復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，應(yīng)用范圍已由簡單零部件擴大至主承力結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)中有著諸多優(yōu)勢，如可設(shè)計性好、比強度/比模量高、耐腐蝕、疲勞性能好等，但也存在材料各向異性及材料分散性大的特點。這些特點導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在服役過程中不可避免會產(chǎn)生分層、脫黏、裂紋、燒蝕等損傷，因此復(fù)合材料的修理問題在行業(yè)內(nèi)的重要性日益顯現(xiàn)。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理方法以及修理后強度性能的恢復(fù)，是飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)。同時修理后的結(jié)構(gòu)可能存在原始缺陷，在服役過程中可能再次出現(xiàn)損傷，此類缺陷或損傷的檢測，也是同時衍生出來而亟待解決的問題。
中國飛機強度研究所強度與結(jié)構(gòu)完整性全國重點實驗室的科研人員以挖補修理后的層壓板結(jié)構(gòu)為例，對其可能產(chǎn)生的缺陷類型進(jìn)行歸納，對各種類型缺陷的超聲特征信號進(jìn)行分析總結(jié)，將超聲特征信號和修理工藝特點互相比對驗證，為此類結(jié)構(gòu)缺陷超聲檢測完整判據(jù)的建立提供數(shù)據(jù)積累。
1、復(fù)合材料的修理工藝
復(fù)合材料常用的修理方法有填充與灌注修理、機械連接修理、膠接修理、樹脂注射修理等，此外還有外場快速修理方法，如微波修復(fù)、電子束固化修理、光固化修理、激光自動化修理等。其中膠接修理方法相對穩(wěn)定可靠，尤其是膠接挖補修理方法，對受沖擊損傷的復(fù)合材料層壓板來說，是一種非常有效的修理方法。
挖補修理適用于修理面積較大、較嚴(yán)重的損傷，這種方法一般采用預(yù)浸料作為修理材料，因此對于修理曲率較大或有氣動外形要求的表面具有一定的優(yōu)越性。同時，挖補修理可以最低程度地增加質(zhì)量，最大限度地恢復(fù)結(jié)構(gòu)強度。
挖補修理前，先通過無損檢測手段，確定損傷的面積和深度分布范圍，將損傷區(qū)完全挖除，留下一個具有錐度的孔，然后對層壓板進(jìn)行干燥處理，再將修補材料通過膠接固化的方法填補至原結(jié)構(gòu)處，挖補修理的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
圖1 挖補修理的結(jié)構(gòu)示意
膠接固化的溫度和壓力是修理過程中的關(guān)鍵參數(shù)，會直接影響膠接質(zhì)量。溫度盡可能均勻，以保證固化均勻，同時要防止溫度過熱導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)出現(xiàn)性能和結(jié)構(gòu)的改變。固化壓力也需要精確控制，以保證膠層厚度均勻、充分浸潤、最小化膠層氣孔。
2、層壓板修理后缺陷特征及檢測信號分析
層壓板結(jié)構(gòu)在制造過程中，受制造工藝的影響，可能會產(chǎn)生空隙、分層等缺陷；在裝配過程中，受外載作用，可能會產(chǎn)生分層、表面劃傷、鉆錯孔、孔邊損傷等；在服役過程中還可能產(chǎn)生沖擊損傷、累積損傷、戰(zhàn)傷、燒蝕等。無論哪種缺陷或損傷，都可能導(dǎo)致飛機的承力結(jié)構(gòu)受損，表面氣動性能下降，進(jìn)而影響使用壽命。
