直升機(jī)復(fù)合材料槳葉前緣包片修理技術(shù)研究

戴周軍，錢棟祥，汪開兵，許 漂

（昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn)333002）

關(guān)鍵字：復(fù)合材料；槳葉；包片；修理；膠接

引言

復(fù)合材料以優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度、緩慢的裂紋擴(kuò)展特性和良好的模壓成型工藝性[1]，代替金屬材料成為了現(xiàn)代直升機(jī)槳葉的主體制造材料[2]。隨著直升機(jī)批量交付客戶使用以及服役時間的延長，復(fù)合材料槳葉修理的問題也日益突出。槳葉維護(hù)和故障排除工作不僅關(guān)系到直升機(jī)武器裝備整架機(jī)的使用壽命和安全性能，同時也十分影響客戶對公司產(chǎn)品的品質(zhì)評價以及未來幾年的商業(yè)合作伙伴關(guān)系。因此，開展對復(fù)合材料槳葉的損傷情況進(jìn)行檢測、評估分析、修理等相關(guān)技術(shù)研究工作，就顯得極為重要。

朱金榮[3]對阿富汗戰(zhàn)爭中蘇軍直升機(jī)的戰(zhàn)場損傷統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出結(jié)論—旋翼系統(tǒng)的主、尾槳葉和機(jī)身結(jié)構(gòu)是直升機(jī)損傷最多的部位。代永朝[4]等人研究了主動紅外檢測技術(shù)，可用于外場對槳葉內(nèi)部分層、脫粘和漆層下腐蝕等缺陷的快速檢查。施曉春[5]提出了一種超聲波C掃描和小焦點軟X射線照相的組合方法，解決了槳葉聚氨酯泡沫芯對X射線和超聲波的強(qiáng)衰減、蒙皮厚度薄而變化及混雜纖維對檢測的干擾問題。而通過對含損傷復(fù)合材料槳葉進(jìn)行有限元建模仿真分析，陳兆晨[6]等人發(fā)現(xiàn)蒙皮分層、穿孔損傷時會對槳葉振動特性存在一定的影響；程小全[7]等人認(rèn)為當(dāng)大梁帶受到不同角度穿透損傷會使其強(qiáng)度比大幅下降。此外，張文軍[8]等人針對復(fù)合材料槳葉不同的損傷類型分別采取了不同的修理方法，包括樹脂注射法、混合物填充法、外搭接補片修理法和嵌入式補片修理法。但是，國內(nèi)還未曾有研究者從工程實踐角度出發(fā)，給出一套比較完整的復(fù)合材料槳葉故障修理方案。

本文以受損傷的直升機(jī)復(fù)合材料槳葉的前緣包片為研究對象，詳細(xì)分析了前緣包片膠接更換修理的關(guān)鍵技術(shù)要點，并給出具體的實施操作標(biāo)準(zhǔn)流程，可為復(fù)合材料工程實踐中金屬與非金屬的膠接問題的解決提供參考與借鑒。

1 結(jié)構(gòu)簡介

目前國內(nèi)直升機(jī)復(fù)合材料槳葉采用的是C型梁結(jié)構(gòu)形式，其典型剖面如圖1所示。包片位于槳葉的前緣位置，用于保護(hù)槳葉本體在使用過程中免受風(fēng)沙侵蝕、異物撞擊以及防雷擊等[9]。前緣包片一般情況下由奧氏體不銹鋼或純鎳制成，也有少數(shù)是鈦合金包片。前緣包片作為復(fù)合材料槳葉氣動外形的一個重要組成部分，直升機(jī)槳葉生產(chǎn)技術(shù)條件與外場維護(hù)手冊對其表面質(zhì)量要求較高，不允許出現(xiàn)裂紋、腐蝕、劃傷、穿孔、凹坑、變形、脫粘等缺陷。但是前緣包片的工作環(huán)境比較惡劣，它處于復(fù)合材料槳葉的迎風(fēng)面，地面開車刮起的砂石、異物首先會打擊在包片上。此外，直升機(jī)需要經(jīng)常在海洋、沙漠、高原、雷暴等不同氣候環(huán)境下執(zhí)行飛行任務(wù)，對前緣包片的質(zhì)量及使用持久性也提出了嚴(yán)格要求。因此，平時在對直升機(jī)復(fù)合材料槳葉維護(hù)保養(yǎng)時，前緣包片的質(zhì)量檢查是工作重點，同時應(yīng)仔細(xì)清洗擦拭使其保持干凈整潔。若不能滿足使用要求，則應(yīng)該通知專業(yè)維修人員對前緣包片進(jìn)行更換修理。

