直升機槳葉包片膠接前激光毛化處理的有效性研究

王朝琳，宋 斌，劉 娟，蘇劍英，許凱淇，文穎慧，侯 偉，楊雄飛

（1.哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150060；2.陸裝駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，黑龍江哈爾濱 150060）

直升機旋翼槳葉前緣一般采用0.4 mm～0.6 mm 厚不銹鋼、純鎳、鈦合金材料加工的包片進(jìn)行防護，成型后的包片表面光滑，膠接后與旋翼槳葉結(jié)合強度弱，在槳葉運轉(zhuǎn)過程中存在局部脫粘、甚至與槳葉完全剝離現(xiàn)象。金屬包片在膠接前通常采用酸洗或噴砂處理。酸洗工藝可清理包片表面在成型及周轉(zhuǎn)過程中受到的污染，除去零件表面的油污、氧化膜或輕微的銹蝕。酸洗后包片的待膠接面較為光滑，與槳葉結(jié)合強度不足，且強酸性溶液揮發(fā)性強，環(huán)境友好性差。噴砂借助壓縮空氣的力量將砂粒高速噴向零件表面，利用砂粒對工件表面的沖擊和切削作用，去除工件表面的氧化物，使工件表面獲得一定的清潔度和粗糙度。噴砂可通過加大膠接物間的接觸面積、膠液的流平性能提高膠接結(jié)合強度，但包片厚度小于1 mm，單面噴砂后由于材料表面應(yīng)力釋放不均導(dǎo)致板材變形，變形后矯形困難、包片外形難以保證。噴砂工藝產(chǎn)生粉塵較大，人工作業(yè)環(huán)境較為惡劣。

激光毛化技術(shù)是一種先進(jìn)的表面處理技術(shù)，具有低能耗、綠色環(huán)保、可控性強等特點，利用高能量、高重復(fù)頻率的脈沖激光束經(jīng)聚焦后入射到金屬表面形成微小熔池，起到清理并毛化金屬表面的作用。該技術(shù)在鋼鐵企業(yè)常用于軋輥表面的處理，提高冷軋板產(chǎn)品質(zhì)量，在直升機槳葉構(gòu)件膠接前表面處理中尚無應(yīng)用。

本文通過對與槳葉包片同種材料（鈦合金、不銹鋼、純鎳）的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行激光毛化、酸洗、噴砂處理，在膠接后經(jīng)粗糙度、實體顯微鏡下微觀形貌檢測，并依據(jù)GB/T 7122 和GB/T 7124，分別對膠接后的試件進(jìn)行剝離強度檢測及剪切強度測定，對比試驗所獲得的數(shù)據(jù)，表明激光毛化技術(shù)應(yīng)用于金屬材料膠接前表面處理可達(dá)到有效提高膠接結(jié)合強度的目的，為該技術(shù)在直升機槳葉的生產(chǎn)制造提供技術(shù)依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 驗證流程

流程I：試樣加工→激光毛化/酸洗/噴砂→外觀、粗糙度檢測、微觀形貌觀察

流程Ⅱ：試樣加工→激光毛化/酸洗/噴砂/鋁合金試件非封閉陽極氧化→噴涂底膠、配備膠膜→固化→浮輥剝離試驗/剪切強度測定

1.2 試樣加工

依據(jù)槳葉包片前緣防護片材料，分別加工鈦合金材料試件、不銹鋼材料試件，并從電鑄鎳成型槳尖前緣包片試驗件中截取純鎳試件（純鎳99%）；浮輥法濕剝離試驗用標(biāo)準(zhǔn)2024T3鋁合金試件；多層玻璃布經(jīng)高溫固化制備剪切強度試驗用復(fù)合材料試件。試件分組及具體材料、規(guī)格、表面處理類型見表1、表2。

