某型号教练机用树脂基复合材料层压板结构件修补工艺的研究

吴 平,万建平,甘武奎

（洪都航空工业集团，南昌330024）

某型号教练机用树脂基复合材料层压板结构件修补工艺的研究

吴 平,万建平,甘武奎

（洪都航空工业集团，南昌330024）

针对某型号教练机复合材料垂尾的修理，开展了某型号教练机用树脂基复合材料层压板结构件的修补工艺研究。通过试验研究，确定了修补角度、修补补片材料、修补用胶粘剂和补片类型等。同时，自主研发了具有知识产权的专用修补工具-斜面磨轮。该修补工艺已形成企标“复合材料挖补修理工艺规范”。采用该企标对某型号教练机复合材料垂尾翼盒和方向舵进行了修理，修理后的方向舵已装机。

复合材料修补工艺;斜接式挖补法;斜面磨轮;复合材料垂尾修理

0 引言

针对某型号教练机复合材料垂尾的修理，我们开展了飞机用树脂基复合材料层压板结构件的修补工艺研究，主要包括修补设备、修补工具、修补方式、修补角度、修补材料、补片类型、底孔直径及修补固化工艺参数等。在试验和研究中，我们采用了便携式热修补仪进行修补；自主研发了专用修补工具；选择了斜接式挖补修理方式；通过修补角度优化试验，确定了修补角度为6°；根据母板材料，选定了修补补片材料为T300/NY9200G，修补用胶粘剂为SY-14A；补片为预固化补片和预浸料补片两种类型；修理层压板试件底孔直径分别为Φ10mm和Φ20mm；固化工艺参数分别为：预浸料补片采用T300/NY9200G复合材料固化工艺参数；预固化补片采用SY-14A胶粘剂固化工艺参数。

该修补工艺已用于修理层压板拉、压试件及垂尾翼盒模拟件—加筋板的修理，修补后的拉、压试件及加筋板外观光滑平整，试验时拉、压试件正常破坏，修理加筋板已通过疲劳试验。该修补工艺已形成企标“复合材料挖补修理工艺规范”。

采用该修补工艺对某型号教练机某批架次垂尾翼盒进行了验证性修理，同时对某型号教练机某批架次撞伤的垂尾方向舵进行了修理，修理好的方向舵已装机使用。

1 试验部分

1.1 修补设备

复合材料层压板结构件可以采用热压罐或便携式热修补仪进行修理，考虑到外场修理，故选用便携式热修补仪作为修补设备。该热修补仪最高固化温度190℃，最高固化压力0.095 Mpa.

1.2 修补工具

1.2.1 专用修补工具—斜面磨轮

在复合材料层压板上能否挖出一定角度且光滑平整的斜接角是修补成败的一个重要环节。传统的修补挖孔是采用手工挖孔，由于是手工操作，磨出的斜接角难免会高低不平，角度不准确，且重复性差，造成母板与预固化补片不吻合，修补效果不佳。为此，我们自主研发了具有知识产权的专用修补工具—斜面磨轮，每副斜面磨轮由阴、阳磨轮各1只组成，均有相同角度的斜面，斜面上覆盖有1层金刚石。采用阳磨轮可在复合材料层压板上挖出具有一定角度且光滑平整的斜接角，采用阴磨轮可在复合材料层压板上切割出具有光滑平整斜接角的预固化补片。由于是同一副阴、阳磨轮，磨出的斜接角完全一致，母板与预固化补片配合良好，有利于修补强度的提高。采用斜面磨轮挖孔，无论是挖孔精度还是劳动效率都较手工挖孔大为提高。该斜面磨轮已获得国家专利。

1.2.2 主要修理工具（表1）

表1 主要修理工具

1.3 修补方式

修补方式可以分为贴补法、挖补法、注射法以及微波加热法等。由于贴补法适用于载荷不大、气动外形要求不高、较薄平面外形制件，注射法仅限于分层脱粘、孔边缘损伤的修理，而微波加热法尚未成熟，所以我们选用挖补修理方式进行试验。挖补修理包括斜接式挖补和阶梯式挖补两种方式，采用这两种修理方式，在胶接面上的剪应力分布比较均匀，寿命也比较长，并且能得到光滑平整的外表面。此外，由于不存在偏心载荷，补强板的剥离应力比较小，因此采用这两种修理方式的效果比较好。考虑到外场修理的施工通道和可操作性等因素，确定修补方式为单面、贯穿、斜接式挖补法。

