飛機(jī)復(fù)合材料損傷檢查及維修技術(shù)研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.043

摘" 要：隨著現(xiàn)代航空業(yè)的迅猛發(fā)展，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的占比愈來(lái)愈大。該文概述飛機(jī)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用、缺陷及損傷種類(lèi)、檢測(cè)方法、修理容限和維修技術(shù)等內(nèi)容，重點(diǎn)介紹復(fù)合材料的機(jī)械連接修理技術(shù)實(shí)踐過(guò)程。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；損傷檢查；修理容限；維修技術(shù)；機(jī)械連接

中圖分類(lèi)號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）32-0173-04

Abstract： With the rapid development of modern aviation industry， the proportion of composite materials in aircraft structures is increasing. This paperprovides an overview of the main content of aircraft composite material mechanical connection repair technology， including the application of composite materials in aircraft structures， types of defects and damages， detection methods， repair tolerance， maintenance technology， etc.， with a focus on the mechanical connection repair technology and practical process of composite materials.

Keywords： aircraft composite structure; damage inspection; repair tolerance; maintenance techniques; mechanical connection

復(fù)合材料一般是由基體和增強(qiáng)纖維過(guò)復(fù)合工藝組合構(gòu)成的一種新型材料。先進(jìn)復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)、成型工藝性好和成本低等特點(diǎn)，是理想的航空結(jié)構(gòu)材料?，F(xiàn)代大型民航飛機(jī)復(fù)合材料用量均已達(dá)到全機(jī)重量的一半以上。本文通過(guò)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的損傷檢查和維修實(shí)踐，旨在探索飛機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料的維修技術(shù)，為保證航空安全和降低航空運(yùn)營(yíng)成本提供幫助。

1" 復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用

先進(jìn)復(fù)合材料正在逐步成為現(xiàn)代飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料。如B787飛機(jī)和A350飛機(jī)復(fù)合材料用量均已達(dá)到全機(jī)重量的一半以上；而且A350飛機(jī)已將復(fù)合材料用于承力等關(guān)鍵部件。

碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度高，使用碳纖維復(fù)合材料可以減輕飛機(jī)的重量，可以大大提高燃油效率；碳纖維復(fù)合材料性有助于減少飛機(jī)零件數(shù)量，從而提升飛機(jī)的可靠性。

自從20世紀(jì)70年代美國(guó)首先在飛機(jī)水平尾翼上采用復(fù)合材料后，復(fù)合材料不僅用于垂直安定面、水平安定面及前機(jī)身等飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，而且還應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身等承力及關(guān)鍵部件。飛機(jī)復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維也由玻璃纖維發(fā)展到凱夫拉纖維、硼纖維、碳纖維，其中碳纖維因其具有產(chǎn)量高、性能好、纖維類(lèi)型規(guī)格多和成本低經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn)應(yīng)用最為廣泛。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在飛機(jī)中的應(yīng)用主要分為次要結(jié)構(gòu)、主要結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)3類(lèi)。其中次要結(jié)構(gòu)是指不參與主要承力或者傳力的部件，但如果損傷會(huì)明顯降低氣動(dòng)性能，如裝飾板、整流罩、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙等。主要結(jié)構(gòu)是指不參與主要承力或者傳力的飛行控制面，但如果破損則會(huì)影響飛行操縱。如襟翼、擾流板、升降舵和方向舵等。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是指承受和傳遞飛行載荷、地面載荷、增壓載荷的飛機(jī)零部件，如機(jī)身機(jī)翼的蒙皮、隔框、前后梁和桁條等。

