機翼復材增強片粘接質量無損檢測研究

段涵囈，柏晶芳，彭 珂，劉曉琴

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川 成都 610000）

0 引言

航空航天結構由于在役使用造成疲勞需檢查、維修等原因，不可避免地會出現構件力學性能和熱穩定性能的下降以及結構的承載能力的降低[1，2]。因此需要對飛機結構進行補強設計。20世紀70年代初，澳大利亞航空與海運研究室（Aeronautical and Maritime Research Laboratory）首次使用復合材料補片膠接修復金屬飛機構件[3，4，5]，并獲得巨大成功。與傳統的機械螺接、鉚接修復相比，復合材料補片具有輕質高強、不對構件再破壞、不產生新的應力集中源等優點[6，7]。在金屬材料上粘貼復合材料補片[8]，能有效地解決原構件力學性能不符合要求的情況，延長了在役飛機的使用壽命[9，10]。在補強后，如何確保其粘接質量，是需要解決的問題。補強后零件結構復雜，且檢測環境限制多，檢測方法缺失。補強使用的復合材料制造過程中受工藝水平、人員技能、生產環境等因素的影響，產品質量離散性較大，可能產生內部缺陷，對產品性能等有著極大的影響，一旦有質量隱患，將危及產品安全，造成不可挽回的重大損失。無損檢測是控制復合材料制件內部質量的重要手段。目前應用于復合材料檢測的新方法中，紅外檢測及散斑檢測僅能檢測近表面缺陷。在使用機翼復材增強片粘接后，如何確保其內部粘接質量，是亟需解決的問題。但現有無損檢測技術僅單獨針對金屬、復合材料，尚未有金屬及復合材料粘接補強方面的研究。在傳統無損檢測手段中，廣泛應用于航空航天類復合材料檢測的手段主要有射線檢測及超聲檢測。射線檢測能量高，穿透力強，可有效控制金屬及復合材料內部質量，但射線檢測儀器設備要求高，并且在檢測過程中有較高的安全的防護需求，對于飛機原位檢測可執行性較差，且射線檢測對體積性缺陷敏感，僅能檢測夾雜類缺陷，無法檢測分層、脫粘類缺陷；超聲檢測亦常應用在金屬及復合材料的檢測上，且對于復合材料層壓板-層壓板間的粘接，復合材料層壓板-泡沫芯的粘接質量檢測上都有廣泛應用。針對該補強修補工藝，設計并制作了復合材料補強修補專用試塊，并使用超聲檢測的手段對試塊進行實驗，優化確定了檢測工藝參數，并建立了評判標準，可有效解決復合材料補強修補工藝內部質量無法控制的問題，具有應用現實意義。

1 機翼復材增強

所研究的飛機機翼部位金屬件附近是主要應力集中區域[11，12]，其出現裂紋的主要原因是由于金屬件應力較大，因此，有必要通過補強來彌補薄弱區域的強度損失[13，14]。

由于是在役飛機出現強度損失，需要盡可能減少對飛機原有結構的破壞和損害[15]，并且盡量使補強可在飛機原位上進行。同時，強度需達到原有要求，且后續維持時間長，再次出現強度損失可能性小。而復合材料具有強度高，耐高溫等優點，近年來在軍事裝備上的應用越來越廣泛，使用復合材料在損失原位補強，實現金屬與復合材料的粘接成為補強的有效手段。采用此方法補強后原部件強度可達到要求，大大延長了飛機壽命，并且提高了飛機安全，補強后，通過強度實驗證實金屬粘接復合材料增強片為有效的修補措施。

1.1 修補所用材料

飛機機翼部分的金屬部件出現裂紋后，采用復合材料與該金屬部位粘接的方式補強。修補過程中所使用復合材料預浸料為碳纖維材料，牌號為ZT7G/LT-03A16，膠黏劑為FM-73M，清洗劑為丙酮，硅烷偶聯劑為γ-甘油丙基三甲氧基硅烷偶聯劑（牌號KH560），硅烷偶聯劑溶液配制所需溶劑為甲醇、醋酸。

