試論典型發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷與修理

曹西雷

摘要：航空領(lǐng)域應(yīng)用了大量的復(fù)合材料，在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上就有相當(dāng)多的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。由于復(fù)合材料和普通金屬材料在性能上和損傷機(jī)理上都有很大區(qū)別，因此其維護(hù)修理有自己獨(dú)有的方法與流程。本文將以民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)PW4000復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷修理辦法為例，探討典型發(fā)動(dòng)機(jī)中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理和修理技術(shù)。

關(guān)鍵詞：典型發(fā)動(dòng)機(jī)；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；損傷；修理

材料科學(xué)的發(fā)展使復(fù)合材料在航空領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，包括作為核心部件的發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)，飛機(jī)部件對(duì)復(fù)合材料的使用比例越來(lái)越高，相應(yīng)的就產(chǎn)生了一定的維護(hù)與修理問(wèn)題。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)修理從機(jī)理上就跟普通金屬材料有很大區(qū)別，是一門極具特點(diǎn)的技術(shù)，而發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)上最重要的核心部件，其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)又具有自己的特點(diǎn)，因此相關(guān)的損傷機(jī)理和修理技術(shù)都需要仔細(xì)研究，謹(jǐn)慎對(duì)待。

1. 復(fù)合材料損傷

復(fù)合材料損傷的類型繁多、模式復(fù)雜，而且經(jīng)常出現(xiàn)多種損傷混雜在一起的現(xiàn)象，因此無(wú)論是檢測(cè)還是評(píng)價(jià)都比金屬材料損傷困難。

1.1損傷類型

復(fù)合材料的損傷類型可以按兩種方法進(jìn)行分類，分別是損傷原因和可修性。

1.1.1按損傷原因分類

（1）制造缺陷

制造缺陷是在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，產(chǎn)生原因包括工藝不合理、材料不合格、人為操作不當(dāng)?shù)?。這種缺陷產(chǎn)生的損傷中常見(jiàn)的有表面損傷、孔隙、分層和脫膠。

（2）使用損傷

使用損傷是飛機(jī)服役過(guò)程中，人為操作出現(xiàn)失誤所造成的損傷，包括表面劃傷與凹陷、分層、脫膠、邊緣損傷、穿透損傷。這類損傷往往是可以避免的。

（3）環(huán)境損傷

環(huán)境損傷同樣產(chǎn)生于飛機(jī)服役的過(guò)程中，但并非人為引起，而是由于各個(gè)部件所處的工作環(huán)境影響而產(chǎn)生的一些難以避免的損傷，發(fā)動(dòng)機(jī)中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷往往屬于這一類。這類損傷包括腐蝕坑、分層、穿透損傷、表面氧化等，其中分層在以纖維類進(jìn)行增強(qiáng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件中較為常見(jiàn)，這點(diǎn)我們下文的例子中會(huì)提到。

1.1.2按可修性分類

（1）許用損傷

意即不用立即進(jìn)行修理的損傷，對(duì)飛機(jī)總體結(jié)構(gòu)的完整性幾乎沒(méi)有影響，不進(jìn)行修理飛機(jī)也可以正常服役。但需要注意的是，這種損傷有規(guī)定的修理時(shí)間，務(wù)必要在這個(gè)時(shí)間之內(nèi)完成永久性修理。

（2）可修損傷

會(huì)對(duì)飛機(jī)的正常服役產(chǎn)生影響，飛機(jī)的完整性和功能性都會(huì)因這類損傷而受到限制，因此必須立即修理。這類損傷通常并沒(méi)有嚴(yán)重到對(duì)飛機(jī)部件造成永久性損害，因此由維修人員進(jìn)行修補(bǔ)即可。

（3）不可修損傷

無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)水平和方法進(jìn)行維修的損傷，即使勉強(qiáng)修理，修理后的部件也不能達(dá)到要求的功能指標(biāo)了，是損傷中較為嚴(yán)重的一類。這類損傷只能對(duì)損傷部件進(jìn)行更換或返廠處理。

1.2損傷檢測(cè)

只有發(fā)現(xiàn)損傷才能進(jìn)行修理，因此通過(guò)無(wú)損檢測(cè)找到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷部位是修理工作的前提，需要根據(jù)具體損傷情況進(jìn)行可修不可修的判斷和修理方案的確定。目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中常用的無(wú)損檢測(cè)法有如下幾種：

1.2.1. 目視檢測(cè)

以目測(cè)的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)某些直接可見(jiàn)的損傷，包括各種物體撞擊造成的損傷，或者肉眼可見(jiàn)的凹坑等。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣錐中卷入異物時(shí)所造成的損傷就可以用這種方法發(fā)現(xiàn)。

1.2.2. 熒光檢測(cè)

該檢測(cè)法對(duì)檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)水平要求很高，具體方法是以小錘等工具敲擊復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的部件，利用細(xì)微的聲音差異來(lái)判別損傷情況。

1.2.3. 射線檢測(cè)

對(duì)一些復(fù)雜或夾層結(jié)構(gòu)，可以用X射線進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)閄射線的穿透性極強(qiáng)，所以對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一些內(nèi)部損傷可以直接成像顯示出來(lái)，直觀而又簡(jiǎn)便。

1.2.4. 超聲檢測(cè)

使用超聲波反射檢測(cè)技術(shù)，不但能確定損傷的位置，還能判明損傷類型、損傷深度等多重信息，大部分損傷都可以依靠這種方法檢測(cè)出來(lái)，因此該方法目前在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)工作中應(yīng)用最廣。

