碳纤维环框检测技术研究

刘 佳,于 竹,孟凡波,杨五兵,李 营

(中航沈飞民用飞机有限责任公司,沈阳 110000)

1 引言

“制造大国”向“智造强国”的转型是国家新兴产业发展的战略方针。复合材料作为航空制造先进材料,是科技发展和国民经济建设的重要支柱,先进复合材料作为一类轻质高效、节能环保的新型材料,在先进材料领域具有重要地位。先进复合材料的用量已经成为航空结构先进性的重要标志,大型飞机波音787 和空客A350 的先进复合材料用量达到50%以上,而国有大飞机由ARJ 的2%到C919 飞机的11.5%,再到CR929 飞机的50%,展示了其发展前景及趋势[1]。

本项目通过对民用飞机设计应用中的难加工复合材料成型零件为研究对象,在手工检测中融入数字化和自动化高质量检测方式,对结果进行分析研究,形成面向民用飞机复合材料结构件检测技术的分享,反向指导制造及方案改进,明显降低传统加工带来的随意性和无规律性,有利于民用飞机复合材料检测知识的共享和应用[2-4]。

2 零件概述

机身复合材料环框为C 型结构,采用上L 型立筋和下C 型腹板层压板结构零件,主要材料为CMSCP-307 增韧环氧树脂碳纤维织物预浸料及单向带预浸料,零件长度为2 000 mm,宽度为120 mm,零件最厚区域为C 框腹板和L 型立筋叠层区域,厚度为3.52 mm,最薄区域为1.762 mm,如图1 所示。

图1 零件结构示意图Fig.1 Schematic diagram of parts structure

零件原材料中,35 型—名义树脂含量达35.5%(重量)。预浸料树脂是在180℃固化的热固性环氧树脂,碳纤维最小拉伸强度为5 021 MPa,拉伸模量为283.0 GPa～304.0 GPa[5]。

本生产鉴定的目的在于验证按照制造商已有的检验程序和检测技术制造的复材零件,其外部质量、内部质量以及与内部质量相关的力学性能试验目的的鉴定是否满足要求,并在生产开始之前对零件制造过程中存在的不足进行识别和纠正。

2.1 外观检测

外缘条区域:根据零件结构设计检验工装进行安装定位,使用定位销插入长圆孔及圆孔将零件定位在检验工装上,如图2(a)所示。定位完成后,使用检验工装加力机构给零件外缘条按需施加不大于45 N 的力,每一处间距不小于300 mm,使用塞尺测量零件外缘条面与工装面的间隙,由于检验工装检验型面与理论型面存在2 mm 设计偏移,在测量实际间隙结果后,应进行换算以判定最终结果是否能满足±0.75的公差,同时满足尺寸2 mm±0.75 mm。

图2 检验工装示意图及检验结果Fig.2 Inspection tooling diagram and inspection results

腹板区域:通过施加橡皮泥测量零件与检验工装之间的间隙,橡皮泥的最大厚度代表工装与零件间隙最大值,橡皮泥的最小厚度代表工装与零件间隙最小值,测量方法如下:(1)将橡皮泥揉成球状均匀分布在零件腹板对应的工装区域,每间隔50 mm放置一枚橡皮泥;(2)将零件垂直轻轻放下并贴于工装进行定位,施加沙袋,并保证沙袋的间隔(允许在检查区域最小300 mm 的间隔内最大施加45 N的局部压力,或在等效的更小间隔内施加等效的更小压力,例如,150 mm 间隔内最大施加22.5 N);(3)等待15 min,橡皮泥完全变硬后,将零件垂直向上抬出,保证工装面朝上放于工作台上,使用卡尺测量贴于工装表面及零件工装面的橡皮泥厚度,厚度标准应不大于0.75 mm[6,7]。

检验结果如图2(b)所示,厚度尺寸最小为1.8 mm,最大为2.95 mm,满足图纸理论尺寸要求。通过此零件实际装机测试,符合设计装配要求,进而验证检测方法的准确性。此检验工装结构及检验方式能有效对此类型复合材料碳纤维框进行外缘条和腹板区域的外形尺寸检查,并保证公差在±0.75 mm以内。