1.4 修补角度的优化

为确定最优修补角度，我们采用 T700/NY9200GB材料体系及某型号教练机复合材料垂尾翼盒蒙皮的某种典型铺层制作了修理层压板母板，并按选定的补片类型、底孔孔径、不同的修补角度制作了修理层压板试件。通过测试修理层压板试件的拉伸强度、拉伸破坏载荷、拉伸破坏应变、压缩强度、压缩破坏载荷、压缩破坏应变，判断修补效果，在此基础上获得了最优修补角度。

修理层压板试件母板和补片的铺层均为[±45/90/03/(±45)2/0]s， 底孔直径为20mm， 修补角度为6°和10°，补片类型分为预浸料补片和预固化补片二种。试验结果表明：

1）对于复合材料修理层压板拉伸试验件，在两种不同修补角度（6°和10°）和两种不同补片（预浸料和预固化）的情况下，采用6°修补角和预浸料补片的修理层压板试验件（6LY）的静拉伸强度最高，为456 MPa，即采用6°修补角和预浸料补片的修理层压板试验件能够获得较高的拉伸强度。

2）对于复合材料修理层压板压缩试验件，在两种不同修补角度（6°和10°）和两种不同补片（预浸料和预固化）的情况下，采用6°修补角和预浸料补片的修理层压板试验件（6YY）的静压缩强度最高，为343 MPa，采用6°修补角和预固化补片的修理层压板试验件（6YG）的静压缩强度次之，为329MPa，即采用6°修补角的修理层压板试验件能够获得较高的压缩强度。

由此说明，采用6°修补角的修理层压板试验件能够获得较高的拉伸和压缩强度。故确定修补角为6°。

1.5 修补材料

1.5.1 补片材料

我们认为修理用材料原则上应与被修理材料一致，或与被修理材料用增强材料和树脂基体材料为同一类型，而性能和工艺又处于同一水平的材料。考虑到某型号教练机复合材料垂尾翼盒为T300/NY9200G复合材料，故试验选用的修补补片材料为T300/NY9200G，补片为预浸料补片和预固化补片二种。

1.5.2 修补用胶粘剂

我们采用了成熟的SY-14A高温胶膜作为胶粘剂开展修补试验。SY-14A胶膜胶接强度高，综合性能好，耐介质和老化性能优异，可在-55℃～175℃范围内长期使用，我公司已用于某型号T300/NY9200G复合材料垂尾翼盒蒙皮与墙之间的胶接。实践证明：该胶膜与T300/NY9200G复合材料有良好的配套性。

1.6 补片类型

采用的补片为预固化补片和预浸料补片二种类型。虽然预浸料补片修补恢复率较预固化补片高，但因预浸料存在储存问题，一般只能在工厂内修理，不适宜外场修理。而采用预固化补片进行修理，则不存在预浸料的储存问题，不但可在工厂内修理，而且可用于外场修理。其特点是适应性强、施工方便、工艺性好。

1.7 母板底孔直径

某型号教练机复合材料垂尾蒙皮典型铺层有两种，分别为[±45/90/03/(±45)2/0]s和[±45/90/02/±45/0]s。考虑到拉、压修理层压板试件的宽度均为100mm，如果铺层为 [±45/90/03/(±45)2/0]s、 母板底孔直径大于20mm，挖孔后最大直径将超过73mm，会引起边际效应。因此我们采用了母板底孔直径分别为10mm和20mm， 铺层均为 [±45/90/03/(±45)2/0]s和[±45/90/02/±45/0]s的拉、压修理层压板试件进行修补试验。

1.8 修理层压板试件的制造

1.8.1 修理层压板试件母板的制造

采用T300/NY9200G预浸料，按铺层为[±45/90/03/(±45)2/0]s和 [±45/90/02/±45/0]s制造复合材料层压板，每块层压板必须进行无损检测，合格后按数量和尺寸将其分别锯切成300mm×100mm拉伸修理层压板试件母板和150mm×100mm压缩修理层压板试件母板，试件长度方向均为0°方向。

1.8.2 修理层压板试件母板挖孔

首先按底孔直径大小，用相同直径的钻头在修理层压板试件母板中心位置开孔,然后将斜面磨轮之阳磨轮对准开孔位置挖斜接角,同时用压缩空气冷却斜面磨轮,去除磨屑,加工至斜面磨轮最大直径处接触到母板表面再划出深约0.1mm的下陷即可。

