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技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期飞机复合材料损伤检查及维修技术研究白明玉（东方航空技术有限公司西北分公司，西安 710000）复合材料一般是由基体和增强纤维过复合工艺组合构成的一种新型材料。先进复合材料具有质轻、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料。现代大型民航飞机复合材料用量均已达到全机重量的一半以上。本文通过对飞机结构复合材料的损伤检查和维修实践，旨在探索飞机先进复合材料的维修技术，为保证航空安全和降低航空运营成本提供帮助。1复合材料在飞机上的应用先进复合材料正在逐步成为现代飞机的主要结构材料。如 B787 飞机和 A350 飞机复合材料用量均已达到全机重量的一半以上；而且 A350 飞机已将复合材料用于承力等关键部件。碳纤维复合材料的比强度高，使用碳纤维复合材料可以减轻飞机的重量，可以大大提高燃油效率；碳纤维复合材料性有助于减少飞机零件数量，从而提升飞机的可靠性。自从 20 世纪 70 年代美国首先在飞机水平尾翼上采用复合材料后，复合材料不仅用于垂直安定面、水平安定面及前机身等飞机结构件，而且还应用于飞机机翼、机身等承力及关键部件。飞机复合材料的增强纤维也由玻璃纤维发展到凯夫拉纤维、硼纤维、碳纤维，其中碳纤维因其具有产量高、性能好、纤维类型规格多和成本低经济实惠等特点应用最为广泛。复合材料结构在飞机中的应用主要分为次要结构、主要结构、关键结构 3 类。其中次要结构是指不参与主要承力或者传力的部件，但如果损伤会明显降低气动性能，如装饰板、整流罩、发动机短舱等。主要结构是指不参与主要承力或者传力的飞行控制面，但如果破损则会影响飞行操纵。如襟翼、扰流板、升降舵和方向舵等。关键结构是指承受和传递飞行载荷、地面载荷、增压载荷的飞机零部件，如机身机翼的蒙皮、隔框、前后梁和桁条等。2复合材料的缺陷及损伤复合材料常见的缺陷有脱胶、夹杂、铺层顺序错误、铺层角度和厚度超差等，缺陷常常产生于复合材料的制造过程中。只有脱胶、夹杂等缺陷才可以进行修理。与金属材料一样，飞机复合材料常见的损伤有表面作者简介：白明玉（1993-），男，助理工程师。研究方向为飞机维修工程研究与实践。摘要：随着现代航空业的迅猛发展，复合材料在飞机结构中的占比愈来愈大。该文概述飞机复合材料在飞机结构上的应用、缺陷及损伤种类、检测方法、修理容限和维修技术等内容，重点介绍复合材料的机械连接修理技术实践过程。关键词：飞机复合材料结构；损伤检查；修理容限；维修技术；机械连接中图分类号院TB33文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤32-0173-04Abstract:With the rapid development of modern aviation industry,the proportion of composite materials in aircraft structuresis increasing.This paperprovides an overview of the main content of aircraft composite material mechanical connection repairtechnology,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 ofcomposite materials.Keywords:aircraft composite structure;damage inspection;repair tolerance;maintenance techniques;mechanical connectionDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.043173-2023 年 32 期技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application划伤、孔边分层（起绒）、雷击损伤等，损伤主要产生于零件的生产和使用过程中。另外，复合材料还有分层（脱胶）、树脂瑕疵和蜂窝积水 3 种特有的损伤，这 3 种损伤最终都会导致分层，分层在剪应力和压应力作用下，就会导致载荷传递错误，引起结构破坏。一般来讲，损伤可以被修理，但缺陷不能。3复合材料的损伤检查复合材料损伤的常见检查方式有感官检查和仪器仪表检测两大类型。3.1感官检测感官检测是利用人的视觉和听觉器官判别复合材料的损伤情况，感官检查对人的经验和水平依赖度较大。