2.2 厚度检测

采用Elektro Physik 钢珠测厚仪720 进行复材框厚度检测,测量精度可达±1 μm。测量标准为同一厚度区域至少有5 个测量点,且5 个测量点均需满足厚度公差要求。测量数据保留两位小数。铺层过渡区域不要求测量零件厚度的要求,测量点如图3 所示[9,10]。

通过三件全尺寸试验件的测量数据,确定加工误差范围,结果分析:

第一件测量,采用检测工装测量,检测工装与零件间隙为2 mm,使用塞尺检测零件与检测工装间隙,检测结果在1～3 mm 之间符合L 型立筋位置度±1 mm的要求,检测结果在1～2 mm 之间的为L 型立筋向C 框外缘方向偏移,检测结果在2～3 mm 之间的为L 型立筋向C 框内缘方向偏移。检测结果为向C 形内部的方向最大超差0.35 mm。

第二件测量,检测工装与零件间隙为2 mm,使用塞尺检测零件与检测工装间隙,检测结果在1～3 mm之间符合L 型立筋位置度±1 mm 的要求,检测结果为向C 形内部的方向最大超差0.45 mm。

第三件测量,采用数字化测量,L 型立筋理论位置度为±1 mm,检测结果在-1～0 mm 之间的为L 型立筋向C 框内缘方向偏移,检测结果在0～1 mm 之间的为L 型立筋向C 框外缘方向偏移。检测结果为向C 框内部的方向超差0.19 mm

综合三次测量结果,L 型立筋位置度公差范围为±1.5 mm。通过L 型立筋位置度偏差问题进行分析测量B 区合格,C 区侧边缘最大偏差为-0.25 mm,A区偏0.42 mm(均匀偏差,无局部集中变形),局部L型立筋与腹板平面不垂直,立筋切面存在倾斜,角度偏差2°。此偏差是碳纤维复合材料L 型结构回弹造成,此类型复材框的回弹量通过测量结果数据分析,确定偏差值为2°,经分析讨论,通过对制造工装进行回弹值修复,保证零件加工后回弹数值正好为理论值。

2.3 无损检测

无损检测(NDI)通常用于检测零件损伤,不会对被检测零件产生影响。对于复合材料零件使用超声波检测法。此项目环框使用超声波检测复合材料层压件中的分层、空腔、脱粘、外来物和其他内部缺陷。因此通过超声波检测,查出零件或结构件内最小拒收尺寸或最小要求检测尺寸的缺陷,如空腔、分层和脱粘。检测出零件或结构件内的夹杂或气孔。同时采用自动穿透法C 扫描和接触脉冲反射法A 扫描对零件内部质量进行检测,如分层、夹杂物、空腔、孔隙率等。检测方法为:腹板区域采用5 MHz 自动穿透法C 扫描检测,缘条、缘条与腹板连接处的R 区以及腹板C 扫描未检测到的区域采用5 MHz 接触脉冲反射法A 扫描[11,12]。

所用的任何设备和探头均应能发射超声波传入或穿透对比试块,并得到可用的超声波响应,信号的传播应能通过零件的高衰减区域。对于使用计算机辅助数据采集系统的C 扫描,应采用层压板中的分层缺陷进行验证,要求系统信噪比S/N≥2.5。其中,信号S指的是对比试块上缺陷边界信号值与良好区域信号平均值的差值,噪声N则是良好区域信号标准差:对于不使用计算机辅助数据采集系统的A 扫描,要求信噪比S/N≥30。超声波检测仪器应与所用的探头相配,且当配合使用时应能产生至少1～15 MHz的超声频率。测量仪器如表1 和图4 所示[13]。

表1 超声波检测仪器Tab.1 Ultrasonic instruments

图4 自动喷水C 扫描与M380 A 扫描Fig.4 Automatic water spraying C-scan&M380 A-scan

结论:检测前,应该测定探头的频带宽度和中心频率,用6 dB 衰减法测出的频带宽度值是中心频率的45%或更小的探头是窄声束探头,反之则是宽声束探头。探头中心频率相对其标称频率的偏差应满足要求。应用于分析频谱的试验方法应有文件证明。探头应沿相隔90°的平面上进行两次扫描,最窄声束宽度与最宽声束宽度(沿两平面,在1/2振幅点处来测量)的比值应大于0.75。喷水法检测采用平面探头,探头和水柱尺寸(喷水法)应能保证最有效的检测和评价对比试块中的缺陷。手动接触式穿透法应采用接触式平探头,脉冲反射法可采用带延迟块的接触式探头,使用对比试块证明探头对缺陷的有效检测。

