GLARE層板熱態(tài)氣壓成形工藝參數(shù)影響規(guī)律研究

楊 姝,魏文濤,崔海超,亓 昌,盈 亮

(1.大連理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024;2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院, 北京 100024;3.大連理工大學(xué) 寧波研究院, 浙江 寧波 315016)

0 引言

纖維金屬層合板(fiber metal laminates,FMLs)是由金屬薄板和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料按一定順序交替鋪疊而成的一種先進(jìn)復(fù)合材料[1]。FMLs集成了金屬材料與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì),具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn),目前已在航空航天領(lǐng)域重要結(jié)構(gòu)部件中得到了廣泛應(yīng)用。例如,空客A380飛機(jī)將GLARE層板應(yīng)用于機(jī)身壁板,應(yīng)用面積達(dá)470 m2[2]。

FMLs的高性能成形制備是實(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用的前提和關(guān)鍵,需要綜合考慮金屬材料的成形加工[3]、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的固化成形,以及二者之間的層間協(xié)調(diào)變形和層間結(jié)合強(qiáng)度,避免產(chǎn)生分層失效。目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)FMLs成形的研究主要圍繞傳統(tǒng)的塑性成形方法。Alireza等[4]證明了采用拉深工藝成形FMLs的可行性,評(píng)估了預(yù)膨脹壓力、最終腔室壓力和拉深比等工藝參數(shù)對(duì)層板成形性能的影響;Russig等[5]采用噴丸工藝成形了玻璃纖維增強(qiáng)金屬層合板(GLARE)試件,證明了此工藝成形簡(jiǎn)單曲率GLARE試件的可行性,同時(shí)指出需要對(duì)成形后的層板進(jìn)行必要的無(wú)損檢測(cè);Liu等[6]研究了纖維層取向?qū)_壓成形過(guò)程中GLARE層板成形性能的影響,結(jié)果表明,中間層的單向和多向纖維對(duì)3層板材的減薄和表面成形質(zhì)量影響顯著;李磊等[7]分析了充液成形工藝中壓邊間隙和液室壓力對(duì)編織FMLs成形質(zhì)量的影響,證明當(dāng)壓邊間隙略小于層板厚度,最大液室壓力為10 MPa時(shí),可成形出無(wú)缺陷的試件。然而,傳統(tǒng)的成形方法對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)曲率的限制較大,成形效率較低、成本較高,且缺乏對(duì)熱固性和熱塑性[8-9]2類樹(shù)脂基FMLs成形規(guī)律的深入研究。

熱態(tài)氣壓成形技術(shù)[10-11]利用高溫環(huán)境下材料易變形和高壓氣體的隨形加載特性可實(shí)現(xiàn)合金和復(fù)材試件的高效精確成形。劉鋼等[12]開(kāi)展了矩形截面鈦合金試件的高壓氣脹成形實(shí)驗(yàn),證明采用合理的加載路徑能高質(zhì)高效地實(shí)現(xiàn)鈦合金異形管件的成形制造;秦中環(huán)等[13]基于高溫氣脹成形工藝研究了預(yù)成形和氣壓加載速率對(duì)鋁合金球頭成形件壁厚分布均勻性的影響規(guī)律,確定了預(yù)成形和終成形優(yōu)化方案;Chen等[14]證明了碳纖維復(fù)材熱氣壓成形的可行性,分析了成形溫度、成形壓強(qiáng)、加壓速率等工藝參數(shù)對(duì)CFRP成形試件力學(xué)性能的影響。本文采用熱態(tài)氣壓成形技術(shù)成形單曲率GLARE層板試件,以成形試件的壁厚分布和成形深度作為表征參數(shù),研究不同成形溫度和成形壓強(qiáng)對(duì)熱固性和熱塑性樹(shù)脂基GLARE層板成形性能的影響規(guī)律,為纖維金屬層合板熱態(tài)氣壓成形工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