圖1 復(fù)合材料旋翼槳葉典型剖面示意圖Fig.1 The typical sectional view of composite rotor blade

2 工藝分析

前緣包片的更換修理問題，從工藝角度分析，應(yīng)歸屬于金屬包片與非金屬復(fù)合材料的膠接問題。但是直升機(jī)槳葉前緣特殊的曲面外形，給修理施工增加了難度。如何保證膠接接頭的機(jī)械強(qiáng)度，就必須從被粘物的表面結(jié)構(gòu)、膠粘劑對被粘物的浸潤和膠粘劑的固化等因素找突破口[10]。所以，直升機(jī)復(fù)合材料槳葉前緣包片膠接修理工藝可從膠粘劑的選擇、表面處理方法和固化加熱加壓三個方面進(jìn)行分析。

2.1 膠粘劑的選擇

開展前緣包片膠接修理技術(shù)研究工作，首先要解決的問題就是膠粘劑的選擇問題。選用強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的膠粘劑是確保膠接接頭強(qiáng)度的決定性因素。結(jié)合車間現(xiàn)有的膠粘劑種類，選取了常用的EA9309.3NA、J-200-1A和SY-24C作為備選的膠粘劑。此三種膠粘劑外觀上相差較大，前兩種屬于糊狀膠粘劑，而后一種屬于薄膜型膠粘劑。為了比較三種膠粘劑的膠接性能，現(xiàn)場制作了膠接試驗件，并進(jìn)行了搭接剪切強(qiáng)度對比試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，SY-24C薄膜型膠粘劑的膠接穩(wěn)定性更好。由于該類型的膠粘劑無需進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)配，膠粘劑組分相對均勻，因而能獲得更佳的膠接強(qiáng)度。此外，直升機(jī)前緣呈特殊的曲面外形且膠接面積大，涂抹糊狀膠粘劑會給現(xiàn)場實施帶來極大的不便。因此，選用SY-24C薄膜型膠粘劑是前緣包片膠接修理的最佳選擇。

圖2 三種膠粘劑的強(qiáng)度試驗結(jié)果對比圖Fig.2 The comparison of strength test results of three adhesives

2.2 零件表面處理方法

膠接時良好的零件表面狀態(tài)，是提高膠接接頭強(qiáng)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先必須得保證零件的待膠接面清潔平整、無污染、無異物，要嚴(yán)格控制灰塵、油污、脫模劑等降低膠接強(qiáng)度的不穩(wěn)定因素，盡可能在溫濕度可控的清潔間內(nèi)進(jìn)行施工。對復(fù)合材料槳葉的待膠接表面，可用細(xì)砂紙輕輕打磨槳葉前緣位置，使其粗糙度均勻。而對前緣包片的待膠接表面需進(jìn)行特殊的處理方式才能滿足使用要求。通過查閱資料，常見的金屬材料表面處理方法如表1所示，所列舉的三類表面處理方法都能很好地改善膠接強(qiáng)度。為了能獲得最佳的零件表面處理狀態(tài)，對直升機(jī)槳葉前緣包片采取了“吹砂+酸洗+涂底膠”的復(fù)合表面處理工藝。