2" 復(fù)合材料的缺陷及損傷

復(fù)合材料常見(jiàn)的缺陷有脫膠、夾雜、鋪層順序錯(cuò)誤、鋪層角度和厚度超差等，缺陷常常產(chǎn)生于復(fù)合材料的制造過(guò)程中。只有脫膠、夾雜等缺陷才可以進(jìn)行修理。與金屬材料一樣，飛機(jī)復(fù)合材料常見(jiàn)的損傷有表面劃傷、孔邊分層（起絨）、雷擊損傷等，損傷主要產(chǎn)生于零件的生產(chǎn)和使用過(guò)程中。另外，復(fù)合材料還有分層（脫膠）、樹(shù)脂瑕疵和蜂窩積水3種特有的損傷，這3種損傷最終都會(huì)導(dǎo)致分層，分層在剪應(yīng)力和壓應(yīng)力作用下，就會(huì)導(dǎo)致載荷傳遞錯(cuò)誤，引起結(jié)構(gòu)破壞。一般來(lái)講，損傷可以被修理，但缺陷不能。

3" 復(fù)合材料的損傷檢查

復(fù)合材料損傷的常見(jiàn)檢查方式有感官檢查和儀器儀表檢測(cè)兩大類(lèi)型。

3.1" 感官檢測(cè)

感官檢測(cè)是利用人的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)器官判別復(fù)合材料的損傷情況，感官檢查對(duì)人的經(jīng)驗(yàn)和水平依賴(lài)度較大。感官檢查主要包括目視檢測(cè)和敲擊檢測(cè)2種方式。

目視檢測(cè)主要依賴(lài)人的眼睛觀察復(fù)合材料內(nèi)外表面，以確定是否有變形、變色、裂紋及緊固件松動(dòng)等情況，絕大多數(shù)情況下還需借助放大鏡和工業(yè)內(nèi)窺鏡等儀器。

敲擊檢測(cè)主要是利用工具敲擊工件表面，通過(guò)辨別回聲的變化來(lái)確定損傷出現(xiàn)的位置及大小。敲擊檢測(cè)有人工手動(dòng)敲擊檢測(cè)和設(shè)備自動(dòng)敲擊檢測(cè)。人工手動(dòng)敲擊就是借助敲擊棒、硬幣或者敲擊錘等對(duì)工件進(jìn)行敲擊，人工手動(dòng)敲擊的幅度、路線形狀、頻率完全由人掌握，操作人根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和水平判定工件損傷的位置、范圍和損傷程度；設(shè)備自動(dòng)敲擊是利用專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)敲擊并采集回聲來(lái)判定損傷情況。常見(jiàn)的專(zhuān)用工具有WP-632電子敲擊檢測(cè)儀和Airbus公司推薦的PN98A57103013自動(dòng)敲擊檢測(cè)工具。

敲擊檢測(cè)有一定的應(yīng)用條件：工件尺寸等于和大于25 mm的夾層結(jié)構(gòu)；纖維層層數(shù)要求不多于3層的纖維蒙皮結(jié)構(gòu)。另外，敲擊檢測(cè)要求相鄰敲擊點(diǎn)間隔不超過(guò)10 mm，并且按照如圖1所示的路線進(jìn)行，其中，修理前檢測(cè)采用矩形路線，修理后檢測(cè)采用環(huán)形路線。

3.2" 儀器儀表檢測(cè)

儀器儀表檢測(cè)主要包括超聲波檢測(cè)、X射線檢測(cè)、紅外熱成像檢測(cè)等。

超聲波檢測(cè)法最為常用的是脈沖超聲波檢測(cè)。脈沖超聲波是利用探頭發(fā)射和接收反射回來(lái)的脈沖信號(hào)，根據(jù)反射信號(hào)及其到達(dá)探頭的時(shí)間判斷工件內(nèi)部是否有缺陷及缺陷的相對(duì)位置。

X射線檢測(cè)是利用射線穿過(guò)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中積水區(qū)域時(shí)感光量不同引起的照片顏色深淺不同，來(lái)判定損傷的位置和大小。目前，X射線檢查主要用于檢查波音757擾流板積水。X射線對(duì)人體有害，檢查時(shí)必須按照規(guī)定做好防護(hù)。

紅外熱成像檢測(cè)是根據(jù)復(fù)合材料各部分發(fā)射的紅外線在紅外相機(jī)上顯示的亮度的不同信息，來(lái)確定損傷的部位和大小。在相同的外界條件下水升溫（降溫）最慢，因此，假若復(fù)合材料夾層若有積水，則該區(qū)域紅外相機(jī)上的亮度暗淡。例如，某架波音飛機(jī)氣象雷達(dá)顯示異常，飛機(jī)降落后立即進(jìn)行紅外照相檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是由雷達(dá)罩積水造成。