本研究中成形單曲率GLARE層板試件選用的鋁合金型號(hào)為2024-T3,厚度為0.3 mm,根據(jù)ASTM-E8標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得力學(xué)性能參數(shù)值如表1所示。層板分別選用山東光威公司生產(chǎn)的環(huán)氧基熱固性玻璃纖維增強(qiáng)預(yù)浸料和PP基熱塑性玻璃纖維增強(qiáng)預(yù)浸料,其中環(huán)氧基預(yù)浸料厚度為0.15 mm,PP基預(yù)浸料厚度為0.45 mm。廠商提供的基本力學(xué)性能參數(shù)值如表2所示。本研究采用的層板鋪疊方式為鋁合金層/預(yù)浸料層/預(yù)浸料層/鋁合金層,預(yù)浸料按照0°/90°纖維方向鋪層。為增強(qiáng)預(yù)浸料層和鋁合金層的界面黏結(jié)強(qiáng)度,從而促進(jìn)兩者協(xié)調(diào)變形,減少成形試件分層缺陷,需分別對(duì)鋁合金板和預(yù)浸料進(jìn)行預(yù)處理[15]。如圖1所示,對(duì)鋁合金板進(jìn)行機(jī)械打磨及清洗,除去表層氧化膜,提高表面粗糙度;對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行烘干處理,除去內(nèi)含水分。

圖1 材料預(yù)處理流程及結(jié)果圖

表1 2024-T3鋁合金基本力學(xué)性能參數(shù)值

表2 玻璃纖維增強(qiáng)預(yù)浸料主要力學(xué)性能參數(shù)值

1.2 試驗(yàn)裝備

采用自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的熱態(tài)氣壓成形機(jī)開(kāi)展GLARE層板熱態(tài)氣壓成形工藝研究。該設(shè)備主要由氣壓系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和成形模具4大部分組成,如圖2所示。其中,氣壓系統(tǒng)包括氣源、控制臺(tái)、進(jìn)排氣管路等部分,起到快速向模具型腔內(nèi)充氣加壓并精確控壓的作用;溫控系統(tǒng)由控溫箱、加熱圈、熱電偶等組成,旨在較短時(shí)間內(nèi)將模具加熱至目標(biāo)溫度,實(shí)時(shí)反饋模具內(nèi)部溫度,并在成形過(guò)程中保持溫度恒定;冷卻系統(tǒng)包括水泵、管路和水冷板等,用于冷卻設(shè)備各組件并帶走多余熱量;成形模具由上模具和半球形下模具組成,上下模合模后可提供熱氣壓成形所需的密閉型腔。成形時(shí)先將層板坯料放置在下模具上,通過(guò)壓邊圈壓緊,如圖3(a)所示;隨后,利用氣壓系統(tǒng)將高壓氣體充入型腔,在一定溫度下將GLARE層板吹脹成形,直至貼合下模具型腔表面,如圖3(b)所示。

圖2 熱氣壓成形設(shè)備示意圖

圖3 GLARE層板熱態(tài)氣壓成形過(guò)程示意圖

1.3 試驗(yàn)方案

分別根據(jù)環(huán)氧基和PP基2種樹(shù)脂的受熱融化溫度[16]、最大耐熱溫度,并按相等間距確定工藝實(shí)驗(yàn)的溫度參數(shù)值設(shè)置;實(shí)驗(yàn)中氣體壓強(qiáng)峰值為5 MPa,同樣按等間距確定壓強(qiáng)參數(shù)值設(shè)置。GLARE層板熱態(tài)氣壓成形實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)取值如表3所示。GLARE層板熱態(tài)氣壓成形工藝路線如圖4所示,包括成形溫度、氣體壓強(qiáng)和壓邊力隨時(shí)間的變化過(guò)程。首先將模具加熱至工藝路線參數(shù)設(shè)置中相應(yīng)的溫度,隨后將鋁合金板和預(yù)浸料交替鋪層后放置在下模具上表面,并合模使試件升溫;待試件加熱至目標(biāo)溫度時(shí),由氣壓系統(tǒng)按均勻的加壓速率向模具型腔充氣,直至預(yù)設(shè)氣壓;之后保溫保壓一段時(shí)間,以保證層板被充分脹形;接著保持氣壓和壓邊力不變,開(kāi)啟冷卻系統(tǒng),使成形后的試件冷卻固化,當(dāng)溫度降至固化點(diǎn)時(shí)卸去載荷,取出試驗(yàn)件。成形結(jié)束后,觀察評(píng)估試件的分層、破裂情況,測(cè)量壁厚分布及成形深度,并結(jié)合試驗(yàn)工藝條件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析討論。

