)量和尺寸將其分別鋸切成300mm×100mm拉伸修理層壓板試件母板和150mm×100mm壓縮修理層壓板試件母板，試件長度方向均為0°方向。

1.8.2 修理層壓板試件母板挖孔

首先按底孔直徑大小，用相同直徑的鉆頭在修理層壓板試件母板中心位置開孔,然后將斜面磨輪之陽磨輪對準開孔位置挖斜接角,同時用壓縮空氣冷卻斜面磨輪,去除磨屑,加工至斜面磨輪最大直徑處接觸到母板表面再劃出深約0.1mm的下陷即可。

1.8.3 預(yù)固化補片的制作

采用T300/NY9200G預(yù)浸料，按鋪層[±45/90/03/(±45)2/0]s和[±45/90/02/±45/0]s制造復(fù)合材料層壓板，每塊層壓板必須進行無損檢測，合格后方可用于預(yù)固化補片的制造。用斜面磨輪之陰磨輪在層壓板上切割預(yù)固化補片，加工至斜面磨輪之陰磨輪最大直徑處切穿層壓板為止，得到預(yù)固化補片。

1.8.4 預(yù)浸料補片的制作

采用T300/NY9200G預(yù)浸料，按自制下料樣板，從小到大均勻遞增裁剪預(yù)浸料，然后按鋪層鋪貼并壓實。預(yù)浸料補片有兩種鋪層，分別為[±45/90/03/(±45)2/0]s和[±45/90/02/±45/0]s。

1.8.5 膠接前的準備

修理場地應(yīng)干凈整潔。用丙酮清洗修理層壓板試件母板修理區(qū)和預(yù)固化補片膠接區(qū)，晾干。按膠接區(qū)域大小裁剪SY-14A膠膜。

1.8.6 修理層壓板試件母板與補片的膠接

1.8.6.1 母板與預(yù)浸料補片的膠接

將準備好的SY-14A膠膜和預(yù)浸料補片按規(guī)定的順序、方向和層數(shù)鋪放在清潔干凈的母板修理區(qū)上，用耐高溫膠帶固定。在修理層壓板組合件上下按規(guī)定的順序放置脫模布、吸膠布、隔離膜、均壓板、透氣氈。然后將組裝好的修理層壓板膠接組合件放入由電熱毯和真空袋組成的加熱加壓裝置中，加溫加壓固化。

1.8.6.2 母板與預(yù)固化補片的膠接

將清潔干凈的預(yù)固化補片和準備好的SY-14A膠膜按規(guī)定的方向、層數(shù)和順序安放在清潔干凈的母板修理區(qū)上，用耐高溫膠帶固定。按規(guī)定的順序放置脫模布、吸膠布、隔離膜、透氣氈，然后將組裝好的修理層壓板膠接組合件放入由電熱毯和真空袋組成的加熱加壓裝置中，加溫加壓固化。

1.9 修理層壓板試件的無損檢測

對修理層壓板試件進行了無損檢測，符合修補專用無損檢測技術(shù)的要求。

2 某型號教練機復(fù)合材料垂尾翼盒模擬件—加筋板的修理

根據(jù)某型號教練機復(fù)合材料垂尾翼盒的結(jié)構(gòu)特點和受力形式，設(shè)計并制造了垂尾翼盒模擬件—加筋板，其結(jié)構(gòu)和鋪層與真實構(gòu)件相似（圖1），損傷孔位置見圖2。

圖1 加筋板示意

圖2 損傷孔位置示意

我們制作了三件加筋板試驗件，分別為無損傷試驗件、帶損傷孔試驗件和損傷孔修理后試驗件，損傷孔直徑均為40mm，三件加筋板經(jīng)無損檢測均合格。損傷孔修理試驗件按已確定的修補工藝進行修理，修理后對該試驗件修理區(qū)進行了無損檢測，結(jié)果表明修補區(qū)膠接質(zhì)量良好。然后對這三個試驗件進行了疲勞試驗。

試驗結(jié)果表明：無損傷加筋板、含損傷孔加筋板和損傷孔修理加筋板在2倍壽命的譜載荷拉-壓疲勞試驗后均未發(fā)生破壞。在2倍壽命疲勞試驗結(jié)束后，用C掃描分別對加筋板的突緣區(qū)、孔周圍和修補區(qū)進行了無損檢測，結(jié)果表明，三個加筋板在2倍壽命的譜載荷拉-壓疲勞試驗過程中均未產(chǎn)生損傷。

3 復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)件的修理

復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)件的修理已形成企標 “復(fù)合材料挖補修理工藝規(guī)范”。

3.1 修補前的準備

3.1.1 挖孔

用無損探傷設(shè)備對損傷區(qū)進行檢測，畫出損傷區(qū)的切割輪廓線，通常此線為損傷區(qū)的外接圓。以切割輪廓線為最小圓，找出圓心，使用鉆頭制出初孔。對于穿透性損傷，制出通孔；對于非穿透性損傷，則制出盲孔至損傷最深層。按典型的長厚比10：1的錐度（修補角為6°），用旋轉(zhuǎn)打磨器制出大圓輪廓，用砂輪打磨機從最小圓至大圓逐漸打磨，在修理區(qū)高度方向制出斜接角。亦可使用斜面磨輪挖出斜接角。

3.1.2 預(yù)浸料補片的制作

采用T300/NY9200G預(yù)浸料，以修理區(qū)大、小圓直徑為尺寸，按自制樣板輔助下料,從小到大均勻遞增裁剪預(yù)浸料，然后按鋪層鋪貼并壓實。預(yù)浸料補片的鋪層方向、順序和層數(shù)與被切除部分相同。

