民用飞机钛合金蒙皮成型表面缺陷的工程处置研究

孙竞伟

【摘 要】钛合金蒙皮成型表面缺陷是民用飞机制造过程中的常见偏离问题。本文研究了某民机的钛合金蒙皮成型技术特性，梳理了结构修理中钛合金蒙皮成型表面缺陷问题的分析思路和处置方法，提出了民用飞机钛合金蒙皮成型表面缺陷问题的工程处置流程。以某民机APU舱门钛合金内蒙皮成型表面缺陷问题为例，说明了该分析研究在结构修理有一定的工程指导意义。

【关键词】钛合金蒙皮；成型表面缺陷；工程处置

蒙皮是民机结构的主要组成部分。蒙皮形成飞机外形，飞机在承受空气动力作用后，通过蒙皮将作用力传递到机身骨架上。因此，对于蒙皮而言，不仅要求蒙皮具有较好的强度和塑性，还要求蒙皮表面光滑，满足气动要求。

钛合金同其他结构金属相比，具有比强度高和耐腐蚀性能好两个显著优点，被广泛应用于现代飞机制造业中。但钛合金机械加工困难，成本比较高，在生产制造过程中表面容易产生划伤、擦伤、刻痕、碰伤、磕伤等损伤情况，对其性能产生一定影响。

本文在对民机钛合金蒙皮特性进行了一定研究，并在此基础上提出了钛合金蒙皮表面损伤问题处置流程，并将该流程应用到某民机APU舱门钛合金内蒙皮成型表面缺陷问题的工程处置之中。

1 钛合金蒙皮成型的主要特性

在国内，机身蒙皮应用较为广泛的材料有铝合金、复合材料、钛合金、不锈钢等。随着我国航空工业的不断发展，钛合金材料在飞机结构上的应用不断增多，尤其是用于飞机蒙皮材料，相对于传统铝合金材料，钛合金能收到大幅度减轻飞机重量的效果，而减轻重量又可以提高飞机飞行性能，从而降低民用飞机的运营成本。另外，当接触表面温度普遍高于200℃是，铝蒙皮已经不再适用，需要用钛合金取代。

蒙皮的表面成型效果对其结构、气动性能以及飞机外观和使用寿命有很大影响。钛合金薄板件在成型过程中对模具的表面质量和周围环境有很高的要求，因此，必须对结构进行适当的保护和检查，防止结构产生表面损伤问题。

我国的钛合金生产和应用中，Ti-6Al-4V占主要地位，由于受到制造技术的限制，钛合金蒙皮在航空工业中的应用任然存在阻碍。Ti-6Al-4V合金板材具有一定的冲压工艺性能，可以再加热状态下形成各种形状的零件，但对于薄板曲面零件而言，容易由于不均匀冷却产生翘曲和残余应力。若对钛合金蒙皮成型过程中产生的表面缺陷不能妥善处理，则零件该零件的强度、外观和功能都会受到影响。

本文中所涉及的APU舱门内蒙皮是作为直接与APU舱内高温区域接触的防火材料，因此其选用材料为Ti-6Al-4V。由于APU舱门内表面外形为曲面，因此选用拉伸成型的方法对其外形进行加工。在加工过程中，由于模具表面粗糙度和周围环境质量问题，以及加工工艺参数不成熟等问题，使得该钛合金蒙皮在成型后表边出现点蚀、橘皮和波纹度超差等缺陷。

2 表面损伤处置流程

在了解钛合金蒙皮表面成型特性的基础上，可以对钛合金蒙皮成型表面缺陷问题的特点和结构修理方法进行分析和研究，总结该类问题处置的一般流程，见图1。

对于钛合金蒙皮成型表面缺陷问题，首先要判断该缺陷是何种类型的缺陷，一般的缺陷类型有三种，即凹坑、凹陷和波纹度超差。

波纹度超差这类缺陷，首先根据超差所处区域判断该处超差是否能满足功能性要求，如果对飞机的气动外形影响可接受且满足功能性需求的前提下，则认为该波纹度超差的缺陷可以接受。如果不能满足功能性要求或者对飞机的气动外形影响不可接受，则需要对波纹度超差区域进行校形。

凹坑和凹陷这两种类型的缺陷，首先应判断该缺陷处蒙皮是否已经产生裂纹，如果没有产生裂纹则对缺陷处进行打磨，打磨范围和打磨半径需满足工艺文件要求，并在打磨后按原图纸要求进行表面保护。

对于的三种缺陷情况，若是在检测过程中发现缺陷处出现裂纹，则必须去除蒙皮上裂纹区域，并对其进行后续修理以及强度校核。若不满足强度要求，则需要对修理区域进行强度补强处理，如用加强板对该缺陷区域进行加强等。补强后再次进行强度校核，以及补充气动校核，并对气动校核不满足的区域进行填平处理，直到满足强度和气动要求为止。最后再对修理后的表面按工程需要进行表面保护。

3 应用案例

某民机APU舱门钛合金内蒙皮表面存在多条波纹，波峰波谷最大深度0.3mm，且在非波纹区域有两处凹坑，深度0.2mm，一处凸起，高度0.2mm，材料厚度无减薄，缺陷情况如图2所示。通过工程分析，缺陷产生的主要原因为该钛合金蒙皮在制造过程中由于加工工艺不成熟导致。通过对该区域的结构和功能特点分析，结合问题产生的原因，明确了如下结构修理方案。

首先对波纹度不满足要求的区域进行校形，以减小波纹度缺陷，并对凹坑和凸起处进行打磨，打磨范围包括打磨长度、打磨宽度和打磨深度，打磨范围要覆盖碰伤区域。校形及打磨后，对校形区域、凹坑区域和凸起区域分别进行裂纹检查，通过检测报告发现，缺陷区域并没有出现裂纹。然后对缺陷区域进行强度評估，打磨深度占零件总厚度的百分比较小，对强度的影响可接受。最后再对工程处置后的蒙皮外形进行气动性能评估，由于该钛合金蒙皮应用于飞机的内表面，对飞机的气动性能无影响，故可以判定可以使用因此，经过一系列分析评估，可以使用校形和打磨的方案对该损伤问题进行工程处置。

4 结语

表面损伤问题是民用飞机蒙皮的典型制造偏离之一。本文在探讨钛合金蒙皮成型表面特性的基础上，通过一系列的分析，总结归纳了民用飞机钛合金蒙皮成型表面缺陷问题在结构修理中的一般处置方法，提出了民用飞机钛合金蒙皮成型表面缺陷问题处置流程。在实际的工程处置过程中，该分析研究可以为钛合金蒙皮成型表面缺陷问题处置提供清晰的思路和方法，提高该类结构制造偏离的处置效率。

【参考文献】

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[责任编辑：朱丽娜]endprint