當(dāng)確定了損傷或缺陷在修理容限之內(nèi)后，就可以對損傷進(jìn)行修理。某修理后的層壓板結(jié)構(gòu)如圖2所示，層壓板結(jié)構(gòu)修理后的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，其中心深灰色區(qū)域A區(qū)為修補部位中心的等高區(qū)，淺灰色區(qū)域B區(qū)為修理中的斜坡區(qū)，最外圍的白色區(qū)域C區(qū)為修補區(qū)表層纖維布覆蓋的區(qū)域。
圖2 修理后的層壓板結(jié)構(gòu)
圖3 層壓板修補后結(jié)構(gòu)示意
修理過程中產(chǎn)生的缺陷可能分布在不同的區(qū)域，按照分布位置，可分為以下3種：修補材料內(nèi)部缺陷、膠膜缺陷、原結(jié)構(gòu)缺陷。
修補材料內(nèi)部缺陷比如修補材料內(nèi)部的夾雜、氣孔、分層等，可能產(chǎn)生于預(yù)浸料的鋪放過程中，也可能產(chǎn)生于修理后期的固化過程中；膠膜缺陷是修理結(jié)構(gòu)中最常見的缺陷，主要指固化過程中局部受熱不均導(dǎo)致的膠膜空隙或局部膠膜流失；原結(jié)構(gòu)缺陷主要是修補前挖除缺陷或損傷不夠徹底造成的，固化過程中溫度過高也可能導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)內(nèi)部改變。
對于這些修理工藝及過程控制差異而引起的初始修理缺陷，采用接觸式脈沖反射法對其進(jìn)行超聲C掃描檢測，結(jié)果表明超聲檢測對此類結(jié)構(gòu)信號響應(yīng)明顯。通過篩選檢測信號中的異常信號，結(jié)合異常信號產(chǎn)生的位置及具體修理工藝，可以對缺陷類型進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。
修補后的結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)厚度略有變化，但超聲檢測時最明顯的差異是，修補后結(jié)構(gòu)的超聲檢測信號會在修補界面出現(xiàn)明顯的界面波，如圖4所示。界面波高度跟工藝過程控制有關(guān)，一般來說，同一件修理后的結(jié)構(gòu)件，界面波高度相對穩(wěn)定，略低于或略高于底面回波都屬于正?，F(xiàn)象。
圖4 原結(jié)構(gòu)與修補后結(jié)構(gòu)的超聲檢測信號
在對檢測區(qū)域的超聲信號進(jìn)行C掃描成像時，界面閘門框取表面波，記錄表面回波的位置；成像閘門框取整個結(jié)構(gòu)厚度范圍內(nèi)的回波，記錄底面回波、修理界面回波以及可能出現(xiàn)的缺陷回波的位置。在對缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定量時，閘門高度按6 dB法置于底面回波1/2高度處（根據(jù)底面回波實時高度進(jìn)行調(diào)整），閘門成像邏輯為取越過閘門的最高回波，采用距離成像模式。
修補材料內(nèi)部缺陷
在修補材料即預(yù)浸料的鋪放過程中可能落入夾雜物，在修理工藝后期的加熱加壓過程中也可能造成揮發(fā)性氣體被捕捉進(jìn)而在修補材料內(nèi)部產(chǎn)生夾雜、氣孔、分層、孔隙等缺陷。
修補材料內(nèi)部的氣孔或夾雜物的超聲特征信號如圖5所示，可以看到在結(jié)構(gòu)表面回波與膠膜界面回波之間出現(xiàn)了一個缺陷回波，缺陷尺寸的數(shù)量級并沒有造成后面結(jié)構(gòu)回波的明顯衰減，且埋深固定，判斷其可能為氣孔或夾雜物，如果缺陷尺寸足夠大造成底面回波的明顯衰減或消失，則其可能為分層缺陷。
圖5 修補材料內(nèi)部氣孔或夾雜物超聲特征信號
對于小的氣孔或夾雜物，距離成像的超聲C掃描結(jié)果上并沒有明顯顯示，如圖6所示。
圖6 含小尺寸氣孔、夾雜物的修理結(jié)構(gòu)超聲C掃描結(jié)果
修補中心等高區(qū)脫黏