1.8.3 预固化补片的制作

采用T300/NY9200G预浸料，按铺层[±45/90/03/(±45)2/0]s和[±45/90/02/±45/0]s制造复合材料层压板，每块层压板必须进行无损检测，合格后方可用于预固化补片的制造。用斜面磨轮之阴磨轮在层压板上切割预固化补片，加工至斜面磨轮之阴磨轮最大直径处切穿层压板为止，得到预固化补片。

1.8.4 预浸料补片的制作

采用T300/NY9200G预浸料，按自制下料样板，从小到大均匀递增裁剪预浸料，然后按铺层铺贴并压实。预浸料补片有两种铺层，分别为[±45/90/03/(±45)2/0]s和[±45/90/02/±45/0]s。

1.8.5 胶接前的准备

修理场地应干净整洁。用丙酮清洗修理层压板试件母板修理区和预固化补片胶接区，晾干。按胶接区域大小裁剪SY-14A胶膜。

1.8.6 修理层压板试件母板与补片的胶接

1.8.6.1 母板与预浸料补片的胶接

将准备好的SY-14A胶膜和预浸料补片按规定的顺序、方向和层数铺放在清洁干净的母板修理区上，用耐高温胶带固定。在修理层压板组合件上下按规定的顺序放置脱模布、吸胶布、隔离膜、均压板、透气毡。然后将组装好的修理层压板胶接组合件放入由电热毯和真空袋组成的加热加压装置中，加温加压固化。

1.8.6.2 母板与预固化补片的胶接

将清洁干净的预固化补片和准备好的SY-14A胶膜按规定的方向、层数和顺序安放在清洁干净的母板修理区上，用耐高温胶带固定。按规定的顺序放置脱模布、吸胶布、隔离膜、透气毡，然后将组装好的修理层压板胶接组合件放入由电热毯和真空袋组成的加热加压装置中，加温加压固化。

1.9 修理层压板试件的无损检测

对修理层压板试件进行了无损检测，符合修补专用无损检测技术的要求。

2 某型号教练机复合材料垂尾翼盒模拟件—加筋板的修理

根据某型号教练机复合材料垂尾翼盒的结构特点和受力形式，设计并制造了垂尾翼盒模拟件—加筋板，其结构和铺层与真实构件相似（图1），损伤孔位置见图2。

图1 加筋板示意

图2 损伤孔位置示意

我们制作了三件加筋板试验件，分别为无损伤试验件、带损伤孔试验件和损伤孔修理后试验件，损伤孔直径均为40mm，三件加筋板经无损检测均合格。损伤孔修理试验件按已确定的修补工艺进行修理，修理后对该试验件修理区进行了无损检测，结果表明修补区胶接质量良好。然后对这三个试验件进行了疲劳试验。

试验结果表明：无损伤加筋板、含损伤孔加筋板和损伤孔修理加筋板在2倍寿命的谱载荷拉-压疲劳试验后均未发生破坏。在2倍寿命疲劳试验结束后，用C扫描分别对加筋板的突缘区、孔周围和修补区进行了无损检测，结果表明，三个加筋板在2倍寿命的谱载荷拉-压疲劳试验过程中均未产生损伤。

3 复合材料层压板结构件的修理

复合材料层压板结构件的修理已形成企标 “复合材料挖补修理工艺规范”。

3.1 修补前的准备

3.1.1 挖孔

用无损探伤设备对损伤区进行检测，画出损伤区的切割轮廓线，通常此线为损伤区的外接圆。以切割轮廓线为最小圆，找出圆心，使用钻头制出初孔。对于穿透性损伤，制出通孔；对于非穿透性损伤，则制出盲孔至损伤最深层。按典型的长厚比10：1的锥度（修补角为6°），用旋转打磨器制出大圆轮廓，用砂轮打磨机从最小圆至大圆逐渐打磨，在修理区高度方向制出斜接角。亦可使用斜面磨轮挖出斜接角。

3.1.2 预浸料补片的制作

采用T300/NY9200G预浸料，以修理区大、小圆直径为尺寸，按自制样板辅助下料,从小到大均匀递增裁剪预浸料，然后按铺层铺贴并压实。预浸料补片的铺层方向、顺序和层数与被切除部分相同。

3.1.3 预固化补片的制作

采用T300/NY9200G预浸料，按被切除部分相同的铺层制造复合材料层压板，每块层压板必须进行无损检测，合格后方可用于预固化补片的制造。根据修理区大、小圆直径尺寸，选用最大和最小直径与修理区大、小圆直径相近的斜面磨轮之阴磨轮在层压板上切割预固化补片，加工至斜面磨轮之阴磨轮最大直径处切穿层压板为止，得到预固化补片。对补片斜接角进行修整，使之与修理区斜接角配合良好。

