樊占鵬，李 夢(mèng)，陳世章，孫 一，常 川，楊 梅

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307）

前言

目前，隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，因復(fù)合材料與金屬材料存在物理與力學(xué)性能差異，以兩者組成的疊層構(gòu)件具備輕質(zhì)、高強(qiáng)等性能優(yōu)勢(shì)，而成為該領(lǐng)域的重要應(yīng)用材料，尤其槳葉作為飛機(jī)的核心構(gòu)件，其材料構(gòu)成及加工工藝直接影響飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性，為此，研究該內(nèi)容具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而玻璃纖維復(fù)合材料以連續(xù)玻璃纖維及其織物和短切保利纖維增強(qiáng)高聚物為增強(qiáng)體，通過(guò)復(fù)合工藝制備而成，其融合了玻璃纖維增強(qiáng)材料耐高溫、抗腐、絕緣、機(jī)械性等優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)與不同材料組分的復(fù)合效應(yīng)，達(dá)到性能互補(bǔ)及協(xié)同，是目前航空飛行器領(lǐng)域中最常用的材料[1]。目前復(fù)合材料在航空螺旋槳上面應(yīng)用廣泛，采用了復(fù)合材料槳葉的螺旋槳在提高推重比及降低風(fēng)噪等方面優(yōu)勢(shì)明顯。由于通用航空器通常面臨著作業(yè)環(huán)境惡劣等問(wèn)題，使得槳葉損傷不可避免，這就涉及到損傷槳葉的維修問(wèn)題了。目前全球的通用航空器絕大部分安裝的是金屬槳葉的螺旋槳，現(xiàn)有的槳葉維修方法也都是針對(duì)金屬槳葉的，這就使得損傷復(fù)合材料槳葉在面臨著修復(fù)方法無(wú)從參考的難點(diǎn)。項(xiàng)目組所在單位運(yùn)營(yíng)著國(guó)內(nèi)最大的通航機(jī)隊(duì)，其中某中教機(jī)安裝有兩副復(fù)合材料槳葉的螺旋槳。為解決損傷復(fù)合材料螺旋槳造成的機(jī)隊(duì)停場(chǎng)難題，項(xiàng)目組進(jìn)行課題攻關(guān)，通過(guò)深入分析槳葉結(jié)構(gòu)，結(jié)合實(shí)際維修經(jīng)驗(yàn)，研究出了一套復(fù)合材料槳葉維修技術(shù)。

1 結(jié)構(gòu)分析

復(fù)合材料槳葉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)螺旋槳槳葉的關(guān)鍵指標(biāo)影響較大，如槳葉的強(qiáng)度、剛度、疲勞性能、可靠性、重量等。螺旋槳復(fù)合材料槳葉結(jié)構(gòu)優(yōu)化的難題有復(fù)材槳葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局和組成、槳根的可靠性設(shè)計(jì)方案、槳葉復(fù)材鋪層、槳葉重量控制[2]。我院某型中級(jí)教練機(jī)安裝有兩副螺旋槳，其螺旋槳的槳葉為復(fù)合材質(zhì)，該復(fù)合材質(zhì)槳葉由一個(gè)金屬的槳葉根部（即槳柄）及復(fù)合槳葉葉身組成。該槳葉葉身中心區(qū)域填充有低密度泡沫，以減輕重量。槳葉內(nèi)腔的填充物主要對(duì)蒙皮起到支撐作用，同時(shí)也提供很小一部分的扭轉(zhuǎn)剛度[3]。其葉身外部由多層壓制而成的復(fù)合材料外殼覆蓋，以保證氣動(dòng)外形，同時(shí)也提供了一個(gè)氣動(dòng)載荷傳遞路徑，該路徑直接傳遞到槳柄上，最終作用在槳轂上，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉的固定。另外為了使槳葉重心在規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)也為了提高強(qiáng)度，槳葉前緣和后緣分別填充有硬質(zhì)材料，見(jiàn)圖1 和圖2。