表3 GLARE層板熱態(tài)氣壓成形實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)取值

2 結(jié)果和討論

2.1 GLARE層板熱態(tài)氣壓成形性能及表征方法

在GLARE層板熱態(tài)氣壓成形過(guò)程中,由于金屬層與纖維復(fù)合材料層力學(xué)性能的差異,易出現(xiàn)因兩者變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的層板分層失效。此外,成形溫度過(guò)高可能引起纖維復(fù)合材料層失效,進(jìn)而導(dǎo)致金屬層達(dá)到成形極限而破裂。為評(píng)估和表征層板成形性能,首先觀測(cè)成形試件是否存在分層或破裂情況,隨后分別采用測(cè)厚儀和測(cè)高儀檢測(cè)層板厚度分布和最大成形深度。由于成形過(guò)程中樹(shù)脂受熱融化流動(dòng)導(dǎo)致試件厚度分布不均勻,因此從試件中心至邊緣沿徑向分別取7個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)厚,如圖5所示,測(cè)量時(shí)取0°、90°、180°和270°四個(gè)方向?qū)?yīng)測(cè)量點(diǎn)的厚度值,并取平均值作為該點(diǎn)的厚度值。采用測(cè)高儀測(cè)量試件的最大成形深度H,即試件穹頂高度,如圖6所示?？傮w上,若所制備的GLARE層板試件表面光潔度及平整度良好,無(wú)顯著分層缺陷或破裂現(xiàn)象,各處厚度均勻性良好,即可判定為成形質(zhì)量較好的試件。

圖5 GLARE層板厚度測(cè)試位置分布

2.2 成形溫度對(duì)GLARE層板成形性能的影響

成形溫度對(duì)薄壁試件的塑性成形性能和成形質(zhì)量影響顯著。因此,首先保證其他工藝參數(shù)不變,試驗(yàn)研究熱態(tài)氣壓成形溫度變化對(duì)GLARE層板試件壁厚分布和成形質(zhì)量的影響。對(duì)比起見(jiàn),分別針對(duì)采用環(huán)氧基和PP基樹(shù)脂預(yù)浸料層的GLARE層板開(kāi)展研究。

圖7展示了表3中編號(hào)T1—T5的GLARE層板試件成形試驗(yàn)結(jié)果,該組試件采用熱固性環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料,成形氣壓5 MPa?？梢钥闯?成形溫度不超過(guò)140 ℃時(shí),試件成形質(zhì)量良好,并且可以緊貼模具;當(dāng)成形溫度達(dá)到150 ℃時(shí),外層鋁合金和纖維復(fù)材層均發(fā)生失效現(xiàn)象,且法蘭區(qū)域出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。

圖7 不同溫度下環(huán)氧基Glare層板試件成形結(jié)果

分析原因如下：環(huán)氧樹(shù)脂的融化溫度約為100 ℃,高于融化溫度時(shí),處于熔融狀態(tài)的樹(shù)脂在上下2層鋁板擠壓下自由流動(dòng),可以成形出質(zhì)量良好的試件;當(dāng)達(dá)到150 ℃(環(huán)氧樹(shù)脂熱分解溫度)時(shí),樹(shù)脂焦化引起金屬層和復(fù)合材料層界面失效,進(jìn)而導(dǎo)致GLARE層板分層,纖維斷裂以及鋁合金層破裂。

圖8是成形溫度110～140 ℃時(shí)沿中心至邊緣方向測(cè)得的試件在圖5所示樣點(diǎn)處的厚度分布情況。

圖8 不同溫度下環(huán)氧基GLARE層板試件成形厚度分布

總體上看,從樣點(diǎn)1～7,即從成形試件中心至邊緣,不同溫度下的厚度變化趨勢(shì)均是先增大后減小。其中試件中心處厚度最小,且均小于層板原厚度;最大厚度集中出現(xiàn)在樣點(diǎn)5附近,即模具圓角處,且厚度大于層板原厚度。這是由于試件中心部分首先貼模,熔融態(tài)的樹(shù)脂受上下2層鋁合金板的擠壓作用而向外部移動(dòng);同時(shí)由于壓邊圈的作用,樹(shù)脂被擠壓至模具內(nèi)側(cè),導(dǎo)致靠近壓邊圈的圓角部分預(yù)浸料層厚度增加,從而引起層板總體厚度增加。