表1 常見的金屬材料表面處理方法Table 1 The common surface treatment methods for metal materials

2.3 加熱加壓固化

膠接裝配后能夠施加合適的溫度壓力使其固化，是獲得優(yōu)良膠接接頭的重要保證。直升機(jī)槳葉前緣特殊，常規(guī)的復(fù)合材料抽真空加壓法對前緣包片無法起到良好的效果。這是由于槳葉包片彎曲弧度較大，抽真空后施加在包片表面各處的壓力并不均衡，反而容易導(dǎo)致包片裝配后出現(xiàn)偏移、走位、脫粘等膠接缺陷。為了突破復(fù)合材料槳葉前緣包片膠接時加熱加壓困難的瓶頸，經(jīng)多次技術(shù)改進(jìn)攻關(guān)，結(jié)合復(fù)合材料槳葉特殊的翼型曲面特點，分析了前緣包片膠接裝配時的壓力需求，建立了前緣包片不同曲面位置的加壓物理模型。柔性自動化裝備依托于先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，能夠?qū)⑿畔⒉杉答佅到y(tǒng)與工藝裝備有效結(jié)合在一起，能實時監(jiān)測槳葉前緣包片膠接裝配時的壓力變化，并根據(jù)計算機(jī)控制系統(tǒng)中的物理加壓模型進(jìn)行自動化調(diào)整，保證整個加壓過程的平穩(wěn)。

3 實施與驗證

前緣包片膠接修理的標(biāo)準(zhǔn)流程主要包括材料準(zhǔn)備、零件準(zhǔn)備、膠接裝配、入模固化、出模清理、檢查驗證等環(huán)節(jié)，如圖3所示。

圖3 前緣包片膠接修理工藝流程圖Fig.3 The process flow chart of bonding repairment of the protection on the leading edge

3.1 材料準(zhǔn)備

將膠接裝配需使用的修補膠、膠膜、膩子粉以及輔助材料從庫房中領(lǐng)取出來，放在干凈的清潔間內(nèi)。若是在低溫庫存儲的材料，需在室溫條件下回溫6h以上至外包裝無冷凝水方可啟封使用。修補膠、膠膜等此類膠粘劑尤其要特別注意這一點，不可滲入水氣，否則將嚴(yán)重降低膠接強(qiáng)度。

3.2 零件準(zhǔn)備

清理檢查受損傷的復(fù)合材料槳葉前緣包片區(qū)域，使用鏟刀、虎鉗、橡膠棒等工具將受損傷的前緣包片從槳葉本體上剝離，剝離過程中注意保護(hù)槳葉本體。將殘留的膠層清理干凈，局部區(qū)的凹坑、貧膠等缺陷需采用修補膠刮膠處理。固化后將槳葉的待膠接面打磨平整，保持一定的粗糙度，待膠接裝配使用。

將新的前緣包片與槳葉前緣修理區(qū)進(jìn)行預(yù)裝配。按照槳葉前緣翼型區(qū)對前緣包片進(jìn)行鈑金校形，使兩者的配合間隙不超過0.3mm，并對多余的包片邊角進(jìn)行剪除。對前緣包片內(nèi)表面待膠接區(qū)進(jìn)行吹砂，并酸洗鈍化。在表面處理后8h有效期內(nèi)，對前緣包片清洗、噴涂底膠并烘烤固化。處理完的前緣包片用塑料薄膜包覆好，放在清潔間內(nèi)備用。

3.3 膠接裝配

膠接時的室內(nèi)溫濕度、空氣潔凈度等會影響連接質(zhì)量，因此復(fù)合材料槳葉前緣包片的膠接裝配應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)的清潔間內(nèi)進(jìn)行?；販睾蟠蜷_膠膜密封袋，用剪刀將膠膜裁剪為長條狀，面積比膠接區(qū)要略大一些。在槳葉膠接區(qū)的邊緣和包片張口邊緣各貼一層脫模布進(jìn)行保護(hù)，避免膠液溢出粘接在蒙皮和包片上難以清理。將槳葉前緣待膠接區(qū)清洗干凈，并均勻鋪貼一層膠膜。由于膠膜受幅寬限制，膠接時可將長條狀的膠膜進(jìn)行拼接處理，拼接的寬度一般小于2mm。鋪貼完膠膜后，需用搟板小心搟平，嚴(yán)禁膠膜存在褶皺、破損、氣泡等缺陷。然后將前緣包片裝配到槳葉修理區(qū)域，壓緊使之與膠膜貼實，并用膠帶固定。裝配完畢后，用剪刀小心剪除多余的膠膜。