4" 復(fù)合材料修理技術(shù)

4.1" 修理容限與修理范圍的確定

修理容限是評(píng)估復(fù)合材料中缺陷和損傷是否具有修理的必要，是否能夠修理的2個(gè)界限。修理容限示意如圖2所示。

由圖2可知，損傷位于“修理范圍”左邊區(qū)域，因其損傷小而沒(méi)有必要修理，如飛機(jī)規(guī)定“分層面積小于圓面積，表面壓痕小于0.4 mm”時(shí)不必修理；損傷位于“修理范圍”右邊的區(qū)域，因其損傷較為嚴(yán)重，通過(guò)修理無(wú)法恢復(fù)結(jié)構(gòu)的功能或者是由于修理費(fèi)用太高，不如更換零件更加經(jīng)濟(jì)。

4.2" 修理方法

4.2.1" 機(jī)械連接修理

機(jī)械連接修理是用補(bǔ)片（復(fù)合材料層壓板或金屬板料）覆蓋住復(fù)合材料零件損傷或缺陷區(qū)，補(bǔ)片與母材大多采用拆卸或不可拆卸連接，如圖3所示。

機(jī)械連接修理適用于外場(chǎng)修理，所需工具簡(jiǎn)單，開(kāi)敞性好，工藝性好。缺點(diǎn)是需要在母體結(jié)構(gòu)鉆孔用于連接，相當(dāng)于引入了新的損傷；無(wú)法修理復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)；由于采用了補(bǔ)片，可能影響氣動(dòng)外形和增加飛機(jī)重量。

4.2.2" 膠接修理

膠接修理有貼補(bǔ)法（圖4）、挖補(bǔ)法（圖5）、注射法（圖6）。貼補(bǔ)法是在損傷或缺陷區(qū)表面用膠黏劑貼上一層復(fù)合材料補(bǔ)片以達(dá)到加強(qiáng)作用。挖補(bǔ)法是通過(guò)挖掉損傷區(qū)域的材料，然后利用新的增強(qiáng)纖維、膠黏劑對(duì)挖補(bǔ)區(qū)域進(jìn)行鋪貼和固化。注射法是注射工具將樹(shù)脂注射到零件脫黏和分層部位的修理方法。

5" 復(fù)合材料機(jī)械連接修理實(shí)踐

5.1" 復(fù)合材料加工方法及其難點(diǎn)

復(fù)合材料的切削過(guò)程是通過(guò)“折斷”去除多余的復(fù)合材料，在加工過(guò)程中常常切斷環(huán)氧樹(shù)脂和纖維材料。要針對(duì)每一種新的復(fù)合材料的特性研究其新的加工工藝。

碳纖維復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維硬度大，脆性強(qiáng)抗，鉆孔過(guò)程中的鉆頭磨損很快；導(dǎo)熱能力差（導(dǎo)熱系數(shù)僅為奧氏體不銹鋼的1/5～1/10），鉆孔時(shí)容易產(chǎn)生材料燒蝕；復(fù)合材料大多采用纖維鋪貼成型，層間強(qiáng)度低，切割和制孔時(shí)容易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，鉆孔處的應(yīng)力集中較大，極易引起撕裂、毛邊等缺陷，倒角處理要求較高，倒角半徑不小于20 mm；鉆孔時(shí)產(chǎn)生的粉塵對(duì)人體有傷害，同時(shí)，碳纖維粉塵的導(dǎo)電性容易進(jìn)入電器設(shè)備內(nèi)部使其損壞。

凱夫拉增強(qiáng)纖維復(fù)合材料除了存在層間強(qiáng)度低、易分層的特點(diǎn)外，還具有纖維韌性和抗拉強(qiáng)度高、纖維與基體的黏接強(qiáng)度遠(yuǎn)低于纖維的抗拉伸強(qiáng)度等特點(diǎn)。除了切割制孔容易產(chǎn)生分層外，還極易產(chǎn)生抽絲、拉毛、出入口材料隆起、孔表面粗糙和尺寸收縮等加工缺陷，影響材料的連接強(qiáng)度。凱夫拉纖維復(fù)合材料切割、制孔極易出現(xiàn)黏刀（鉆）等現(xiàn)象。