1.3 表面處理

激光毛化：試件待膠接面激光毛化處理。參考金屬表面噴砂后粗糙度等級Ra≤1.6，調(diào)整激光源參數(shù)，激光平均功率60 W～70 W，脈沖頻率110 kHz～120 kHz，激光掃描寬度為20 mm，速度0.5 m/min～1.0 m/min。

噴砂：試件待膠接面噴砂處理。白鋼玉砂120目，空氣壓力0.25 MPa～0.35 MPa，噴嘴至試件距離50 mm～300 mm。

酸洗：不銹鋼試件及鈦合金試件分別在硝酸-氟化鈉溶液中進(jìn)行酸洗，溫度55 ℃～60 ℃、時間2 min～4 min；鎳試件在硝酸-氟化鈉溶液中酸洗，水洗后放于鉻酸酐-硫酸槽中酸洗處理，溫度55 ℃～60 ℃、時間14 min～16 min。

浮輥剝離試驗中使用鋁合金試件在膠接前進(jìn)行非封閉鉻酸陽極化處理。

1.4 試驗項目

在自然光下對表面處理后的試件進(jìn)行外觀檢驗，用粗糙度儀檢查試件待膠接面的粗糙度并記錄實測值，在40倍實體顯微鏡下觀察試件待膠接面微觀形貌。

浮輥剝離試驗參照某型號直升機槳葉制造要求噴涂底膠并配備膠膜。激光毛化/噴砂/酸洗處理后的試件在4小時內(nèi)涂覆底膠，鋪放膠膜，與經(jīng)鉻酸陽極化處理（不做封閉處理）并涂覆同種底膠后的鋁合金試件進(jìn)行膠接，依據(jù)GB/T 7122 浮輥剝離試驗檢測失效模式及剝離強度。

剪切強度檢測是經(jīng)不同表面處理的金屬材料試件噴涂底膠，配備膠膜，與復(fù)合材料試件在特定條件下固化，依據(jù)GB/T 7124 試驗方法測定失效模式及剪切強度。

2 結(jié)果及分析

2.1 外觀

激光毛化、噴砂、酸洗后的試件見下圖1。目視檢查處理后的試件表面，潔凈無明顯污染物，無裂紋、傷痕、腐蝕坑及其他缺陷，無熔化現(xiàn)象。酸洗后的試件外觀致密呈金屬銀白色光澤，而激光毛化和噴砂試件表面與之相比較為粗糙。從圖1（b）可以看出，待膠接面噴砂處理試件與酸洗和激光毛化后的試件相比有明顯變形。

圖1 酸洗、噴砂、激光毛化后的試件Fig.1 The test panels treated by acid pickling，sand blasting and laser texturing

噴砂是通過壓縮空氣帶動砂粒形成高速流動的砂流濺射在零件表面，只能通過調(diào)整噴砂壓力及噴砂設(shè)備噴嘴與試件的距離來增加或減少砂粒對試件表面的作用力度，當(dāng)作用力度過輕時，無法達(dá)到打磨毛化的目的。而激光毛化在不改變激光頻率的情況下，可通過調(diào)整激光投射方向減少和避免試件變形的發(fā)生。

2.2 粗糙度

使用粗糙度儀分別對經(jīng)激光毛化、噴砂、酸洗處理后的鈦合金材料試件、不銹鋼材料試件以及純鎳試件進(jìn)行檢測，其對比分析見圖2。經(jīng)對比分析可以看出，激光毛化后同種材料試件表面粗糙度值分布較為均衡，而噴砂表面及酸洗表面粗糙度值波動較大。激光毛化技術(shù)可通過激光源參數(shù)的調(diào)整得到相應(yīng)的表面粗糙度，噴砂表面粗糙度直接受噴砂介質(zhì)規(guī)格的影響，酸洗試件的表面粗糙度與原基體基本一致。