3.1.4 胶接前的准备

修理场地应干净整洁。用丙酮清洗层压板修理区和预固化补片胶接区，晾干。按胶接区域大小裁剪SY-14A胶膜。

3.2 修补

3.2.1 层压板结构件与预浸料补片的胶接

将准备好的SY-14A胶膜和预浸料补片按规定的顺序、方向和层数铺放在清洁干净的修理区上，用耐高温胶带固定。对于穿透性损伤，需在背面先粘贴支撑板，支撑板可选用厚0.5～1.0mm的玻璃钢板或碳纤维板。按规定的顺序放置脱模布、吸胶布、隔离膜、均压板、透气毡，制作真空袋。采用热修补仪加热加压固化。

3.2.2 层压板结构件与预固化补片的胶接

将清洁干净的预固化补片和准备好的SY-14A胶膜按规定的方向、层数和顺序安放在清洁干净的修理区上，用耐高温胶带固定。按规定的顺序放置脱模布、吸胶布、隔离膜、透气毡，制作真空袋。采用热修补仪加热加压固化。

3.3 后加工

用砂纸对修理区进行修整，使其外形与周边区域光滑过渡。按图样要求，对修补区域补漆。

3.4 工序检验

3.4.1 在补漆前,对修补后的区域采用胶接检测仪、超声波检测仪等设备进行无损检测，其胶接质量应符合修补专用无损检测技术要求。

3.4.2 修理后的区域外形应流线光滑，符合图样要求。

4 某型号教练机垂尾翼盒和方向舵的修理

采用企标“复合材料挖补修理工艺规范”对某型号教练机某批架次垂尾翼盒进行了验证性修理，修理后垂尾翼盒修补区外观光滑平整。胶接质量符合修补专用无损检测技术要求。修理后的垂尾翼盒见图3和图4。

图3 垂尾翼盒修补区域

图4 修理好的垂尾翼盒

同时，采用企标“复合材料挖补修理工艺规范”对某型号教练机某批架次撞伤的垂尾方向舵进行了修理，经无损检测该方向舵损伤区大小约为Φ25mm，见图5。修理后的方向舵修补区外观光滑平整，胶接质量符合修补专用无损检测技术要求。见图6。该方向舵已装机使用。

图5 撞伤的垂尾方向舵

图6 垂尾方向舵修补区域

5 结论

1）通过进行修补角度优化试验，确定了修补角度为6°。

2）自主研发已获国家专利的专用修补工具—斜面磨轮可用于复合材料修理层压板斜接式挖补法的挖孔和切割预固化补片，磨出的斜接角光滑平整且角度准确，母板和预固化补片间配合良好，提高了修理层压板的胶接强度。

3）采用预固化补片对损伤进行修补，不存在预浸料的储存问题，施工便利，工艺性好。预浸料补片适用于工厂内修理，预固化补片即可用于外场修理又可用于工厂内修理。

4）该修补工艺已用于复合材料垂尾翼盒模拟件—加筋板的修理，修理加筋板通过了疲劳试验。该修补工艺已形成企标 “复合材料挖补修理工艺规范”。

5）该修补工艺切实可行，已成功地应用于某型号教练机复合材料垂尾方向舵的修理，并装机使用。

>>>作者简介

吴 平，男，1956年12月出生，1982年毕业于西北工业大学，高级工程师。一直从事复合材料制造技术工作。

The Study on the Repairing Process of Resin Base Composite Material Laminated Board z

Wu Ping,Wan Jianping,Gan Wankui
(Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang 330024)

To the repair of a certain type trainer vertical tail of composite material,a study on the repairing process of resin base composite material laminated board structure piece adopted by a certain type trainer is carried out.Through the experiment,the repairing angle,repairing patch material,and the type of repairing glue and patch are confirmed,while at the same time,invent the special repairing tool with patent-bevel sander.This repairing process has been set as a enterprise standard “Process specification for the repairing of composite material mend by replacing a damaged part”.The composite material vertical tail wing box and rudder of a certain type aircraft had been repaired per this enterprise standard,and the repaired rudder has already been installed on the aircraft.

composite material repairing process;tilted jointing mend by replacing a damaged part;bevel sander;repair of vertical tail of composite material

2011-07-21）