CN112522695B - 一种冷喷涂修复疲劳裂纹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷喷涂修复疲劳裂纹的方法，包括以下步骤：1)对飞机起落架梁进行预处理；2)在源区预置加强片；3)低压冷喷涂：参数为：喷涂原料为与飞机起落架梁的材质相同的铝合金粉末，喷涂移动速度为40mm/s，喷涂距离为30mm；4)打磨；5)清理。本发明提供基于源区强化的冷喷涂修复疲劳裂纹的方法，对疲劳裂纹的修复效果好。即通过源区预置加强片，一方面消除涂层与基体交接处楔形尖锐结构，降低应力集中，另一方面利用加强片强度较高、表面完整性受控的特性，提高冷喷补强结构整体裂纹萌生寿命，从而显著提升飞机起落架梁补强后的疲劳性能以及疲劳寿命，满足修复要求。

Description

一种冷喷涂修复疲劳裂纹的方法

技术领域

本发明属于疲劳裂纹修复技术领域，具体涉及一种冷喷涂修复疲劳裂纹的方法。

背景技术

飞机起落架梁用于连接主起落架，主要传递主起落架的载荷，是机体结构的主承力构件，一旦破坏将直接危及飞行安全。对于结构件的裂纹，常规的修理方式是拆卸结构件修理后再焊接，或采用加强角盒钻孔装配的方式加强。但是飞机起落架梁不易从飞机起落架上分解拆卸，无法实施拆卸焊接修复，而且飞机起落架梁作为主承力构件，若采用角盒钻孔装配会显著降低其耐疲劳性能。

某型号飞机在大修时发现材质为铝合金的起落架梁出现疲劳裂纹，经前期研究论证，决定采用冷喷涂技术进行增材延寿修复。2017年12月到2018年8月，在引进冷喷涂原型技术基础上，自主设计开发出移动冷喷车，完成1.0版本冷喷涂修复工艺研究，并对现场的一架飞机进行试修。2018年8月，首批出厂飞机在专项检查中发现，起落架梁上用于补强的喷涂块出现较长裂纹，原定至少承受180个实验起落的试件寿命标准对外场飞机延寿效果未达到预期。为此，通过试验、检测，对喷涂块裂纹萌生早、扩展速度快的原因进行分析，探索工艺改进方法。从而对冷喷涂修复飞机起落架梁的疲劳裂纹工艺进行进一步改进，提出基于源区强化的冷喷涂方法，有效提升疲劳裂纹件补强后的疲劳寿命，以满足修复要求。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种冷喷涂修复疲劳裂纹的方法，解决现有的冷喷涂修复疲劳裂纹的效果不佳，不能有效提升疲劳裂纹件补强后的疲劳寿命，无法满足修复要求的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种冷喷涂修复疲劳裂纹的方法，包括以下步骤：

1)对飞机起落架梁进行预处理；

2)在源区预置加强片；

3)低压冷喷涂：参数为：喷涂原料为与飞机起落架梁的材质相同的铝合金粉末，喷涂移动速度为40mm/s，喷涂距离为30mm；

4)打磨；

5)清理。

本发明的有益效果是：本发明提供基于源区强化的冷喷涂修复疲劳裂纹的方法，对疲劳裂纹的修复效果好。即通过源区预置加强片，一方面消除涂层与基体交接处楔形尖锐结构，降低应力集中，另一方面利用加强片强度较高、表面完整性受控的特性，提高冷喷补强结构整体裂纹萌生寿命，从而显著提升飞机起落架梁补强后的疲劳性能以及疲劳寿命，满足修复要求。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤3)中，喷涂工作气体为空气，喷涂工作压力为5-8个大气压；步骤4)中，打磨后的涂层厚度为5-10mm。

进一步，步骤3)中，利用微分沉积原理，在喷涂时优化路径，以避免尖边生长带来的屏蔽效应，从而有效避免空洞缺陷的形成。

进一步，步骤2)中，加强片与飞机起落架梁固定连接；步骤3)中，冷喷涂制备的涂层与加强片结合紧密。

进一步，步骤2)中，加强片与飞机起落架梁可拆卸连接；步骤3)中，冷喷涂制备涂层完成后，取下加强片。

进一步，步骤1)具体包括：对飞机起落架梁依次进行清洗、防护贴膜以及喷砂处理。

进一步，清洗：用蘸有丙酮的不掉毛的白布擦除飞机起落架梁表面的油污；防护贴膜：用胶带粘贴非喷涂区域并压实；喷砂：喷砂完成后，用粗糙度对比样块对比观察喷砂区域，以确认喷砂效果是否满足要求，并用压缩空气吹净喷砂区域表面。