因此，復(fù)合材料機(jī)械連接修理的重點(diǎn)和難點(diǎn)就是要針對(duì)每一種材料重新評(píng)估加工方法、刀具、工裝，并通過(guò)經(jīng)濟(jì)核算找出最有利的工藝方案。

復(fù)合材料的機(jī)械加工主要是制孔和切割。常用的制孔方法有鉆孔、沖孔和振動(dòng)沖孔。切割方法有金鋼砂輪切割、高壓水切割。

5.2" 制孔

5.2.1" 鉆孔

復(fù)合材料鉆孔時(shí)，在孔出入口處材料可能裂開(kāi)、甚至裂成幾層（分層），起絨，影響表面質(zhì)量，要達(dá)到合格的表面粗糙度，既要求操作人員有穩(wěn)定過(guò)硬的技術(shù)能力，又要求有較高的風(fēng)鉆轉(zhuǎn)速。另外，鉆孔的工藝性差，刀具磨損快，對(duì)刀具的硬度和抗彎強(qiáng)度要求高，且碳粉塵極易使電器設(shè)備短路。鉆孔的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，宜用于不開(kāi)敞地方。

加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，風(fēng)鉆轉(zhuǎn)速要求控制在：進(jìn)給速度為900～2 700 r/min，不能過(guò)大，也不能過(guò)小。過(guò)大則會(huì)引起分層、起絨，過(guò)小則易使材料燒焦。刀具的材料一般選用鎢-鈷類(lèi)硬質(zhì)合金。鉆制孔徑10 mm以上的孔時(shí)，要求使用鋼基電鍍金剛石鉆頭。針對(duì)材料燒傷問(wèn)題，在控制合理的進(jìn)給速度的同時(shí)，可以采用專(zhuān)用直刃鉆鉸復(fù)合鉆，鉆孔過(guò)程加入冷卻液等辦法解決。粉塵問(wèn)題可以使用帶有吸塵功能的鉆孔工具，將鉆孔所產(chǎn)生的粉塵吸入到吸塵器中。解決分層問(wèn)題主要還是控制進(jìn)給速度和采用高速鉆的方法。碳纖維復(fù)合材料加工中最常見(jiàn)的故障是撕裂和毛邊缺陷，其原因是鉆刃鋒利度不夠，增強(qiáng)碳纖維沒(méi)有被完全切斷造成的。因此解決此類(lèi)缺陷的有效辦法就是采用氣相沉積金剛石鍍膜（CVD）或聚晶金剛石鍍膜（PCD）硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行鉆削加工。另外手工鉆孔時(shí)提高孔質(zhì)量的方法還有采用分步鉆孔的工藝方法、使用垂直器或鉆模板及選擇正確的鉆孔方向等。

與碳纖維復(fù)合材料一樣，凱夫拉增強(qiáng)纖維復(fù)合材料除了具有各向異性，纖維拉伸強(qiáng)度高、韌性大、層間剪切強(qiáng)度低等性能特點(diǎn)外，還具有增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)差距很大等特點(diǎn)。因此，鉆孔時(shí)易于使鉆削范圍內(nèi)的纖維與基體界面產(chǎn)生熱應(yīng)力，使基體材料（樹(shù)脂）熔化粘在鉆頭切削刃上，導(dǎo)致鉆孔排屑困難。因此，凱夫拉增強(qiáng)纖維復(fù)合材料鉆孔常采用專(zhuān)用鉆孔夾具進(jìn)行。圖7所示的凱夫拉增強(qiáng)纖維復(fù)合材料鉆孔夾具通過(guò)給材料鉆削區(qū)及周?chē)┘右欢ǖ念A(yù)壓力，提高其剛度，改善其切削加工性的手段，從而保證孔的加工質(zhì)量。