采用熱塑性PP基預(yù)浸料的GLARE層板在不同溫度下的熱氣壓成形結(jié)果如圖9所示,對(duì)應(yīng)表3中編號(hào)T6—T10的試件。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),160 ℃時(shí)試件成形質(zhì)量較差,層板法蘭區(qū)域金屬層和纖維層出現(xiàn)嚴(yán)重分層,且內(nèi)層鋁合金層發(fā)生了破裂。分析原因是該溫度下樹(shù)脂尚未達(dá)到完全熔融狀態(tài),導(dǎo)致纖維層塑性變形能力不足,影響了內(nèi)層鋁合金的成形,進(jìn)而發(fā)生破裂;同時(shí),由于鋁合金層和纖維層未協(xié)調(diào)變形,導(dǎo)致試件發(fā)生了分層。成形溫度在170～200 ℃區(qū)間內(nèi)時(shí)試件成形質(zhì)量良好,且均能貼合模具;在200 ℃下成形時(shí)出現(xiàn)了少量煙霧,判斷為部分PP樹(shù)脂發(fā)生了熱解,故將200 ℃設(shè)定為最高成形溫度。

圖9 不同溫度下PP基Glare層板試件成形結(jié)果

測(cè)量T7—T10成形試件相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的壁厚值,其分布情況如圖10所示?？梢钥闯?4個(gè)成形溫度下試件厚度變化趨勢(shì)大致相同,均從試件中心到邊緣先增大后減小。最小厚度分別出現(xiàn)在試件中心處和最外側(cè)邊緣;其中,中心位置厚度減小是由于高溫下PP樹(shù)脂流動(dòng)性強(qiáng),在上下層鋁板擠壓下,樹(shù)脂向兩側(cè)流動(dòng)所致;最大厚度出現(xiàn)在模具圓角處,這是由于高溫下熔融態(tài)的樹(shù)脂在上下鋁層的擠壓以及壓邊圈阻隔作用下,在模具圓角處出現(xiàn)了較明顯的堆積現(xiàn)象,導(dǎo)致成形后的試件在該處的壁厚大于成形前的壁厚。

圖10 不同溫度下PP基GLARE層板試件成形厚度分布

2.3 成形壓強(qiáng)對(duì)GLARE層板成形性能的影響

基于上述成形溫度對(duì)GLARE層板熱態(tài)氣壓成形性能的影響規(guī)律研究結(jié)果,分別設(shè)定環(huán)氧基和PP基GLARE層板試件的熱氣壓成形溫度為130 ℃和170 ℃,進(jìn)而以成形時(shí)的氣體壓強(qiáng)為工藝參數(shù)變量,研究其對(duì)采用2種類型預(yù)浸料的GLARE層板熱氣壓成形性能的影響規(guī)律。其中,表3中編號(hào)P1—P4的環(huán)氧基GLARE層板試件的熱氣壓成形試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同壓強(qiáng)下環(huán)氧基Glare層板試件成形結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用的單曲率下模具最大深度為20 mm,利用測(cè)高儀分別測(cè)量不同氣壓下的試件成形深度,結(jié)果如圖12所示。當(dāng)充氣壓強(qiáng)為2～3 MPa時(shí),試件未實(shí)現(xiàn)貼模;當(dāng)壓強(qiáng)增至4 MPa時(shí),試件完全貼模,且成形質(zhì)量良好;當(dāng)壓強(qiáng)繼續(xù)升至5 MPa時(shí),試件同樣緊貼模具,且成形質(zhì)量依然良好,故無(wú)須再增大充氣壓強(qiáng)。選取4 MPa和5 MPa下的成形試件測(cè)量壁厚,結(jié)果如圖13所示。總體上,2試件的壁厚分布與不同溫度下的層板厚度變化類似,即沿著試件中心至邊緣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),且最小厚度出現(xiàn)在試件中心位置,最大厚度出現(xiàn)在模具圓角處。如所預(yù)期,充氣壓強(qiáng)為5 MPa時(shí)試件的平均厚度比4 MPa時(shí)要小,這是由于金屬層在較高的充氣壓強(qiáng)下減薄率更大,加之高氣壓會(huì)促使熔融態(tài)的樹(shù)脂向四周流動(dòng),從而導(dǎo)致試件整體平均厚度偏小。

圖12 不同壓強(qiáng)下環(huán)氧基Glare層板試件成形深度直方圖

圖13 不同壓強(qiáng)下環(huán)氧基Glare層板試件成形厚度分布

表3中編號(hào)P5—P8的PP基GLARE層板試件熱氣壓成形試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。分別測(cè)量4種壓強(qiáng)下試件的最大成形深度,結(jié)果如圖15所示。