另外該復(fù)合槳葉在槳柄的中心安裝有一個(gè)平衡管，該平衡管一直深入到低密度泡沫的中心區(qū)域。這樣的設(shè)計(jì)便于在后續(xù)的維修工作中，通過(guò)在平衡管中增減配重來(lái)實(shí)現(xiàn)一副螺旋槳組件中的所有槳葉的重量保持一致。最后該槳葉的表面涂有聚氨酯面漆，可以保護(hù)復(fù)合材質(zhì)的表面不受侵蝕和紫外線傷害。

2 復(fù)合槳葉典型的損傷及修復(fù)方法

在螺旋槳飛機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及作業(yè)環(huán)境的因素的影響下，使得螺旋槳槳葉時(shí)常遭受到外來(lái)物的撞擊。撞擊的外來(lái)物有多種，小到跑道砂石，大到工具設(shè)備，不同的外來(lái)物撞擊所產(chǎn)生的槳葉損傷也不同。另外復(fù)合材質(zhì)槳葉在使用過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生不同部位的脫膠和分層，也會(huì)影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。作為飛機(jī)上重要的動(dòng)力裝置及氣動(dòng)構(gòu)件，保障螺旋槳槳葉足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和良好的氣動(dòng)外形是十分重要的。項(xiàng)目組基于以上兩點(diǎn)原則，結(jié)合該型復(fù)合材質(zhì)槳葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、過(guò)往的維修經(jīng)驗(yàn)和槳葉生產(chǎn)廠家的檢查標(biāo)準(zhǔn)，形成了一套針對(duì)復(fù)合材質(zhì)槳葉典型損傷的維修方法。

2.1 葉身與槳柄結(jié)合處開(kāi)裂

在槳葉葉身部分與槳柄的結(jié)合處，由于兩種部件分屬不同的材質(zhì)，再加上槳葉根部受力較大，因此時(shí)常會(huì)遇到葉身與槳柄結(jié)合層開(kāi)裂的情況。這種開(kāi)裂往往是從表面開(kāi)始的，因此只要對(duì)表面開(kāi)裂的區(qū)域及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，就可以避免開(kāi)裂進(jìn)一步向內(nèi)部擴(kuò)張。根據(jù)槳葉生產(chǎn)廠家的檢查標(biāo)準(zhǔn)，在開(kāi)裂深度不超過(guò)5 mm 的情況下，可以進(jìn)行修復(fù)，具體修復(fù)方法如下。

a. 使用氣動(dòng)打磨工具和60 號(hào)的砂帶，打磨掉因裂紋損壞的材料，并在裂紋周?chē)?5 mm 的未開(kāi)裂區(qū)域內(nèi)進(jìn)行光滑過(guò)渡處理，見(jiàn)圖3。

b.用丙酮溶劑清潔打磨區(qū)域，并使其晾干。

c. 使用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)打磨區(qū)域粘貼兩層玻璃纖維，要確保該兩層玻璃纖維的走向相互交叉，并進(jìn)行烘干。

d.待槳葉完全干燥后，對(duì)粘接區(qū)域進(jìn)行打磨。打磨時(shí)盡量少去掉槳葉原始材料。

e.用200 號(hào)至400 號(hào)砂紙逐級(jí)磨砂，直至打磨恢復(fù)至槳葉原始外形。

f.目測(cè)檢查修復(fù)區(qū)域。修復(fù)區(qū)域必須光滑，無(wú)褶皺、空洞或環(huán)氧樹(shù)脂溢出的情況。

g.最后可以參考“硬幣敲擊法”對(duì)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行檢查。不允許有脫膠或分層。