圖2 粗糙度Ra檢測值對比分析圖Fig2 Analysis graphics of roughness

2.3 微觀形貌

40 倍實體顯微鏡下，試件經(jīng)激光毛化、噴砂、酸洗后的待膠接面微觀形貌見圖3～5，不同材料試件表面形貌呈規(guī)律性變化。激光毛化試件表面微觀形貌為規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，噴砂后的表面整體粗糙但無序，而酸洗試樣相比噴砂和激光毛化表面較為光滑。粗糙度值相近的情況下，噴砂和激光毛化試件表面微觀形貌差異較大，均可在膠接中增大試件表面與底膠、膠膜的接觸面積。

圖3 鈦合金試件待膠接面微觀形貌（a）酸洗（b）噴砂（c）激光毛化Fig.3 Micro-morphology of the titanium alloy test panels（a）pickling（b）sand blasting（c）laser texturing

圖4 不銹鋼試件待膠接面微觀形貌（a）酸洗（b）噴砂（c）激光毛化Fig.4 Micro-morphology of the stainless steel test panels（a）Pickling（b）sand blasting（c）laser texturing

圖5 純鎳試件待膠接面微觀形貌（a）酸洗（b）噴砂（c）激光毛化Fig.5 Micro-morphology of the pure nickel test panels（a）pickling（b）sand blasting（c）laser texturing

2.4 浮輥剝離試驗

激光毛化、噴砂、酸洗處理后不同金屬材料試件在浮輥剝離試驗中獲得的剝離值對比分析見圖6。通過試驗數(shù)據(jù)及對比分析可以看出，待膠接面激光毛化處理后試件的浮輥剝離值明顯高于酸洗和噴砂兩組試件。直升機旋翼槳葉包片浮輥剝離試驗要求浮輥剝離值≥4 kN/m 為合格。酸洗試件浮輥剝離值較低＜4 kN/m；噴砂試件浮輥剝離值高于酸洗試件浮輥剝離值；激光毛化試件浮輥剝離值明顯高于噴砂試件。

圖6 浮輥剝離值對比分析及試件狀態(tài)Fig.6 Analysis graphics of the value of floating roller peel and the test panels of tests

激光毛化試件及噴砂試件失效模式為混合破壞，金屬試件表面粘附大量膠膜；酸洗試件失效模式均為粘附破壞。

2.5 剪切強度檢測

激光毛化、噴砂、酸洗處理后不同金屬材料試件剪切強度檢測結(jié)果對比分析及部分試件見圖7。

圖7 剪切強度值對比分析Fig.7 Analysis graphics of the value of shear strength

對比分析試驗數(shù)據(jù)可以看出，待膠接面激光毛化處理后的試件剪切強度明顯高于酸洗和噴砂試件。直升機旋翼槳葉包片一般剪切強度值不低于25 MPa，從試驗數(shù)據(jù)及其對比可以看出：酸洗試件剪切強度較低，其中純鎳試件平均剪切強度低于27 MPa；噴砂及激光毛化后的試件平均剪切強度均高于30 MPa；激光毛化試件剪切強度明顯高于其他兩類表面處理試件。

激光毛化試件及噴砂試件失效模式均為混合破壞模式，酸洗試件失效模式均為粘附破壞模式。

3 結(jié)論

本文對直升機槳葉包片常用材料鈦合金、不銹鋼、純鎳加工的試件表面進(jìn)行激光毛化、噴砂、酸洗處理，通過外觀、粗糙度、微觀形貌、浮輥剝離試驗進(jìn)行檢查檢測及驗證，分析了激光毛化技術(shù)對槳葉包片膠接前表面處理的有效性。經(jīng)研究分析得出結(jié)論：激光毛化技術(shù)無噴砂后應(yīng)力變形現(xiàn)象，可增加金屬基體材料表面的粗糙度，改變金屬表面微觀形貌，達(dá)到有效提高膠接結(jié)合強度的目的。

后續(xù)將針對激光毛化技術(shù)對金屬材料組織結(jié)構(gòu)的影響、對材料拉伸性能等的影響開展進(jìn)一步研究驗證。