凱夫拉增強(qiáng)纖維復(fù)合材料鉆孔要求控制鉆削速度和進(jìn)給量2個(gè)參數(shù)。鉆削速度高雖然對(duì)防止抽絲拉毛有利，但對(duì)鉆頭的使用壽命不利。另外，鉆削速度高會(huì)導(dǎo)致鉆頭附近溫度過(guò)高，造成基體（樹(shù)脂）熔化而粘在刀刃上使切削變得困難。與碳纖維復(fù)合材料一樣，凱夫拉增強(qiáng)纖維復(fù)合材料也要求較小的進(jìn)給量參數(shù)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)孔徑在10 mm范圍內(nèi)，鉆削速度為30～45 r/min，進(jìn)給量為0.02～0.05 mm/r，鉆孔質(zhì)量較好。凱夫拉增強(qiáng)纖維復(fù)合材料鉆孔的冷卻主要有壓縮空氣、水、液態(tài)氮3種。水冷卻是優(yōu)先采用的方式，壓縮空氣會(huì)將鉆削粉塵吹起，污染空氣，對(duì)人體也有害，建議不采用。液態(tài)氮冷卻可得到較好的加工效果，但成本較高。

5.2.2" 振動(dòng)沖孔

采用振動(dòng)沖孔的方法能夠加工出鏡面一樣的光澤表面，并有極好的線性截面。沖制孔的尺寸精度高。沖制一個(gè)孔的循環(huán)時(shí)間在0.4～0.8 s之間，因此振動(dòng)沖孔可用來(lái)代替現(xiàn)行的鉆孔和切割制孔，并可以延伸到振動(dòng)剪切上。但是振動(dòng)沖孔要求設(shè)備多及復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)開(kāi)敞性好，因此加工成本高。

5.2.3" 沖孔

沖孔與振動(dòng)沖孔有著基本相似的原理，只是切割纖維時(shí)，沖切孔上覆蓋著伸向沖切方向的拉出纖維，使得沖孔質(zhì)量差，內(nèi)部缺陷多，質(zhì)量不易保證。但是沖孔的設(shè)備和成本都較之振動(dòng)沖孔要求低。

5.2.4" 切割

切割復(fù)合材料常用的方法是金鋼砂輪切割和高壓水切割。

1）金鋼砂輪切割方法仍存在著表面質(zhì)量差的缺點(diǎn)。另外，斷面要求打磨光滑，用醋酸乙脂清洗揩擦干凈，并用環(huán)氧膠封口。此方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要特殊設(shè)備，成本低，操作簡(jiǎn)單。

2）高壓水射流切割。高壓水射流切割是一種新型的加工手段，通過(guò)多年的發(fā)展和推廣，已廣泛應(yīng)用于切割、采礦等方面。該方法主要以高壓水進(jìn)行切割，具有其他加工方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)工件無(wú)熱影響，工件不變形，切口處材料不會(huì)發(fā)生變化，切割能力強(qiáng)。從切割原理來(lái)說(shuō)屬點(diǎn)切割，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控。其不足之處就是設(shè)備昂貴，成本高。

6" 結(jié)束語(yǔ)

選擇正確的刀具、槽型、材質(zhì)和切削參數(shù)等是復(fù)合材料加工取得成功的關(guān)鍵所在。隨著復(fù)合材料的抗沖擊性和抗熱性等性能的不斷提升，高性能的復(fù)合材料切削刀具及其加工方法也會(huì)快速發(fā)展，飛機(jī)復(fù)合材料修理技術(shù)將會(huì)迎來(lái)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梁鳳飛，金迪，何勇.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理研究[J].中國(guó)膠粘劑，2019，28（5）：57-60.

[2] 彭名鵬.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢查[J].航空維修與工程，2013（1）：45-47.

[3] 吳曉春.復(fù)合材料在民用航空飛機(jī)上的應(yīng)用[J].科技資訊，2014（17）：89-91.

作者簡(jiǎn)介：白明玉（1993-），男，助理工程師。研究方向?yàn)轱w機(jī)維修工程研究與實(shí)踐。