进一步，喷砂作业后2小时内进行喷涂作业。

进一步，步骤4)具体包括：a.打磨前测量涂层的最低厚度；b.用气动打磨工具先粗磨涂层，再精磨涂层至目标厚度+0.1mm的厚度；c.先用气动打磨工具抛光涂层至目标粗糙度，再用砂纸手动打磨边角整形、抛光。

进一步，步骤5)具体包括：a.用吸尘装置清理杂质与粉尘；b.用蘸有丙酮的不掉毛的白布擦洗非屏蔽区域；c.剥离屏蔽用的胶带；d.清点工具，整理记录。

采用上述进一步方案的有益效果是：

(1)利用微分沉积原理，在喷涂时优化路径，以避免尖边生长带来的屏蔽效应，从而有效避免空洞缺陷的形成，进一步提高冷喷涂修复疲劳裂纹的效果，提升飞机起落架梁补强后的疲劳性能以及疲劳寿命。

(2)带加强片的喷涂方案：加强片成为强化体的一部分，留在飞机上，进一步提高飞机起落架梁补强后的疲劳强度及疲劳寿命。

(3)去除加强片的喷涂方案：冷喷涂制备涂层完成后，取下加强片，以保证飞机起落架梁补强后的疲劳强度及疲劳寿命的同时，显著降低控制多余物方面的风险。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语中“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型结构。对于本领域的普通技术人员，可以根据具体情况理解该类术语在本专利中的具体含义。

如背景技术中的介绍，发明人通过大量的试验和检测，对喷涂块裂纹萌生早、扩展速度快的原因进行分析。发明人检测了多个铝合金材质的疲劳试件断口，分析疲劳断口特征和疲劳寿命的联系；配合多组试件，研究疲劳裂纹扩展速率；分析原材料表征、国内外喷涂样件围观结构表征，进而探索工艺改进方法。

发明人发现冷喷涂涂层总体棱线走向平行于试件表面，其中分布大量随机走向棱线，以及韧窝状断面说明涂层具有一定的韧性，颗粒间类似解理断面，以及内部扁平空洞结构，说明涂层颗粒间界面剥离强度较弱。也就是说，涂层颗粒间较弱的结合力可能是涂层宏观裂纹扩展速率过快的主要原因。

发明人结合疲劳试验可知，涂层裂纹萌生寿命与裂纹源形貌有较直接的联系。线源裂纹疲劳寿命远高于点源裂纹，该现象与源区应力集中状态相关。

基于上述问题，发明人对冷喷涂修复飞机起落架梁的疲劳裂纹工艺进行进一步改进，设计了本技术方案。即基于源区强化的冷喷涂修复疲劳裂纹的方法，有效提升疲劳裂纹件补强后的疲劳寿命。

本发明所述一种冷喷涂修复疲劳裂纹的方法，包括以下步骤：

1)对飞机起落架梁进行预处理；

2)在源区预置加强片；

3)低压冷喷涂：参数为：喷涂原料为与飞机起落架梁的材质相同的铝合金粉末，喷涂移动速度为40mm/s，喷涂距离为30mm，能够降低涂层的孔隙率，提高沉积率和涂层质量；

4)打磨：a.打磨前测量涂层的最低厚度；b.用气动打磨工具先粗磨涂层，再精磨涂层至目标厚度+0.1mm的厚度；c.先用气动打磨工具抛光涂层至目标粗糙度，再用砂纸手动打磨边角整形、抛光；

5)清理。

本发明提供基于源区强化的冷喷涂修复疲劳裂纹的方法，对疲劳裂纹的修复效果好。即通过源区预置加强片，一方面消除涂层与基体交接处楔形尖锐结构，降低应力集中，另一方面利用加强片强度较高、表面完整性受控的特性，提高冷喷补强结构整体裂纹萌生寿命，从而显著提升飞机起落架梁补强后的疲劳性能以及疲劳寿命，满足修复要求。

