碳?xì)謴?fù)合材料無損檢測(cè)對(duì)比試塊設(shè)計(jì)及工藝

焦亦彬，馬秘輝，孟慶杰，王一寒

（沈陽飛機(jī)工業(yè)<集團(tuán)>有限公司 遼寧 沈陽 110058）

0 引言

隨著碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)制造領(lǐng)域大量應(yīng)用，階差結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)為防止口蓋結(jié)構(gòu)接觸面磨損而鋪貼碳素纖維氈材料（簡(jiǎn)稱碳?xì)郑┻M(jìn)行保護(hù)與緩沖。碳素纖維氈預(yù)浸料出現(xiàn)前，在實(shí)際生產(chǎn)中曾采用蓬松絮狀碳?xì)滞馔克渲笤诔尚湍＞咧幸灾袦丶訜?、常溫樹脂膠粘的方式制取碳纖維氈[1]。因原用的碳?xì)植牧隙嗫障兜兔芏鹊男再|(zhì)，絮狀非連續(xù)狀態(tài)下成型工序繁瑣、效率低下，無法保證材料內(nèi)部均勻性[2]，且需在正式零件高溫成型后額外增加二次膠接工序，在后續(xù)機(jī)械加工及裝配過程中極易產(chǎn)生移位、甚至脫落的問題。經(jīng)過材料性能、浸漬狀態(tài)研發(fā)與預(yù)浸料擠壓工藝改良，現(xiàn)選用連續(xù)碳纖維氈預(yù)浸料進(jìn)行零件碳?xì)植课患庸?。零件中碳?xì)滞ǔ閲@大尺寸壁板及口蓋整體鋪貼，寬度極窄，其使用面積及與碳纖維復(fù)合材料零件粘接面積僅為5～15 mm寬一條，且位置在貼工裝胎面一側(cè)于外蒙皮內(nèi)，固化后外觀上與碳纖維零件融為一體。

在成型、鋪疊后進(jìn)入熱壓罐固化過程中，無論設(shè)計(jì)者、工藝員還是操作者都難以保證碳?xì)终辰尤嫘?，常有部分碳?xì)謼l脫粘甚至整體脫落風(fēng)險(xiǎn)。若有某一處或某幾處小范圍脫粘，憑借目測(cè)法難以確定脫粘范圍，需配合相應(yīng)結(jié)構(gòu)對(duì)比試塊進(jìn)行無損檢測(cè)。除此之外，若碳?xì)窒路綄影褰Y(jié)構(gòu)零件中出現(xiàn)夾雜類缺陷，單一增益下無法一次性檢測(cè)出整體厚度區(qū)間內(nèi)所有內(nèi)部缺陷，需要有同結(jié)構(gòu)優(yōu)區(qū)參照以確定缺陷具體深度及位置。因不同角度碳?xì)趾穸炔煌?，需制作?duì)應(yīng)厚度及角度碳?xì)謱?duì)比試塊填補(bǔ)參照空白。

1 碳纖維氈復(fù)合材料制件無損檢測(cè)對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于傳統(tǒng)碳纖維層壓板模擬分層對(duì)比試塊制造原理，為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)全面檢測(cè)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)試塊上，同時(shí)滿足還原正式零件碳?xì)趾穸?、角度及其與層板粘接構(gòu)造，檢測(cè)碳?xì)置撜臣疤細(xì)窒聦訅喊鍍?nèi)的不同深度分層缺陷，以及有足夠面積優(yōu)區(qū)進(jìn)行對(duì)比的需求。根據(jù)超聲縱波穿透檢測(cè)方法式（1）及（2）[3]，式中為聲波在被檢測(cè)復(fù)合材料中的傳播速度；H為聲波在被檢測(cè)復(fù)合材料表面和底面之間的單次往返傳播時(shí)間；h為聲波在被檢測(cè)復(fù)合材料表面和缺陷表面之間的單次往返傳播時(shí)間，可準(zhǔn)確得知零件層板厚度H及缺陷深度h，可用于檢測(cè)碳?xì)至慵?nèi)部脫粘或上下結(jié)構(gòu)分層。因此可同時(shí)制作多階梯同結(jié)構(gòu)不同角度對(duì)比試塊以輔助穿透法A掃描檢測(cè)。