3.1.3 預(yù)固化補片的制作

采用T300/NY9200G預(yù)浸料，按被切除部分相同的鋪層制造復(fù)合材料層壓板，每塊層壓板必須進行無損檢測，合格后方可用于預(yù)固化補片的制造。根據(jù)修理區(qū)大、小圓直徑尺寸，選用最大和最小直徑與修理區(qū)大、小圓直徑相近的斜面磨輪之陰磨輪在層壓板上切割預(yù)固化補片，加工至斜面磨輪之陰磨輪最大直徑處切穿層壓板為止，得到預(yù)固化補片。對補片斜接角進行修整，使之與修理區(qū)斜接角配合良好。

3.1.4 膠接前的準備

修理場地應(yīng)干凈整潔。用丙酮清洗層壓板修理區(qū)和預(yù)固化補片膠接區(qū)，晾干。按膠接區(qū)域大小裁剪SY-14A膠膜。

3.2 修補

3.2.1 層壓板結(jié)構(gòu)件與預(yù)浸料補片的膠接

將準備好的SY-14A膠膜和預(yù)浸料補片按規(guī)定的順序、方向和層數(shù)鋪放在清潔干凈的修理區(qū)上，用耐高溫膠帶固定。對于穿透性損傷，需在背面先粘貼支撐板，支撐板可選用厚0.5～1.0mm的玻璃鋼板或碳纖維板。按規(guī)定的順序放置脫模布、吸膠布、隔離膜、均壓板、透氣氈，制作真空袋。采用熱修補儀加熱加壓固化。

3.2.2 層壓板結(jié)構(gòu)件與預(yù)固化補片的膠接

將清潔干凈的預(yù)固化補片和準備好的SY-14A膠膜按規(guī)定的方向、層數(shù)和順序安放在清潔干凈的修理區(qū)上，用耐高溫膠帶固定。按規(guī)定的順序放置脫模布、吸膠布、隔離膜、透氣氈，制作真空袋。采用熱修補儀加熱加壓固化。

3.3 后加工

用砂紙對修理區(qū)進行修整，使其外形與周邊區(qū)域光滑過渡。按圖樣要求，對修補區(qū)域補漆。

3.4 工序檢驗

3.4.1 在補漆前,對修補后的區(qū)域采用膠接檢測儀、超聲波檢測儀等設(shè)備進行無損檢測，其膠接質(zhì)量應(yīng)符合修補專用無損檢測技術(shù)要求。

3.4.2 修理后的區(qū)域外形應(yīng)流線光滑，符合圖樣要求。

4 某型號教練機垂尾翼盒和方向舵的修理

采用企標“復(fù)合材料挖補修理工藝規(guī)范”對某型號教練機某批架次垂尾翼盒進行了驗證性修理，修理后垂尾翼盒修補區(qū)外觀光滑平整。膠接質(zhì)量符合修補專用無損檢測技術(shù)要求。修理后的垂尾翼盒見圖3和圖4。

圖3 垂尾翼盒修補區(qū)域

圖4 修理好的垂尾翼盒

同時，采用企標“復(fù)合材料挖補修理工藝規(guī)范”對某型號教練機某批架次撞傷的垂尾方向舵進行了修理，經(jīng)無損檢測該方向舵損傷區(qū)大小約為Φ25mm，見圖5。修理后的方向舵修補區(qū)外觀光滑平整，膠接質(zhì)量符合修補專用無損檢測技術(shù)要求。見圖6。該方向舵已裝機使用。

圖5 撞傷的垂尾方向舵

圖6 垂尾方向舵修補區(qū)域

5 結(jié)論

1）通過進行修補角度優(yōu)化試驗，確定了修補角度為6°。

2）自主研發(fā)已獲國家專利的專用修補工具—斜面磨輪可用于復(fù)合材料修理層壓板斜接式挖補法的挖孔和切割預(yù)固化補片，磨出的斜接角光滑平整且角度準確，母板和預(yù)固化補片間配合良好，提高了修理層壓板的膠接強度。

3）采用預(yù)固化補片對損傷進行修補，不存在預(yù)浸料的儲存問題，施工便利，工藝性好。預(yù)浸料補片適用于工廠內(nèi)修理，預(yù)固化補片即可用于外場修理又可用于工廠內(nèi)修理。

4）該修補工藝已用于復(fù)合材料垂尾翼盒模擬件—加筋板的修理，修理加筋板通過了疲勞試驗。該修補工藝已形成企標 “復(fù)合材料挖補修理工藝規(guī)范”。

5）該修補工藝切實可行，已成功地應(yīng)用于某型號教練機復(fù)合材料垂尾方向舵的修理，并裝機使用。

>>>作者簡介

吳 平，男，1956年12月出生，1982年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，高級工程師。一直從事復(fù)合材料制造技術(shù)工作。

The Study on the Repairing Process of Resin Base Composite Material Laminated Board z

Wu Ping,Wan Jianping,Gan Wankui
(Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang 330024)

To the repair of a certain type trainer vertical tail of composite material,a study on the repairing process of resin base composite material laminated board structure piece adopted by a certain type trainer is carried out.Through the experiment,the repairing angle,repairing patch material,and the type of repairing glue and patch are confirmed,while at the same time,invent the special repairing tool with patent-bevel sander.This repairing process has been set as a enterprise standard “Process specification for the repairing of composite material mend by replacing a damaged part”.The composite material vertical tail wing box and rudder of a certain type aircraft had been repaired per this enterprise standard,and the repaired rudder has already been installed on the aircraft.

composite material repairing process;tilted jointing mend by replacing a damaged part;bevel sander;repair of vertical tail of composite material

2011-07-21）