优选的，步骤3)中，低压冷喷涂采用OPSC(俄罗斯)生产的型号为Dymet的冷喷涂设备。喷涂工作气体为空气，喷涂工作压力为5-8个大气压。相对于高压冷喷涂的15个大气压以上的要求，低压冷喷涂设备基本无工况要求，噪音小于60分贝。它无高温、无火焰、无危险气体、无辐射和化学废料，可独手操作，安全性高，且定向性极好。在不使用模具的情况下喷涂面积可小于高压冷喷涂，即其可操作性性更好。

优选的，步骤4)中，打磨后的涂层厚度为5-10mm。

优选的，步骤1)具体包括：对飞机起落架梁依次进行清洗、防护贴膜以及喷砂处理。以使飞机起落架梁的表面获得一定的清洁度和粗糙度，使其表面的机械性能得到改善，因此提高了飞机起落架梁的抗疲劳性，增加其与涂层之间的附着力，显著延长所述涂层的耐久性，进而提高飞机起落架梁补强后的疲劳强度及疲劳寿命。

其中，清洗：用蘸有丙酮的不掉毛的白布擦除飞机起落架梁表面的油污。

防护贴膜：用胶带粘贴非喷涂区域并压实，目视检查有无翘起或未贴合牢固的部位，用刀片切掉多余部分。

喷砂：(1)喷砂前：a.对比本次使用砂砾是否与合格砂砾样品外观匹配，并检查砂砾中是否有外来污染物；b.检查砂砾是否需要更换，更换周期优选为2个试件或2个飞机起落架梁，并在喷砂机使用记录本上记录；c.检查喷砂机内部的滤芯是否污染，检查周期优选为4个试件或3个飞机起落架梁，滤芯更换周期优选为3个月，并在喷砂机使用记录表上记录；d.做好屏蔽，以防漏砂；

(2)喷砂参数：根据试件或飞机起落架梁的材质(即铝合金)、疲劳裂纹的形状及大小等因素确认喷砂砂砾种类及目数、喷砂设备压力设置、喷枪距离、喷枪角度，此为现有技术，在此不做赘述；

(3)喷砂完成后，用粗糙度对比样块对比观察喷砂区域，以确认喷砂效果是否满足要求，并用压缩空气吹净喷砂区域表面。

本发明所述喷砂优选采用真空喷砂回收设备，现场不留任何粉尘及废砂粒，及时被真空吸走，大大提高了环境保护的可靠性，减少人工回收废砂的劳动成本。

本发明所述喷砂作业后2小时内进行喷涂作业，否则需重新喷砂。

一般情况下，冷喷涂一经开始，应按规定程序连续作业直至完成，不允许中断。如出现突发情况/非计划中止作业超过4小时的，则需重新评估，认可后方能继续施工。

优选的，步骤4)中，打磨时，应保证打磨机平行于试件样块或飞机起落架梁的平面，并及时清理打磨下的碎屑，以免伤及材料基体。

优选的，步骤5)具体包括：a.用吸尘装置清理杂质与粉尘；b.用蘸有丙酮的不掉毛的白布擦洗非屏蔽区域；c.剥离屏蔽用的胶带；d.清点工具，整理记录。

实施例1

采用上述基于源区强化的冷喷涂修复疲劳裂纹的方法制备疲劳试件。其中，步骤2)中，加强片与飞机起落架梁固定连接；步骤3)中，冷喷涂制备的涂层与加强片结合紧密；步骤4)中，打磨后的涂层厚度为7mm。

本实施例采用带加强片的喷涂方案：加强片成为强化体的一部分，留在飞机上，进一步提高飞机起落架梁补强后的疲劳强度及疲劳寿命。

实施例2

采用上述基于源区强化的冷喷涂修复疲劳裂纹的方法制备疲劳试件。其中，步骤2)中，加强片与飞机起落架梁可拆卸连接；步骤3)中，冷喷涂制备涂层完成后，取下加强片；其余的技术方案以及工艺参数与实施例1相同。

本实施例采用去除加强片的喷涂方案：冷喷涂制备涂层完成后，取下加强片，以保证飞机起落架梁补强后的疲劳强度及疲劳寿命的同时，显著降低控制多余物方面的风险。需要说明的是，这里主要是考虑到飞机基本形状的复杂性和工况的复杂性。