1.2 修補前準備工作

（1）拆卸左/右機翼，盡量排空機翼油箱內燃油，然后進行氮氣置換，檢測油氣濃度，然后密閉并適時監控油箱內部壓力。

（2）機翼下翼面朝上放置，在專用型架上固定好，在不損傷結構前提下去除機翼下翼面表面底漆、面漆。

（3）拆卸修補區域口蓋，對開孔位置進行封堵，并進行濕裝配，保證封堵工裝氣密性。

（4）采用氦質譜檢查口蓋及釘頭縫隙氣密性，對漏氣位置螺栓、口蓋以及前緣封嚴片等視情況拆除，重新進行濕裝配。

（5）無法進行濕裝配的漏氣位置釘縫和內/外下蒙皮對縫處采用高壓注膠槍注膠。

（6）清洗干凈去漆區域釘頭十字槽，然后注入膠，固化后，打磨平整。

1.3 表面處理

（1）在清潔度較高的環境里進行噴砂/硅烷處理過程。

（2）噴涂或刷涂硅烷溶液到準備好的清潔表面，當表面濕潤達到預定時間后，采用紅外照射燈進行干燥，干燥過程不允許直接接觸。

（3）在硅烷溶液干燥后的表面涂極薄的一層底膠，再次加熱固化，固化過程不允許直接接觸。

1.4 安裝修理

鋪疊膠膜和復合材料補片及真空袋加壓固化。修補后機翼結構如圖1所示。兩側為原金屬部分，中間部分為修補增加的復合材料增強片。該區域的粘接質量是修補工作中重點關注的部分，不僅決定了粘接工作成功與否，也關系修補后的結構是否能達到應有的強度，同時在使用周期內，需持續監控對該區域的粘接質量，以保證在役飛機的補強部分的質量。

圖1 修補示意圖

2 無損檢測實驗

超聲檢測A掃描設備便攜性高，探頭對在役飛機原位檢測的位置可適應性強，對于補強后金屬及復合材料粘接質量的有效性控制有較高的可操作性，是較為理想的無損檢測手段。超聲A掃描檢測通過測量反射波的位置與大小來判斷缺陷的位置和大小（圖2），反射波信號攜帶了材料內部質量情況的信息。但測量其絕對值非常困難，目前國際上均采用比較測量法，用試塊的人工缺陷信號比對而對真實缺陷定量、定位等。因此，對比試塊是超聲波檢測中不可或缺的物質，試塊直接影響檢測結果的準確性、可靠性。但國內對于補強后金屬及復合材料粘接的研究較少，需進一步實驗。

圖2 反射法示意圖

針對該機翼復材增強片粘接工藝，需制作復合材料修補專用試塊。但補強手段復雜，可能產生缺陷的界面很多。根據上文介紹的補強手段，結合復合材料及復合材料粘接的情況，最容易發生的缺陷為脫粘，而可能產生脫粘位置有：復合材料層間（也叫作分層），復合材料與粘接膠膜間，金屬與粘接膠膜間，兩種不同的膠膜間。每種缺陷對應的超聲波信號表現不一致。因此在制作試塊模擬實際缺陷情況時，需要綜合考慮到所有可能出現的缺陷，為實際檢測情況提供最全面的參考。