2.2 葉身表面的分層

由于該復(fù)合槳葉的葉身表面由多層的復(fù)材粘接壓制而成的，在粘接劑老化失效、紫外線作用或者生產(chǎn)過(guò)程中的缺陷等因素影響下，都會(huì)造成葉身表面的復(fù)合材料的分層。據(jù)槳葉生產(chǎn)廠家的檢查標(biāo)準(zhǔn)，在低密度泡沫沒(méi)有明顯損傷，且在分層區(qū)域直徑不超過(guò)50 mm 的情況下，可以進(jìn)行修復(fù)，項(xiàng)目組研究出以下修復(fù)方法。

a.使用氣動(dòng)打磨工具和60 號(hào)的砂帶，打磨掉因裂紋損壞的材料，在打磨材料時(shí)，每打磨0.25 mm 深的損傷材料，就要向下形成一個(gè)臺(tái)階，見(jiàn)圖4。在打磨的同時(shí)也要確保砂布上的磨料不要進(jìn)入低密度泡沫中。

b.然后用壓縮空氣清潔打磨區(qū)域，以確定損傷完全去除。

c.當(dāng)損傷已經(jīng)完全去掉后，或者直至低密度泡沫已經(jīng)露出來(lái)時(shí)，就要停止打磨，見(jiàn)圖4。如果泡沫已經(jīng)露出來(lái)了，則觀察泡沫是否有損傷，例如，裂縫、壓碎或凹痕等。如果泡沫損傷了，以下方法就不適用了，只能將槳葉送到原廠家進(jìn)行修理。如果泡沫狀況正常，且暴露泡沫區(qū)域的直徑不超過(guò)40 mm，就可以進(jìn)行下一步工作。

d.使用丙酮清潔打磨區(qū)域，并使其自然干燥。

e.使用玻璃纖維以90 度交替排列粘貼打磨區(qū)域，并將玻璃纖維一層一層地切剪切成與之前的打磨旋轉(zhuǎn)區(qū)域相匹配的形狀，按照階梯狀來(lái)粘貼見(jiàn)圖4。在粘貼過(guò)程中要確保每一層的玻璃纖維的粘接劑的涂抹量要完全飽和，然后再涂下一層。如有必要，可附加涂抹粘合劑，以防止以后出現(xiàn)脫膠或內(nèi)部空洞現(xiàn)象。

f.最后再額外剪切兩大片玻璃纖維，同樣以90°交替的角度，粘貼修補(bǔ)區(qū)域的最上方。這樣在最終打磨修整之后，會(huì)形成一個(gè)光滑的修復(fù)區(qū)域。

g.使用丙酮清潔修復(fù)區(qū)域，并進(jìn)行烘干。

h.待修復(fù)區(qū)域完全干燥后，再次通過(guò)硬幣敲擊法進(jìn)行檢查，以確保無(wú)分層。

i.最后對(duì)整個(gè)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行拋光，使修復(fù)區(qū)域與周?chē)鷧^(qū)域光滑過(guò)渡。

2.3 槳葉前緣防護(hù)套脫膠。

槳葉前緣由于處于迎風(fēng)面，而且其靠近葉尖距離地面較近，時(shí)常會(huì)產(chǎn)生由外來(lái)物撞擊而形成的損傷，因此槳葉前緣護(hù)套就可以對(duì)前緣起到很好的保護(hù)作用。由于槳葉前緣是粘接到槳葉前緣上的，因此也會(huì)存在與葉身表面復(fù)合材料相同的脫膠情況。根據(jù)槳葉生產(chǎn)廠家的檢查標(biāo)準(zhǔn)，護(hù)套脫膠區(qū)域直徑不超過(guò)40 mm 的情況下，可以進(jìn)行修復(fù)，該缺陷的檢查及修復(fù)方法如下。

a.使用硬幣敲擊法進(jìn)行檢查，確定出脫膠的范圍，并用筆劃出輪廓。

b.使用小鏟子輕輕地撬起防護(hù)套，并用丙酮清潔該區(qū)域。

c.待該區(qū)域完全干燥后，再次使用小鏟子輕輕地撬起防護(hù)套，并將粘接劑塞入防護(hù)套的縫隙，并晾干固化。

d.如果脫膠縫隙較大或防護(hù)套物理變形較大而翹起時(shí)，可使用玻璃纖維來(lái)填補(bǔ)脫膠處。將玻璃纖維進(jìn)行剪切，使其與接縫大小一致。然后使用粘接劑涂抹該玻璃纖維直至飽和。再將其塞入縫隙中。由于防護(hù)套變形較大，在固化階段就需要使用工具夾進(jìn)行固定，同時(shí)配以真空袋的使用，以確?？p隙填充徹底。

