本發(fā)明涉及復(fù)合材料損傷修復(fù)，具體涉及一種面向航空等高端裝備、適用于原位高效修復(fù)的熱固性碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料（cfrp）的激光修復(fù)方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、熱固性碳纖維復(fù)合材料因高強(qiáng)度、高模量及輕量化等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、新能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，這些構(gòu)件在制造、運(yùn)輸及服役過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生如沖擊損傷、分層、裂紋、孔洞等多種形式的缺陷。須對(duì)這些損傷進(jìn)行及時(shí)、可靠的修復(fù)。
2、目前，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的常規(guī)挖補(bǔ)修復(fù)法主要步驟有:1)損傷區(qū)域機(jī)械加工預(yù)處理;2)手工纖維樹(shù)脂鋪層抹膠;3)纖維樹(shù)脂加熱固化;4)表面涂層。復(fù)合材料挖補(bǔ)方法需要利用機(jī)械刀具(鉆/銑/磨)去除葉片損傷區(qū)域。復(fù)合材料機(jī)械加工帶來(lái)不必要的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力,人工操作的不穩(wěn)定性可能產(chǎn)生難以觀察到的隱藏的缺陷和材料分層破壞，打磨產(chǎn)生的大量粉塵危害操作人員的健康，造成空氣污染，碳纖維導(dǎo)致機(jī)加刀具損耗大。手工涂膠層層鋪貼纖維布后熱補(bǔ)儀固化的修補(bǔ)方式耗費(fèi)大量時(shí)間，需要逐層測(cè)量尺寸，手工剪裁纖維布，每塊纖維布涂膠后鋪貼，操作熱補(bǔ)儀加熱將膠水或熱固性樹(shù)脂固化，單個(gè)損傷修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)以上，并且無(wú)自動(dòng)化加工的可能性。現(xiàn)有修復(fù)技術(shù)難以適配高精度、高效率、低損傷、綠色環(huán)保的需求。
3、激光加工技術(shù)具備非接觸、無(wú)輔助支撐、高智能化等優(yōu)勢(shì)，成為復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的重要發(fā)展方向。特別是皮秒、飛秒等超快激光憑借“冷燒蝕”效應(yīng)，可將熱影響區(qū)寬度控制在百微米級(jí)以下，有效規(guī)避傳統(tǒng)激光加工導(dǎo)致的材料分層、樹(shù)脂碳化等問(wèn)題，為低損傷去除損傷區(qū)域提供了技術(shù)可能。同時(shí)，激光輔助鋪絲/鋪帶技術(shù)（laser-assisted?tape?laying,latp）作為一種先進(jìn)的增材制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的層層堆疊，并且熱塑性復(fù)合材料在成形后無(wú)需進(jìn)行后處理。
4、然而，現(xiàn)有激光修復(fù)技術(shù)仍存在關(guān)鍵問(wèn)題：工藝對(duì)激光參數(shù)（單脈沖能量、光斑重疊率等）控制不足，導(dǎo)致熱影響區(qū)過(guò)大，易損傷基材；熱固性復(fù)合材料固化后形成不溶不熔的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)，無(wú)法再度軟化或流動(dòng)，溫度過(guò)高，則分解或碳化。與熱塑性材料間存在界面無(wú)法相容、結(jié)合強(qiáng)度不足的天然缺陷，現(xiàn)有技術(shù)材料適配范圍窄，缺乏表面微結(jié)構(gòu)與碳纖維基材的協(xié)同設(shè)計(jì)，且微槽尺寸無(wú)精準(zhǔn)計(jì)算方法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高性能熱塑性復(fù)合材料對(duì)熱固性復(fù)合材料的可靠修復(fù)；此外，現(xiàn)有修復(fù)工藝缺乏量化參數(shù)與層間二次強(qiáng)化方案，難以兼顧修復(fù)效率、結(jié)構(gòu)完整性與安全性，無(wú)法滿足航空裝備對(duì)修復(fù)精度與服役可靠性的嚴(yán)苛要求。
5、專(zhuān)利文獻(xiàn)cn104384719b公開(kāi)了一種紅外納秒激光去除碳纖維復(fù)合材料受損區(qū)的方法，但納秒激光所產(chǎn)生的熱效應(yīng)足以對(duì)復(fù)材的熱固性樹(shù)脂基體產(chǎn)生熱損傷。專(zhuān)利文獻(xiàn)cn113441344a公開(kāi)了一種向受損區(qū)域注射樹(shù)脂進(jìn)行修復(fù)的方法，但該方法仍需要將被修復(fù)復(fù)合材料放入烘箱加熱使樹(shù)脂固化。cn116330652a和cn117004061a均公開(kāi)了將熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)合的3d打印方法，但其所使用的熱固性樹(shù)脂均為未固化狀態(tài)，兩種材料混合后仍需要放入加熱設(shè)備進(jìn)行高溫固化反應(yīng)，并且未提及不同樹(shù)脂間界面結(jié)合的方法。特別是在大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無(wú)法拆卸，只能在外場(chǎng)原位搶修的場(chǎng)景下，現(xiàn)有專(zhuān)利均無(wú)法滿足需求。