2.1 無損檢測試塊制作

根據本次補強，成都飛機工業有限責任公司制作了復合材料補強修補試塊（圖3）。

圖3 試塊實物圖

金屬基體材料為鋁板，如圖3（a），牌號為2024，厚度為2 mm。為更好模擬拼縫缺陷，使用兩塊鋁板拼接，并在拼縫下方再膠接一塊鋁板，拼縫處如圖3（b）。補強所使用復合材料預浸料牌號為ZT7G/LT-03A16，共16層，鋪疊工藝與零件補強一致，如圖3（c）。膠膜使用FM-73M。為更好的模擬在役情況，設計了與實際情況一致的螺栓。螺栓采用GJB121.1.16，十字槽用EC3448膠進行填充。試塊預置缺陷材料為聚四氟乙烯，其聲傳導特性與空氣最為近似，可最高程度還原脫粘及分層類型缺陷。尺寸大小分別為φ3mm和φ10 mm。其中1、3、5、7、9、11號缺陷為φ3mm，2、4、6、8、10、12號缺陷為φ10 mm。1、2號缺陷埋在復材的1-2層間，3、4號缺陷埋在復材的6-7層間，5、6號缺陷埋在復材的11-12層間，7、8號缺陷埋在FM-73M膠與EC3448膠間，9、10號缺陷埋在復材蒙皮與膠膜間，11、12號缺陷埋在膠膜與金屬鋁板間。

其分布情況如圖4所示。

2.2 超聲檢測結果

試塊制作完成后，使用成都飛機工業有限責任公司MASTERSCAN380超聲A掃描系統進行實驗，探頭參數為5 MHz，耦合劑為水或醫用耦合凝膠。

圖4 試塊設計圖

從檢測結果可以看出，在試塊完好處，一、二、三次底波均清晰可見，說明試塊制作較好，內部無缺陷，如圖5（a）所示。而移動探頭之缺陷處，出現明顯分層信號，底波消失，并出現缺陷波信號，如圖5（b）所示。繼續檢測預埋所有缺陷，超聲檢測可有效檢測出試塊上所有人工缺陷，位置信息正確，缺陷尺寸與實際預埋尺寸的誤差小于10%，符合用于飛機內部質量監控試塊的標準，各類型缺陷檢測如圖6所示。

圖5 試塊超聲A掃描結果

圖6 各類缺陷超聲A掃描結果

2.3 實際檢測效果

將該試塊應用到實際生產中，可控制復材增強片粘接工藝實施內部質量。補強后機翼要求不允許有超過最大缺陷尺寸為26 mm的缺陷，并且在飛機飛行過程中，定時持續地檢測該區域是否新出現分層和脫粘或分層和脫粘缺陷有擴展。

在實際的飛機在役檢測過程中，對強度降低的飛機進行補強，隨后采用使用超聲A掃描的方法檢測補強區域，監測內部質量。圖7中，白色粉筆圈出區域為在實際檢測過程中，機翼上出現分層信號的區域，根據與試塊的對比，可以得出缺陷的大小及產生缺陷的深度信息。為驗證試塊效果，切開實際工件后測量實際缺陷尺寸及深度信息，其尺寸及深度信息與測量尺寸誤差在10%以內，見表1。該試塊可以復現實際機翼復材增強片粘接情況。

表1 缺陷實測尺寸與理論值對比

超聲波檢測的試塊有效性決定了檢測結果的準確性，通過比對超聲檢測試塊可判斷零件內部質量，如圖7所示，可檢測出補強后零件出現分層結果的區域，最終可達到控制工藝實施后的內部質量，持續監測飛行過程中的質量變化趨勢，并指導補強工藝的參數優化。

圖7 使用試塊實際檢測零件有問題區域

3 結語

在金屬材料上粘接復合材料補片，能有效地解決原構件力學性能不符合要求的情況，延長了在役飛機的使用壽命。但在使用機翼復材增強片粘接后，如何確保其粘接質量并在后續飛行過程中持續監控，是必須解決的問題。本研究針對該機翼復材增強片粘接工藝，預估實際過程中可能產生的缺陷類型及位置，制作了機翼復材增強粘接質量控制專用試塊，并使用超聲檢測的手段對試塊進行實驗，利用該試塊使用超聲檢測技術可準確的發現內部缺陷的位置及大小信息（與實際比較誤差在10%以內），給補強過程中每一次實驗的參數提供更準確的指導，使復材增強片粘接工藝技術逐漸成熟，并能更好的應用于飛機修補中。同時彌補了復材增強片粘接修補工藝的內部質量監測的空白，解決了復材增強片粘接工藝內部質量無法控制的問題，并在后續飛行過程中持續提供可靠的檢測數據，對于延長飛機壽命，保證飛行安全具有應用現實意義。