設(shè)計(jì)碳纖維氈-層壓板粘接試塊之初，首先應(yīng)明確要解決的技術(shù)問題：（1）需在制作試塊過程中保證碳?xì)纸嵌认鄬?duì)準(zhǔn)確，符合公差要求。由于試塊制作周期早于正式零件，且試塊整體尺寸遠(yuǎn)小于正式零件尺寸，會(huì)存在缺少合適的碳?xì)殖尚湍９ぱb以控制碳?xì)中螤?、保證碳?xì)纸嵌鹊膯栴}；（2）根據(jù)不同型號(hào)零件驗(yàn)收技術(shù)條件要求設(shè)計(jì)碳?xì)謨?nèi)部缺陷尺寸，需考慮碳?xì)中逼抡辰用嫣幦毕萃队懊娣e，及實(shí)際制作試塊時(shí)缺陷是否可檢；（3）基于反射法A掃描過程中探頭對(duì)零件表面質(zhì)量的耦合需要，對(duì)于試塊表面平滑度也有一定要求，試塊表面需平整光滑，無嚴(yán)重翹曲形變；（4）需保證固化過程中碳?xì)植荒苊撀洌ＷC人工缺陷在碳?xì)峙c預(yù)浸料膠膜中不移位，層壓板部分的內(nèi)部分層缺陷不偏移；（5）需保證碳?xì)謮簩?shí)狀態(tài)，其內(nèi)部質(zhì)量需致密，符合空隙率要求，無集中空隙影響超聲波檢測(cè)。

層板類結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料制件在制造中可能產(chǎn)生的損傷類型有內(nèi)部基體/纖維分層和斷裂失效缺陷；加筋壁板類和膠接結(jié)構(gòu)制件還要增加脫粘問題[4]。碳?xì)诸惏辶毫慵劝瑢影褰Y(jié)構(gòu)又有膠接工序，則需考慮以上所有種類內(nèi)部缺陷。為測(cè)試該思路是否適用于不同角度、不同厚度、不同表面狀態(tài)的碳?xì)謼l件，先以多種碳纖維氈復(fù)合材料制件對(duì)比試塊需求為預(yù)設(shè)計(jì)藍(lán)本，設(shè)計(jì)制作4種碳?xì)纸嵌炔煌?、上下層板總厚度不同的碳?xì)謱訅喊鍖?duì)比試塊。綜合零件設(shè)計(jì)數(shù)模及材料信息，部分零件結(jié)構(gòu)為起到防雷擊、耐高溫、耐濕熱、沖擊壓縮強(qiáng)度高等功能，部分碳?xì)窒落佡N有金屬網(wǎng)復(fù)合膜及同種類樹脂玻璃纖維預(yù)浸料。4塊試塊碳?xì)蛛A梯上鋪貼狀態(tài)分別為：僅一層玻璃布，僅一層鋁網(wǎng)，一層玻璃布+一層鋁網(wǎng)，無玻璃布無鋁網(wǎng)。根據(jù)零件檢測(cè)需求[5]，碳?xì)謨?nèi)部?jī)H允許有直徑不大于6 mm或單塊面積不大于0.4 cm2的脫膠缺陷，缺陷深度設(shè)計(jì)為距離下表面2～3層、中間層及碳?xì)置撜橙毕?。為?yàn)證缺陷是否能被檢出并保證探頭最小檢測(cè)范圍，規(guī)定試塊內(nèi)部缺陷為3枚Φ3 mm用藍(lán)膠帶或錫紙包覆一層或二層單層厚度小于0.15 mm的聚四氟乙膜人工缺陷，聚四氟乙烯膜需涂刷六遍脫模劑并自然晾干30 min，缺陷投影中心距離為20 mm，#1缺陷位于上臺(tái)階中間層，#2缺陷位于碳?xì)峙c下臺(tái)階高溫樹脂膠膜膠接面間，#3臺(tái)階位于距離上臺(tái)階上表面2～3層之間。碳?xì)稚项A(yù)浸料層板厚度均為32層，碳?xì)纸嵌确謩e為30°、26°、20°、10°，其對(duì)應(yīng)的與碳?xì)中泵嫦嗾迟N的鋪層厚度分別為24、21、16、8層。根據(jù)該要求及零件尺寸、碳?xì)稚戏綄影搴穸龋⒋_定人工缺陷尺寸。如圖1所示。

為保證試塊表面質(zhì)量，需在貼真空袋一側(cè)放置隔離膜或四氟布及蓋板。如有碳?xì)殖尚湍；蚺涮灼渌尚凸ぞ?，可提前使用工裝，進(jìn)熱壓罐壓實(shí)成型或使用電熨斗隔無孔隔離膜加熱并抽真空進(jìn)行預(yù)成型。如無碳?xì)殖尚湍；蚬ぱb還未具備開工條件，碳?xì)殖尚徒嵌韧ㄟ^計(jì)算其所粘接的預(yù)浸料鋪層錯(cuò)層量可較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)：在確定碳?xì)謱挾群?，根?jù)碳纖維預(yù)浸料材料標(biāo)準(zhǔn)中材料固化后厚度，可用三角函數(shù)及等差數(shù)列計(jì)算單層錯(cuò)層量；但由于自動(dòng)下料設(shè)備存在走刀誤差及設(shè)備廠家間程序差異，應(yīng)保證試塊預(yù)浸料下料連續(xù)性及統(tǒng)一性。