采用上述基于源区强化的冷喷涂修复疲劳裂纹的方法制备疲劳试件的过程中，发明人发现在靠近加强片的区域会形成狭长的空洞缺陷。发明人对空洞形成的原因进行分析，认为由于冷喷涂成型特点，在涂层边沿生长较快，对垂直的另一边形成屏蔽，从而造成空洞缺陷。基于这一分析，发明人利用微分沉积原理，在喷涂时优化路径，避免了尖边生长带来的屏蔽效应，从而有效避免了空洞缺陷的形成。

基于微分沉积的喷涂方案，在后续的试件喷涂中得到验证，避免了直角区域空洞缺陷的产生，从而进一步提高冷喷涂修复疲劳裂纹的效果，提升飞机起落架梁补强后的疲劳性能以及疲劳寿命。

实施例3

本实施例制备疲劳试件：利用微分沉积原理，在喷涂时优化路径，避免了尖边生长带来的屏蔽效应，从而有效避免了空洞缺陷的形成；其余的技术方案以及工艺参数与实施例1相同。

实施例4

本实施例制备疲劳试件：利用微分沉积原理，在喷涂时优化路径，避免了尖边生长带来的屏蔽效应，从而有效避免了空洞缺陷的形成；其余的技术方案以及工艺参数与实施例2相同。

对比例1

本对比例1采用现有冷喷涂修复疲劳裂纹的方法制备疲劳试件。

实施例1-4均为本发明的实施例，对比例1是现有技术且为本发明的对比例，并分别对实施例1-4和对比例1制备的疲劳试件进行疲劳试验，试验结果见下表1。

表1

参见表1，根据对实施例1-4和对比例1测试数据的分析可知，实施例2在疲劳性能方面的技术效果是4组实施例中最差的。然而，通过对实施例2和对比例1的测试数据对比可知，实施例2的技术方案在疲劳性能方面明显优于对比例1。因此，可以确定本发明技术方案具有明显优于对比例1的技术效果，本发明优选方案的技术效果更佳。采用本发明技术方案制备的疲劳试件的疲劳性能有显著的提升，即疲劳寿命全部超过5000个实验起落且涂层无裂纹，此外，通过对实施例2制备的疲劳试件进行补充试验，其断裂寿命达到5458个实验起落，且断裂位置位于试件基材无喷涂处，证明通过本发明技术方案补强修复后，试件的裂纹处疲劳强度已超过基体水平，能够有效解决现有技术中存在的技术问题。

本发明中未对具体结构做出描述的机构、组件和部件均为现有技术中已经存在的现有结构。可以从市面上直接购买得到。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷喷涂修复疲劳裂纹的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对飞机起落架梁进行预处理；

2)在源区预置加强片；

3)低压冷喷涂：参数为：喷涂原料为与飞机起落架梁的材质相同的铝合金粉末，喷涂移动速度为40mm/s，喷涂距离为30mm；

4)打磨；

5)清理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，喷涂工作气体为空气，喷涂工作压力为5-8个大气压；步骤4)中，打磨后的涂层厚度为5-10mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，利用微分沉积原理，在喷涂时优化路径，以避免尖边生长带来的屏蔽效应，从而有效避免空洞缺陷的形成。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，加强片与飞机起落架梁固定连接；步骤3)中，冷喷涂制备的涂层与加强片结合紧密。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，加强片与飞机起落架梁可拆卸连接；步骤3)中，冷喷涂制备涂层完成后，取下加强片。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)具体包括：对飞机起落架梁依次进行清洗、防护贴膜以及喷砂处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，清洗：用蘸有丙酮的不掉毛的白布擦除飞机起落架梁表面的油污；防护贴膜：用胶带粘贴非喷涂区域并压实；喷砂：喷砂完成后，用粗糙度对比样块对比观察喷砂区域，以确认喷砂效果是否满足要求，并用压缩空气吹净喷砂区域表面。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，喷砂作业后2小时内进行喷涂作业。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)具体包括：a.打磨前测量涂层的最低厚度；b.用气动打磨工具先粗磨涂层，再精磨涂层至目标厚度+0.1mm的厚度；c.先用气动打磨工具抛光涂层至目标粗糙度，再用砂纸手动打磨边角整形、抛光。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤5)具体包括：a.用吸尘装置清理杂质与粉尘；b.用蘸有丙酮的不掉毛的白布擦洗非屏蔽区域；c.剥离屏蔽用的胶带；d.清点工具，整理记录。