圖14 不同壓強(qiáng)下PP基Glare層板試件成形結(jié)果

圖15 不同壓強(qiáng)下PP基Glare層板試件成形深度直方圖

當(dāng)充氣壓強(qiáng)為2 MPa時(shí),試件成形不充分,未實(shí)現(xiàn)貼模;當(dāng)充氣壓強(qiáng)為3 MPa時(shí),試件即成形完全并緊貼模具;當(dāng)壓強(qiáng)進(jìn)一步增至4、5 MPa時(shí),試件均成形良好,貼模完全。說(shuō)明對(duì)于單曲率GLARE層板熱態(tài)氣壓成形,熱塑性樹(shù)脂較熱固性樹(shù)脂在更小的氣壓下即可實(shí)現(xiàn)試件貼模,熱塑性樹(shù)脂基GLARE層板的成形能力更強(qiáng)。

取3～5 MPa下成形質(zhì)量良好的試件,測(cè)得其壁厚分布如圖16所示?？梢钥闯?3種壓強(qiáng)下試件壁厚分布規(guī)律基本一致,都是從中心到邊緣呈先增大后減小的趨勢(shì);其中3 MPa下試件中心位置處厚度最大,5 MPa下厚度最小;而在模具圓角處,成形壓強(qiáng)越大,壁厚越大;這是由于在較高的充氣壓強(qiáng)下,兩側(cè)鋁合計(jì)層的擠壓進(jìn)一步促進(jìn)樹(shù)脂流動(dòng),從而使試件中心位置厚度減小,而由于壓邊圈的擠壓作用,模具圓角處層板厚度增大。

圖16 不同壓強(qiáng)下PP基Glare層板試件成形厚度分布

3 結(jié)論

分別對(duì)熱固性、熱塑性樹(shù)脂基單曲率GLARE層板進(jìn)行了熱態(tài)氣壓成形試驗(yàn),以成形后試件的壁厚分布和最大成形深度為表征參數(shù),研究了成形溫度和成形氣壓對(duì)GLARE層板熱態(tài)氣壓成形性能的影響規(guī)律及機(jī)理,主要結(jié)論如下：

1) GLARE層板熱氣壓成形溫度區(qū)間取決于樹(shù)脂的融化溫度和熱分解溫度。成形溫度偏低時(shí),樹(shù)脂融化不完全,纖維層成形性能較差,導(dǎo)致試件發(fā)生分層失效;成形溫度過(guò)高時(shí),樹(shù)脂易發(fā)生分解失效,鋁合金層易出現(xiàn)破裂。環(huán)氧樹(shù)脂基GLARE層板熱氣壓成形溫度區(qū)間為110～140 ℃;PP樹(shù)脂基GLARE層板熱氣壓成形溫度區(qū)間為170～200 ℃。在上述溫度區(qū)間內(nèi),成形溫度越高,層板的成形質(zhì)量越好。

2) 成形溫度對(duì)2種樹(shù)脂基GLARE層板的壁厚分布影響規(guī)律基本一致,均從試件中心至邊緣先增大后減小,且最小厚度位于試件中心,最大厚度位于模具圓角區(qū)域。這是由于高溫下熔融態(tài)樹(shù)脂流動(dòng)性強(qiáng),在試件中心處受到上下鋁合金板擠壓而向外側(cè)流動(dòng),導(dǎo)致中心厚度較小;同時(shí),向外側(cè)流動(dòng)的樹(shù)脂受壓邊圈阻隔,在模具圓角對(duì)應(yīng)區(qū)域發(fā)生聚集,從而導(dǎo)致該處厚度較大。

3) 隨著成形壓強(qiáng)增大,試件成形深度增大,并逐漸貼合模具。試驗(yàn)采用的熱固性環(huán)氧樹(shù)脂GLARE層板在氣體壓強(qiáng)為4 MPa時(shí)完全貼模;熱塑性PP樹(shù)脂GLARE層板在氣體壓強(qiáng)為3 MPa時(shí)即完全貼模,說(shuō)明相較于熱固性樹(shù)脂,采用熱塑性樹(shù)脂的GLARE層板熱態(tài)氣壓成形能力更強(qiáng)。