修理過程中，黏接界面的膠膜在高溫下流動不均勻，容易造成局部樹脂缺失，此時在黏接界面形成空腔，產(chǎn)生脫黏缺陷。以修補中心等高區(qū)為例，當(dāng)超聲波遇到膠膜均勻分布區(qū)，由于修補膠膜和原結(jié)構(gòu)樹脂的聲阻抗差異，一部分聲波沿修補黏接界面繼續(xù)往下傳播，一部分被反射；當(dāng)超聲波遇到黏接界面空腔區(qū)，由于修補材料聲阻抗與空氣聲阻抗存在巨大差異，聲波幾乎完全被反射，如圖7所示。
圖7 修補中心等高區(qū)超聲檢測特征信號
修補黏接完好區(qū)超聲C掃描圖像如圖8所示，中心等高區(qū)完全脫黏和局部脫黏的超聲C掃描圖像如圖9和圖10所示。
圖8 修補界面黏接完好區(qū)超聲C掃描圖像
圖9 修補中心等高區(qū)完全脫黏超聲C掃描圖像
圖10 修補中心等高區(qū)局部脫黏超聲C掃描圖像
修補斜坡區(qū)脫黏
斜坡區(qū)的脫黏缺陷產(chǎn)生原理與等高區(qū)的相同，都是膠膜熔化后流動不均勻?qū)е?，但斜坡區(qū)的超聲特征信號和等高區(qū)的信號有差異。修理后斜坡區(qū)的黏接界面呈階梯斜坡狀，因此超聲檢測時界面回波的位置也會隨黏接界面的深度值而變化，斜坡區(qū)黏接良好位置不同深度處的超聲回波信號如圖11所示，相比于等高區(qū)，界面回波位置有了變化。
圖11 斜坡區(qū)黏接良好位置不同深度處的超聲回波信號
斜坡區(qū)脫黏缺陷的超聲回波信號如圖12所示，缺陷信號表現(xiàn)為界面回波波幅升高，底面回波消失。斜坡區(qū)脫黏的C掃描圖像如圖13所示。
圖12 斜坡區(qū)不同深度處黏接界面脫黏超聲回波信號
圖13 修補結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的缺陷C掃描圖像
修補區(qū)外表面纖維布脫黏
修補后結(jié)構(gòu)的上表面通常會覆蓋一層纖維布，以盡可能保持修補后結(jié)構(gòu)表面平整光滑。修補工藝控制不當(dāng)或操作失誤會造成表層纖維布脫黏，表層纖維布脫黏的超聲檢測特征信號如圖14所示，由于覆蓋的纖維布很薄，因此脫黏缺陷信號和檢測面聲波信號貼合在一起，結(jié)構(gòu)底面回波消失。圖13中可以看到表層纖維布脫黏的超聲C掃描圖像顯示。
圖14 表層纖維布脫黏的超聲檢測特征信號
膠接面黏接不良
除了脫黏缺陷，修理結(jié)構(gòu)常會遇到黏接面黏接不良的缺陷。和脫黏缺陷相比，黏接不良區(qū)域的超聲信號會呈現(xiàn)出大面積的底面回波較低但沒有完全消失，界面回波明顯升高的現(xiàn)象，如圖15所示。此時修補界面黏接質(zhì)量處于中間態(tài)，無法對其準(zhǔn)確定性。此類缺陷對結(jié)構(gòu)強度的影響，需要通過強度試驗進(jìn)行驗證。
圖15 修補結(jié)構(gòu)黏接不良區(qū)域超聲檢測回波信號
3、結(jié)束語
挖補修理目前作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)最常用的修理方法，工藝日漸成熟，修理后結(jié)構(gòu)的透聲性越來越好，超聲檢測信號和相應(yīng)區(qū)域的修補結(jié)構(gòu)特征對應(yīng)明確。因此，對復(fù)合材料修理區(qū)全結(jié)構(gòu)的缺陷信號進(jìn)行分析，為修理結(jié)構(gòu)損傷建立可靠的判據(jù)具有重要意義。
作者：曲亞林，寧寧，焦婷，王丹
工作單位：中國飛機強度研究所 強度與結(jié)構(gòu)完整性全國重點實驗室
第一作者簡介：曲亞林，工程師，主要從事飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)方法研究工作。
來源：《無損檢測》2024年3期
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