感官检查主要包括目视检测和敲击检测 2 种方式。目视检测主要依赖人的眼睛观察复合材料内外表面，以确定是否有变形、变色、裂纹及紧固件松动等情况，绝大多数情况下还需借助放大镜和工业内窥镜等仪器。敲击检测主要是利用工具敲击工件表面，通过辨别回声的变化来确定损伤出现的位置及大小。敲击检测有人工手动敲击检测和设备自动敲击检测。人工手动敲击就是借助敲击棒、硬币或者敲击锤等对工件进行敲击，人工手动敲击的幅度、路线形状、频率完全由人掌握，操作人根据自己的经验和水平判定工件损伤的位置、范围和损伤程度；设备自动敲击是利用专用设备进行自动敲击并采集回声来判定损伤情况。常见的专用工具有 WP-632 电子敲击检测仪和 Airbus 公司推荐的 PN98A57103013 自动敲击检测工具。敲击检测有一定的应用条件：工件尺寸等于和大于 25 mm 的夹层结构；纤维层层数要求不多于 3 层的纤维蒙皮结构。另外，敲击检测要求相邻敲击点间隔不超过 10 mm，并且按照如图 1 所示的路线进行，其中，修理前检测采用矩形路线，修理后检测采用环形路线。图 1敲击检测的敲击顺序3.2仪器仪表检测仪器仪表检测主要包括超声波检测、X 射线检测、红外热成像检测等。超声波检测法最为常用的是脉冲超声波检测。脉冲超声波是利用探头发射和接收反射回来的脉冲信号，根据反射信号及其到达探头的时间判断工件内部是否有缺陷及缺陷的相对位置。X 射线检测是利用射线穿过复合材料结构中积水区域时感光量不同引起的照片颜色深浅不同，来判定损伤的位置和大小。目前，X 射线检查主要用于检查波音 757 扰流板积水。X 射线对人体有害，检查时必须按照规定做好防护。红外热成像检测是根据复合材料各部分发射的红外线在红外相机上显示的亮度的不同信息，来确定损伤的部位和大小。在相同的外界条件下水升温（降温）最慢，因此，假若复合材料夹层若有积水，则该区域红外相机上的亮度暗淡。例如，某架波音飞机气象雷达显示异常，飞机降落后立即进行红外照相检测，结果发现是由雷达罩积水造成。4复合材料修理技术4.1修理容限与修理范围的确定修理容限是评估复合材料中缺陷和损伤是否具有修理的必要，是否能够修理的 2 个界限。修理容限示意如图 2 所示。图 2修理容限示意图由图 2 可知，损伤位于“修理范围”左边区域，因其损伤小而没有必要修理，如飞机规定“分层面积小于圆面积，表面压痕小于 0.4 mm”时不必修理；损伤位于“修理范围”右边的区域，因其损伤较为严重，通过修理无法恢复结构的功能或者是由于修理费用太高，不如更换零件更加经济。4.2修理方法4.2.1机械连接修理机械连接修理是用补片（复合材料层压板或金属板料）覆盖住复合材料零件损伤或缺陷区，补片与母材大多采用拆卸或不可拆卸连接，如图 3所示。不必修理不能修理修理范围缺陷或损伤的范围小大174-技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期图 3机械连接修理示意图机械连接修理适用于外场修理，所需工具简单，开敞性好，工艺性好。缺点是需要在母体结构钻孔用于连接，相当于引入了新的损伤；无法修理复杂的飞机结构；由于采用了补片，可能影响气动外形和增加飞机重量。4.2.2胶接修理胶接修理有贴补法（图 4）、挖补法（图 5）、注射法（图 6）。贴补法是在损伤或缺陷区表面用胶黏剂贴上一层复合材料补片以达到加强作用。挖补法是通过挖掉损伤区域的材料，然后利用新的增强纤维、胶黏剂对挖补区域进行铺贴和固化。注射法是注射工具将树脂注射到零件脱黏和分层部位的修理方法。图 4贴补法修理示意图渊a冤阶梯法渊b冤斜接法图 5挖补法修理示意图图 6注射法修理示意图5复合材料机械连接修理实践5.1复合材料加工方法及其难点复合材料的切削过程是通过“折断”去除多余的复合材料，在加工过程中常常切断环氧树脂和纤维材料。要针对每一种新的复合材料的特性研究其新的加工工艺。碳纤维复合材料中增强纤维硬度大，脆性强抗，钻孔过程中的钻头磨损很快；导热能力差（导热系数仅为奥氏体不锈钢的 1/51/10），钻孔时容易产生材料烧蚀；复合材料大多采用纤维铺贴成型，层间强度低，切割和制孔时容易产生分层、撕裂等缺陷，钻孔处的应力集中较大，极易引起撕裂、毛边等缺陷，倒角处理要求较高，倒角半径不小于 20 mm；钻孔时产生的粉尘对人体有伤害，同时，碳纤维粉尘的导电性容易进入电器设备内部使其损坏。凯夫拉增强纤维复合材料除了存在层间强度低、易分层的特点外，还具有纤维韧性和抗拉强度高、纤维与基体的黏接强度远低于纤维的抗拉伸强度等特点。除了切割制孔容易产生分层外，还极易产生抽丝、拉毛、出入口材料隆起、孔表面粗糙和尺寸收缩等加工缺陷，影响材料的连接强度。凯夫拉纤维复合材料切割、制孔极易出现黏刀（钻）等现象。因此，复合材料机械连接修理的重点和难点就是要针对每一种材料重新评估加工方法、刀具、工装，并通过经济核算找出最有利的工艺方案。