2.4 剖切检测

复合材料加工属于特殊过程工艺,仅通过外观无损检测无法确定所有缺陷,需通过破坏性评估进行内部缺陷检查,故进行剖切取样并进行金相检查,要求如下:(1)切割取样计划中应包括剖开位置,取样位置和试样大小;(2)典型的剖开位置包括质量A 区、厚度过渡区、厚度变化区(比如有台阶的区域)、R 角区、胶接区和制造时可能施压不足的区域等;(3)典型的取样位置包括R 角、胶接面、干长桁卧边和可能施压不足区域等;(4)切割取样的剖开位置和取样位置可以根据试生产鉴定零件的目视和无损检测结果进行修订,以便对检验过程中发现的问题进行确认。

通过对零件结构分析,在零件关键部位进行剖切取样13 块,并对样片进行褶皱及孔隙率检测。如图5 所示,在剖切方案的基础上,金相试样取样检查褶皱,检测区域为外缘、筋条边界与腹板连接区等,检测结果如表2 所示[14]。

表2 零件金相试样检测要求与结果Tab.2 Inspection requirements and results for metallographic specimens of parts

图5 剖切取样图Fig.5 Sectional sampling

对每一个试样,在显微镜下以不低于10 倍的放大倍率,拍照记录每个试样完整的截面显微形貌(可分区域拍照后拼接),清晰分辨出单根纤维的轮廓及截面。如图6 所示,纤维延续无褶皱,通过金相检查结果验证工艺方法的正确性。

图6 褶皱金相图Fig.6 Metallographic diagram of folds

2.5 孔隙率检测

孔隙作为复合材料中最常见的微观缺陷,对复合材料的性能有非常大的影响,因而使用超声无损检测技术对复合材料中的孔隙进行定量和定性的评估具有实际意义。复合材料结构孔隙率通过金相进行检查,检测技术标准为:A 区孔隙率不大于1%为合格,B 区孔隙率不大于1.5%为合格。将试样置于型号571003 显微镜下,放大100 倍观察,如图7 所示,记录试样截面中孔隙所占的格数,计算出孔隙率[15]。

图7 孔隙金相图Fig.7 Pore metallography

试验结果表明,碳纤维层压板结构内部孔隙率表现好,超差率低,如表3 所示。对于复合材料的检测,金相显微检测相对于超声波检测更直观地显现出材料中微观破坏和内部缺陷,不仅能判断材料的分层、孔隙、裂纹和夹杂等缺陷,还能判断疏密、纤维取向、厚度等特性和几何形状。

表3 孔隙检测结果Tab.3 Pore test results

3 结束语

(1)复合材料零件与金属模具之间的膨胀系数不匹配是导致零件超差的重要因素之一,固化脱模后应力释放将导致产生变形,控制模具回弹角和补偿性修复可抵消或控制变形。本项目采用外形检验工装及钢珠测厚仪对三项试验件进行物理测量,分析试验数据,总结回弹规律,确定回弹角为2°,有效解决回弹变形问题,降低消耗成本及制造周期。

(2)复合材料零件制造和金属零件加工有明显区别,复合材料零件存在着“黑匣子”现象,也就是无论外观检查多么完美,内部也可能存在非破坏性试验才能检测出的缺陷,因此,对于复合材料零件工艺过程鉴定尤为重要,通过检验结论证实制造具备制造能力与工艺稳定性的能力。

(3)复合材料零件制造是一个循序渐进的过程,通过外观检测的零件仅能确保零件外观与设计的协同性和符合性。而飞机复合材料零件更大的质量要求是零件的力学性能和材料性能,对于关键性能,需要采用破坏性试验才能发现最终检验中的制造缺陷。本项目通过对环框关键部位的剖切片进行验证及分析,确保按此工艺方法制造的零件从内部微观领域和性能满足设计要求。零件最终的检验结果由制造工艺方法和检验方法中所有环节决定。