3.4 入模固化

在復(fù)合材料槳葉的前緣包片修理區(qū)域覆蓋一層塑料薄膜并用膠帶固定，然后轉(zhuǎn)移到集成加熱加壓功能的柔性自動化裝備上。對槳葉的根部、后緣及槳尖位置進(jìn)行工裝夾持后，啟動柔性自動化裝備，按照膠膜固化工藝要求設(shè)置加熱加壓參數(shù)。柔性自動化裝備上的柔性加熱加壓層會根據(jù)控制系統(tǒng)中的物理加壓模型，包裹貼附在槳葉前緣包片修理區(qū)，對前緣包片修理區(qū)提供持續(xù)平穩(wěn)的溫度壓力，直至膠膜完全固化。

3.5 出模清理

待膠膜完全固化后，關(guān)閉柔性自動化裝備，拆除槳葉根部、后緣及槳尖位置的夾持工裝，輕輕將槳葉放置在專用周轉(zhuǎn)車上。拆除塑料薄膜和脫模布，用銅鏟刀去除槳葉表面多余的膠瘤，注意不得傷害槳葉蒙皮和前緣包片。然后調(diào)配適量的修補膠，對前緣包片邊緣的粘接間隙進(jìn)行刮膠填縫，固化后打磨平滑過渡。

3.6 檢查驗證

膠接裝配的質(zhì)量控制應(yīng)按照特殊過程進(jìn)行嚴(yán)格管理，檢驗內(nèi)容應(yīng)包含工序檢驗、外觀檢查和內(nèi)部缺陷檢測等。工序檢驗著眼于操作的每一個環(huán)節(jié)，對整個膠接過程進(jìn)行質(zhì)量控制，是最直接有效的途徑。外觀檢查一般采用目視檢測方法，主要觀察前緣包片在槳葉上的裝配位置是否偏移錯位、槳葉表面是否磕傷等質(zhì)量缺陷。而內(nèi)部缺陷檢測主要是針對膠接過程中的脫粘典型故障，常用敲擊法進(jìn)行判斷，但檢驗效果往往依賴檢驗員的技能水平和職業(yè)素養(yǎng)。目前激光散斑技術(shù)是一種新興的無損檢查方法，其工作原理是通過被測物體在加載前后的激光散斑圖的疊加，從而在有缺陷位置形成干涉條紋。該方法具有操作方便、外界干擾小，缺陷成像直觀、檢測效率高等特點，在復(fù)合材料槳葉修理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。前緣包片膠接修理后，經(jīng)專業(yè)檢驗人員人工敲擊檢查和激光散斑無損檢測，其結(jié)果均表明能夠滿足質(zhì)量要求，可以用于直升機(jī)安全飛行。

4 總結(jié)與展望

經(jīng)工藝分析與實施驗證，選用薄膜型膠粘劑、零件復(fù)合表面處理工藝和集成加熱加壓功能的柔性自動化裝備，并以此為技術(shù)核心構(gòu)建了一套完整的直升機(jī)復(fù)合材料槳葉前緣包片修理標(biāo)準(zhǔn)流程，膠接修理質(zhì)量穩(wěn)定可靠，大大改善了直升機(jī)復(fù)合材料槳葉的使用持久性。技術(shù)的革新是工程制造領(lǐng)域的常態(tài)。隨著新材料、新裝備和新工藝的高速發(fā)展，直升機(jī)槳葉故障將能夠被及時發(fā)現(xiàn)與診斷，使修理過程更加環(huán)保、快速和高效。復(fù)合材料槳葉的修理技術(shù)水平得以提升，飛行使用期限延長，甚至可能到達(dá)無限壽命。