2. 典型發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理（PW4000）

接下來(lái)將以PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)為例分析典型發(fā)動(dòng)機(jī)中的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，并研究其可能出現(xiàn)的損傷與修理方法。這種航空發(fā)動(dòng)機(jī)由美國(guó)普惠公司生產(chǎn)，在多種型號(hào)的民用飛機(jī)上都有使用，是典型發(fā)動(dòng)機(jī)的一種。該發(fā)動(dòng)機(jī)使用復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)比較集中，基本都是位于發(fā)動(dòng)機(jī)前部的冷端部件，具體包括進(jìn)氣錐、風(fēng)扇的出口導(dǎo)葉、出口整流罩、機(jī)匣防磨板與內(nèi)襯板等。

2.1進(jìn)氣錐的損傷與修理

PW4000沿用當(dāng)初JT9D發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，為橢球形構(gòu)造，前部為前錐蓋，后部為后錐體，內(nèi)部的防冰功能由高壓壓氣機(jī)提供，因?yàn)槠淇梢砸鰺峥諝狻Ｔ诓牧铣煞稚蟿t以環(huán)氧樹脂為基體，再用高強(qiáng)度的凱夫拉纖維加強(qiáng)。

這種發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣錐有一個(gè)特點(diǎn)就是尺寸較大，這使得其更易被外物擊傷，所幸其構(gòu)造為橢球形，因此能夠以離心力將誤入的外物甩出，有效規(guī)避外物飛入發(fā)動(dòng)機(jī)核心的危險(xiǎn)。由于易被外物擊傷，所以這種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣錐的損傷形式有多種，常見(jiàn)的有錐體表面裂紋、局部凹坑掉塊和纖維分層等。這些損傷中有些是不可修復(fù)的，比如大尺寸的裂紋、纖維嚴(yán)重分層，這類損傷都只能通過(guò)換件來(lái)解決，而諸如小尺寸裂紋、局部凹坑掉塊之類的損傷則可以進(jìn)行修理，具體修理方法是先用環(huán)氧樹脂對(duì)損傷處進(jìn)行填充，等樹脂完全固化后再對(duì)填充處用砂紙進(jìn)行打磨，直到氣動(dòng)表面恢復(fù)為止。

2.2風(fēng)扇出口導(dǎo)葉的損傷與修理

PW4000型發(fā)動(dòng)機(jī)的減重效果非常好，這跟它的風(fēng)扇出口導(dǎo)葉使用了復(fù)合材料有很大的關(guān)系。PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的風(fēng)扇出口導(dǎo)葉在復(fù)合材料構(gòu)成上以環(huán)氧樹脂為基體，以碳纖維進(jìn)行增強(qiáng)，這使得其風(fēng)扇的出口機(jī)匣在重量上比金屬出口導(dǎo)葉的風(fēng)扇出口機(jī)匣輕了50%。

發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇出口導(dǎo)葉在各方面的性能要求很高，因?yàn)槠涫芨咚贇饬鞯臎_擊很大。值得注意的是，這種靠纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料本身就容易產(chǎn)生分層的損傷，雖然通過(guò)在導(dǎo)葉前緣粘接鈦合金薄片的方式可以使風(fēng)扇出口導(dǎo)葉分層報(bào)廢的幾率大大降低，但是這個(gè)部件的損傷率依然是PW4000型發(fā)動(dòng)機(jī)的諸多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件中最高的。在其損傷中，導(dǎo)葉前緣的磨損、小面積的剝層分層都屬于不太嚴(yán)重的類型，前者可以對(duì)前緣的鈦合金片進(jìn)行更換，后者可以在出現(xiàn)剝層的部位用環(huán)氧樹脂和碳纖維補(bǔ)片。而裂紋、嚴(yán)重?fù)魝戎卮髶p傷則無(wú)法修理，當(dāng)出現(xiàn)這類損傷時(shí)，風(fēng)扇出口導(dǎo)葉整根都要更換。

2.3風(fēng)扇出口整流罩的損傷與修理

風(fēng)扇出口整流罩的安裝位置是核心機(jī)匣的前端，其復(fù)合材料構(gòu)成與前面提到的進(jìn)氣錐并無(wú)區(qū)別，結(jié)構(gòu)上則非常簡(jiǎn)單，但采用了和風(fēng)扇出口導(dǎo)葉類似的防沖擊、防分層方式——在前緣粘接了不銹鋼薄片。

與其他型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的鋁合金整流罩相比，PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗沖擊性強(qiáng)的復(fù)合材料風(fēng)扇出口整流罩無(wú)論是損傷率還是報(bào)廢率都是相當(dāng)之低的。這種風(fēng)扇整流罩偶爾會(huì)發(fā)生的損傷基本只有局部的纖維剝落而已，這種損傷只要用環(huán)氧膠對(duì)多層纖維布進(jìn)行粘接補(bǔ)片就可以輕易地修補(bǔ)。

2.4其他復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷與修理

PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)的其他復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中以風(fēng)扇機(jī)匣的防磨板和位于出口機(jī)匣內(nèi)側(cè)的整流板比較容易產(chǎn)生損傷。其中防磨板的耐磨性能很高，但其自身韌性不夠高，受到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)那強(qiáng)大的離心力影響，非常容易產(chǎn)生裂紋，在修理上也比較困難。

3. 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自主生產(chǎn)研發(fā)上進(jìn)展緩慢，因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修問(wèn)題在未來(lái)一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里仍會(huì)是技術(shù)重點(diǎn)，而其中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維修技術(shù)也會(huì)越來(lái)越重要。本文以PW4000型發(fā)動(dòng)機(jī)為例對(duì)相關(guān)維修技術(shù)進(jìn)行了分析與研究，希冀能為維修技師們提供一定的幫助，不只增長(zhǎng)其對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的維修經(jīng)驗(yàn)，更為國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)提供一定的理論參考。

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