2 飛機(jī)碳纖維氈復(fù)合材料制件無損檢測(cè)對(duì)比試塊工藝方法及優(yōu)化

確定碳?xì)?層壓板對(duì)比試塊設(shè)計(jì)方案及制作流程后，開始進(jìn)行第一批試驗(yàn)件試塊制作，確定其成型方式為205 ℃高溫?zé)釅汗薰袒?。因無配套金屬工裝成型模，按無工裝計(jì)劃執(zhí)行。#1及#3分層缺陷直接在層板鋪疊過程中按規(guī)定位置放入，#2為脫粘缺陷，置于高溫樹脂膠膜與碳纖維預(yù)浸料之間。在進(jìn)行碳?xì)咒伅B時(shí)，將試塊倒置以便操作。首先，使用大小適中的金屬塊放置在已鋪疊好的階梯上定位，將金屬塊直角邊卡于層壓板上階梯斜坡下緣，再在上階梯表面上方放置硬質(zhì)蓋板（如玻璃鋼蓋板、金屬擋片等）與金屬塊組合形成放置碳?xì)挚涨?。根?jù)斜坡斜邊尺寸裁切碳?xì)诸A(yù)浸料堆疊。將碳?xì)诸A(yù)浸料填充至與層壓板上臺(tái)階表面齊平后進(jìn)行抽真空、加熱預(yù)成型等步驟，以使碳?xì)诌_(dá)到所要求的角度。

鋪疊工序結(jié)束后，操作者先根據(jù)碳?xì)峙_(tái)階厚度制作未硫化硅橡膠蓋板墊于試塊及平板工裝間。將金屬塊更換為金屬擋條，在試塊表面放置硬質(zhì)蓋板進(jìn)罐固化。固化全程真空度不低于-92 kPa，抽真空速率為49 kPa/min；壓力 700±35 kPa，加壓速率為350 kPa/min；溫度要求為：（1）升溫速率不大于1.5 ℃/min，升至90 ℃；（2）90±5 ℃，保溫15 min；（3）升溫速率不大于1.5 ℃/min，升至130 ℃；（4）130±5 ℃，保溫20 min；（5）升溫速率不大于1.5 ℃/min，升至180 ℃；（6）180±5 ℃，保溫120 min；（7）升溫速率不大于1.5 ℃/min，升至205 ℃；（8）205±5 ℃，保溫360 min；（9）降溫速率不大于1.5 ℃/min，降至60 ℃；（10）60 ±5 ℃，保溫2 min，卸壓準(zhǔn)備出罐。試塊出罐后進(jìn)行清膠處理，機(jī)加下料，去除零件余量。在進(jìn)行機(jī)械加工打磨、清漆封邊后，將第一批碳?xì)衷噳K送至理化測(cè)試中心進(jìn)行超聲波無損檢測(cè)。

在去除試塊四周因邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的余量時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于碳素纖維氈預(yù)浸料高溫條件下產(chǎn)生熱膨脹且膨脹系數(shù)較大，試塊表面蓋板未能將試塊壓平反而被拱起，臺(tái)階處硅橡膠墊板在試塊階差處并不隨形，也未能起到側(cè)面推實(shí)作用，導(dǎo)致試片表面彎曲變形十分嚴(yán)重。剖切試樣后從剖面清晰可見碳?xì)謼l寬度方向膨脹約1～2 mm，導(dǎo)致人工缺陷正好處于碳?xì)峙c碳纖維層板接縫彎曲處。進(jìn)一步導(dǎo)致缺陷投影面積被大大壓縮，不足門檻值檢測(cè)公差范圍。而兩種材料密度不同，差異較大，碳?xì)謨?nèi)部樹脂含量不均勻，比碳纖維更疏松，內(nèi)部孔隙損耗部分聲波，底板彎曲還會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致分層缺陷回波弱，脫粘缺陷從臺(tái)階上方無法檢出，只有從貼袋面一側(cè)才可檢。但由于層板層數(shù)差異，脫粘D波不明顯，波形更類似于分層缺陷（圖2所示）。