复合材料的机械加工主要是制孔和切割。常用的制孔方法有钻孔、冲孔和振动冲孔。切割方法有金钢砂轮切割、高压水切割。5.2制孔5.2.1钻孔复合材料钻孔时，在孔出入口处材料可能裂开、甚至裂成几层（分层），起绒，影响表面质量，要达到合格的表面粗糙度，既要求操作人员有稳定过硬的技术能力，又要求有较高的风钻转速。另外，钻孔的工艺性差，刀具磨损快，对刀具的硬度和抗弯强度要求高，且碳粉尘极易使电器设备短路。钻孔的优点是设备简单，成本低，宜用于不开敞地方。加工碳纤维增强复合材料，风钻转速要求控制在：进给速度为 9002 700 r/min，不能过大，也不能过小。过大则会引起分层、起绒，过小则易使材料烧焦。刀具的材料一般选用钨-钴类硬质合金。钻制孔径 10 mm以上的孔时，要求使用钢基电镀金刚石钻头。针对材料烧伤问题，在控制合理的进给速度的同时，可以采用专用直刃钻铰复合钻，钻孔过程加入冷却液等办法解决。粉尘问题可以使用带有吸尘功能的钻孔工具，将钻孔所产生的粉尘吸入到吸尘器中。解决分层问题主要还是控制进给速度和采用高速钻的方法。碳纤维复合材料加工中最常见的故障是撕裂和毛边缺陷，其原因是连接件胶层注射器树脂密封密封通真空源真空夹盘孔孔密封密封铝板损伤的复合材料膜175-2023 年 32 期技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application钻刃锋利度不够，增强碳纤维没有被完全切断造成的。因此解决此类缺陷的有效办法就是采用气相沉积金刚石镀膜（CVD）或聚晶金刚石镀膜（PCD）硬质合金刀具进行钻削加工。另外手工钻孔时提高孔质量的方法还有采用分步钻孔的工艺方法、使用垂直器或钻模板及选择正确的钻孔方向等。与碳纤维复合材料一样，凯夫拉增强纤维复合材料除了具有各向异性，纤维拉伸强度高、韧性大、层间剪切强度低等性能特点外，还具有增强纤维和树脂的热膨胀系数差距很大等特点。因此，钻孔时易于使钻削范围内的纤维与基体界面产生热应力，使基体材料（树脂）熔化粘在钻头切削刃上，导致钻孔排屑困难。因此，凯夫拉增强纤维复合材料钻孔常采用专用钻孔夹具进行。图 7 所示的凯夫拉增强纤维复合材料钻孔夹具通过给材料钻削区及周围施加一定的预压力，提高其刚度，改善其切削加工性的手段，从而保证孔的加工质量。图 7凯夫拉材料钻孔夹具示意图凯夫拉增强纤维复合材料钻孔要求控制钻削速度和进给量 2 个参数。钻削速度高虽然对防止抽丝拉毛有利，但对钻头的使用寿命不利。另外，钻削速度高会导致钻头附近温度过高，造成基体（树脂）熔化而粘在刀刃上使切削变得困难。与碳纤维复合材料一样，凯夫拉增强纤维复合材料也要求较小的进给量参数。实践经验表明，当孔径在 10 mm 范围内，钻削速度为 3045 r/min，进给量为0.020.05 mm/r，钻孔质量较好。凯夫拉增强纤维复合材料钻孔的冷却主要有压缩空气、水、液态氮 3种。水冷却是优先采用的方式，压缩空气会将钻削粉尘吹起，污染空气，对人体也有害，建议不采用。液态氮冷却可得到较好的加工效果，但成本较高。5.2.2振动冲孔采用振动冲孔的方法能够加工出镜面一样的光泽表面，并有极好的线性截面。冲制孔的尺寸精度高。冲制一个孔的循环时间在 0.40.8 s 之间，因此振动冲孔可用来代替现行的钻孔和切割制孔，并可以延伸到振动剪切上。但是振动冲孔要求设备多及复合材料的结构开敞性好，因此加工成本高。5.2.3冲孔冲孔与振动冲孔有着基本相似的原理，只是切割纤维时，冲切孔上覆盖着伸向冲切方向的拉出纤维，使得冲孔质量差，内部缺陷多，质量不易保证。但是冲孔的设备和成本都较之振动冲孔要求低。5.2.4切割切割复合材料常用的方法是金钢砂轮切割和高压水切割。1）金钢砂轮切割方法仍存在着表面质量差的缺点。另外，断面要求打磨光滑，用醋酸乙脂清洗揩擦干净，并用环氧胶封口。此方法的优点是不需要特殊设备，成本低，操作简单。2）高压水射流切割。高压水射流切割是一种新型的加工手段，通过多年的发展和推广，已广泛应用于切割、采矿等方面。该方法主要以高压水进行切割，具有其他加工方法无法比拟的优点，对工件无热影响，工件不变形，切口处材料不会发生变化，切割能力强。从切割原理来说属点切割，易于实现数控。其不足之处就是设备昂贵，成本高。6结束语选择正确的刀具、槽型、材质和切削参数等是复合材料加工取得成功的关键所在。随着复合材料的抗冲击性和抗热性等性能的不断提升，高性能的复合材料切削刀具及其加工方法也会快速发展，飞机复合材料修理技术将会迎来突飞猛进的发展。参考文献院1 梁凤飞，金迪，何勇.复合材料结构修理研究J.中国胶粘剂，2019，28（5）：57-60.2 彭名鹏.复合材料结构损伤检查J.航空维修与工程，2013（1）：45-47.3 吴晓春.复合材料在民用航空飞机上的应用J.科技资讯，2014（17）：89-91.下支撑板上压板钻头圆环压块复合材料夹具体176-