e.待修復(fù)區(qū)域完全固化后，再次使用硬幣敲擊法檢查，以確保無(wú)脫膠區(qū)域。

f.最后使用60 號(hào)的砂紙，將修復(fù)區(qū)域打磨光滑。

2.4 槳葉前緣防護(hù)套穿孔

槳葉前緣護(hù)套時(shí)常會(huì)產(chǎn)生由外來(lái)物撞擊而形成的損傷，有些輕微損傷，可能會(huì)造成護(hù)套腐蝕穿孔，或者在遇到質(zhì)地較硬或者外形尖銳的外來(lái)物撞擊時(shí)，也可能造成護(hù)套擊穿的情況，見(jiàn)圖5。如果不及時(shí)處理該擊穿區(qū)域，雨水和灰塵就會(huì)進(jìn)入該區(qū)域，導(dǎo)致?lián)舸﹨^(qū)域進(jìn)一步加深和擴(kuò)大，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。根據(jù)槳葉生產(chǎn)廠家的檢查標(biāo)準(zhǔn)，穿孔區(qū)域直徑不超過(guò)5 mm，且深度不超過(guò)8 mm 的情況下，可以進(jìn)行修復(fù)，該缺陷的修復(fù)方法如下。

a.使用壓縮空氣對(duì)擊穿孔內(nèi)的雜質(zhì)進(jìn)行清除。

b.使用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)擊穿區(qū)域進(jìn)行填充，并使其晾干。

c.對(duì)復(fù)合材料槳葉的待膠接表面，可用細(xì)砂紙輕輕打磨槳葉前緣位置，使其粗糙度均勻[4]。使用60 號(hào)砂紙，對(duì)填充區(qū)域進(jìn)行砂磨，同時(shí)砂磨掉該區(qū)域金屬護(hù)套表面的油漆，盡量避免對(duì)金屬基體的砂磨。

d.使用丙酮清潔該區(qū)域，并晾干。

e. 使用粘接劑將玻璃纖維粘貼到打磨區(qū)域上，并確保粘接劑涂抹至飽和狀態(tài)。

f.待粘接劑完全固化后，使用80 號(hào)砂紙進(jìn)行打磨光滑，直至與周邊區(qū)域外形一致。

3 總結(jié)

在航空航天領(lǐng)域，現(xiàn)已廣泛使用復(fù)合材料螺旋槳作為推進(jìn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的金屬螺旋槳相比，復(fù)合材料螺旋槳結(jié)構(gòu)需要考慮鋪層數(shù)量與鋪層順序，其設(shè)計(jì)變量數(shù)目巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度更高，相應(yīng)的其可設(shè)計(jì)性也更強(qiáng)[5]。目前我國(guó)的通用航空市場(chǎng)處于快速增長(zhǎng)階段，每年新增的運(yùn)營(yíng)的機(jī)型中，有相當(dāng)數(shù)量的飛機(jī)是安裝有復(fù)合材料螺旋槳。

隨著復(fù)合材料螺旋槳的使用時(shí)間增加，就不可避免的面臨著損傷槳葉的維修問(wèn)題。項(xiàng)目組以我院的某中級(jí)教練機(jī)上安裝的復(fù)合材料螺旋槳為例，以該復(fù)合槳葉生產(chǎn)廠家的檢查標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合長(zhǎng)期復(fù)合材料的維修經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)形成了一套針對(duì)復(fù)合材料槳葉典型損傷的維修方法。項(xiàng)目組目前已經(jīng)將該方法成功應(yīng)用在了我院的機(jī)隊(duì)上，完成了數(shù)片損傷復(fù)合材料槳葉的維修工作，使用情況良好。

下一步，項(xiàng)目組計(jì)劃對(duì)超出槳葉生產(chǎn)廠家檢查標(biāo)準(zhǔn)的損傷槳葉的損傷進(jìn)行評(píng)估，對(duì)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究，擬制定一套深度損傷復(fù)合材料槳葉維修方案，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，最終形成一套深度損傷復(fù)合材料槳葉維修體系。