根據(jù)第1批試塊失敗教訓(xùn)，進(jìn)行第2批試塊設(shè)計(jì)及制作流程優(yōu)化嘗試。本次修改為解決碳?xì)稚媳砻鏌崤蛎浀膯栴}，從鋪疊之初便將試塊倒置，上臺(tái)階貼平板模胎，下臺(tái)階貼真空袋，并在下臺(tái)階上表面放置雙層0.5 mm厚玻璃鋼蓋板，將碳?xì)謪^(qū)域與碳纖維區(qū)域一起勻壓；將脫粘缺陷直徑增至Φ6 mm，以彌補(bǔ)缺陷檢測(cè)投影面積的不足,兩種深度各增加1枚Φ5 mm分層缺陷以增大可檢性，同時(shí)將缺陷圓心位置整體向碳?xì)忠粋?cè)移動(dòng)1 mm進(jìn)行補(bǔ)差，以保證缺陷整體完全位于碳?xì)指采w區(qū)域內(nèi)；在填充碳?xì)诸A(yù)浸料時(shí)，根據(jù)上一次嘗試得到的碳?xì)诸A(yù)浸料熱膨脹量，將碳?xì)謼l額外填高約1 mm以保證表面質(zhì)量平整均勻；使用真空袋封裝時(shí)對(duì)試塊四周進(jìn)行擋膠，對(duì)上下臺(tái)階分別填充蓋板以實(shí)現(xiàn)側(cè)面擠壓壓實(shí)。經(jīng)本次改動(dòng)，試塊外表面質(zhì)量得到明顯提升，貼袋面一側(cè)無任何翹曲形變，試塊側(cè)面坍縮量極小，試塊尖角處鋒利無壓角，試塊余量剖面處可見碳?xì)秩菂^(qū)與碳纖維層壓板涇渭分明。經(jīng)測(cè)量，固化后的碳?xì)纸嵌鹊玫搅吮ＷC，數(shù)值較準(zhǔn)確能滿足設(shè)計(jì)檢測(cè)需要。在A掃描檢測(cè)過程中，第2批試塊碳?xì)謪^(qū)檢測(cè)界面波明顯后移，可見膠接界面被破壞，與第1批形成鮮明對(duì)比（圖3所示）。通過對(duì)碳?xì)止袒蛎浟俊⑷毕莩叽绲恼{(diào)整、以及試塊壓實(shí)封裝及固化方式的改變，對(duì)于解決碳?xì)謱?duì)比試塊表面質(zhì)量差、碳?xì)峙_(tái)階邊緣翹曲、內(nèi)部分層及脫粘人工缺陷位置偏移、因缺陷投影面積被壓縮導(dǎo)致被檢測(cè)效果差甚至不可檢的問題有較好的改善效果。

3 結(jié)論

根據(jù)目前碳?xì)峙c碳纖維復(fù)合材料膠接固化零件內(nèi)部質(zhì)量無損檢測(cè)需要，碳?xì)謱?duì)比試塊的需求也隨之產(chǎn)生。由于碳?xì)至慵?nèi)部可能存在局部脫粘及分層缺陷，決定采用穿透法A掃描的方式進(jìn)行碳?xì)謨?nèi)部質(zhì)量檢測(cè)。為解決保證碳?xì)纸嵌燃霸噳K表面平滑度、保證缺陷尺寸及位置可檢、保證碳?xì)衷跓o工裝條件下仍可成型等問題，設(shè)計(jì)了不同厚度、不同角度的碳?xì)謱?duì)比試塊的工藝方案。在初次試驗(yàn)中，由于未考慮碳?xì)譄崤蛎浟考皟煞N膠接材料密度間差異，導(dǎo)致試塊碳?xì)峙_(tái)階邊緣區(qū)域屈曲，內(nèi)部脫粘缺陷位置偏移，缺陷檢測(cè)投影面積不足，分層缺陷波不清晰，脫粘缺陷不可檢等問題。通過考慮碳?xì)譄崤蛎浟窟M(jìn)行補(bǔ)差、缺陷尺寸分別調(diào)整及試塊壓實(shí)方式的改變，對(duì)于解決碳?xì)謱?duì)比試塊表面質(zhì)量差、碳?xì)峙_(tái)階邊緣翹曲、內(nèi)部分層及脫粘缺陷位置偏移、因缺陷投影面積被壓縮導(dǎo)致被檢測(cè)效果差甚至不可檢的問題均有較好的改善效果。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)過程中的多次應(yīng)用，已證實(shí)了該工藝流程優(yōu)化的可行性。該工藝方案不但實(shí)現(xiàn)了試塊制作合格率的顯著提升，也為后續(xù)其他種類的復(fù)合材料無損檢測(cè)對(duì)比試塊的工藝流程提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與參考。