6、因此，提供一種可去除熱固性碳纖維復(fù)合材料的損傷并且修補(bǔ)后無(wú)需進(jìn)行后處理的方法對(duì)于大型復(fù)合材料裝備的原位快速修復(fù)具有關(guān)鍵意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中熱固性碳纖維復(fù)合材料受損后機(jī)械加工易導(dǎo)致二次損傷，手工鋪貼效率低、固化時(shí)間長(zhǎng)，異質(zhì)樹(shù)脂界面結(jié)合差的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種熱固性碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的激光修復(fù)方法及系統(tǒng)，該方法通過(guò)超快激光精準(zhǔn)去除損傷—微結(jié)構(gòu)界面強(qiáng)化—熱塑性材料增材填充三位一體的技術(shù)路徑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)已固化熱固性cfrp構(gòu)件高效、高質(zhì)、無(wú)后處理的原位修復(fù)，滿足碳纖維復(fù)合材料大型裝備快速搶修與長(zhǎng)效維保需求。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
3、一種熱固性碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的激光修復(fù)方法，其特點(diǎn)在于，包括以下步驟：
4、步驟一.損傷區(qū)域激光去除與修復(fù)區(qū)成形：采用超快激光對(duì)損傷區(qū)域進(jìn)行非接觸式去除，形成具有預(yù)設(shè)深度的凹陷修復(fù)區(qū)域；
5、步驟二.界面增強(qiáng)微槽激光刻蝕：在所述凹陷修復(fù)區(qū)域及周邊搭接區(qū)域，采用超快激光沿所述碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料表層碳纖維鋪層方向刻蝕，形成微槽陣列，其中，每個(gè)微槽的深度d滿足關(guān)系：d=5＋0.656×[(tlaser＋tmelt)×mfr]0.4，其中，tmelt為熱塑膜的熔融溫度，tlaser為激光加熱溫度，且tlaser＜tdecomp－0.2x（tdecomp?-tmelt），tdecomp為所述碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的降解溫度，mfr為所述熱塑膜在300℃、5kg載荷條件下的熔體流動(dòng)速率，單位g/10min；所述微槽的寬度w與深度d關(guān)系滿足：0.5≤w/d≤5；
6、步驟三.界面過(guò)渡層制備:在刻蝕有所述微槽陣列的表面鋪設(shè)熱塑膜，隨后通過(guò)激光照射配合施加壓力，使所述熱塑膜熔融并滲透入所述微槽，冷卻固化后，形成界面過(guò)渡層；
7、步驟四.修復(fù)體激光增材成形：采用連續(xù)激光鋪放系統(tǒng)，將預(yù)浸帶逐層鋪覆于所述界面過(guò)渡層之上，每層鋪放過(guò)程中施加壓力，直至所述損傷區(qū)域被完全填平或形成與原構(gòu)件表面輪廓一致的修復(fù)形貌。
8、進(jìn)一步，所述超快激光為脈沖寬度≤15ps的皮秒激光或飛秒激光，單脈沖能量為50-500μj，光斑重疊率30-90%，加工進(jìn)給量0.02-0.2mm，熱影響區(qū)寬度小于50μm。
9、進(jìn)一步，所述步驟一.中針對(duì)淺表?yè)p傷區(qū)域，直接激光銑削形成規(guī)則凹陷修復(fù)區(qū)；
10、針對(duì)中深層損傷區(qū)域，先激光去除損傷核心區(qū)，再對(duì)周邊基材進(jìn)行階梯狀臺(tái)階銑削，臺(tái)階層數(shù)根據(jù)所述修復(fù)區(qū)域的深度設(shè)計(jì)，遵循每層層高對(duì)應(yīng)所述預(yù)浸帶鋪放厚度的整數(shù)倍，且所述修復(fù)區(qū)域的深度不小于所述損傷區(qū)域的深度的1.2倍。
11、進(jìn)一步，相鄰臺(tái)階的高度差0.1–0.5mm，每層臺(tái)階的寬度差12.5–60mm。
12、進(jìn)一步，所述步驟三中，所述熱塑膜的厚度為0.04-0.2mm，為pps、pet、paek、pa、pei、pc高性能工程塑料；鋪設(shè)范圍延伸至所述修復(fù)區(qū)域外15-60mm。
13、進(jìn)一步，所述步驟三中激光照射配合施加壓力實(shí)現(xiàn)熔融滲透，具體采用以下兩種方式任一種：
14、激光照射與輥壓同步工藝，其中，激光能量密度為0.2–10?w/mm2，輥壓速度為0.3–5?m/min，輥壓壓力為0.1–4?mpa，且激光光斑寬度不小于輥壓輪寬度；
15、激光照射與固定壓實(shí)工藝，其中，激光能量密度為0.2–10?w/mm2，且照射時(shí)間為1–5s，壓力為0.1–4?mpa，激光光斑長(zhǎng)度和寬度不小于壓實(shí)塊的長(zhǎng)度和寬度。
16、進(jìn)一步，所述步驟四中預(yù)浸帶的樹(shù)脂基體為paek、peek、pps、pa或pp，樹(shù)脂體積分?jǐn)?shù)30%-60%，單帶寬度7.5-60mm，厚度0.1-0.5mm。
17、進(jìn)一步，所述步驟四中激光鋪放參數(shù)為：能量密度0.2-10w/mm2，鋪放壓力0.2-4mpa。
18、進(jìn)一步，所述熱塑膜預(yù)先通過(guò)熱壓工藝復(fù)合于所述預(yù)浸帶的底面，使得在執(zhí)行步驟四的首層鋪放時(shí)同步完成界面過(guò)渡層的形成與首層修復(fù)材料的沉積，從而省略步驟三。
19、進(jìn)一步，所述熱塑膜的材質(zhì)與所述預(yù)浸帶的樹(shù)脂基體相容或相同，且所述熱塑膜的厚度為0.04-0.2mm。
20、另一方面，本發(fā)明還提供一種激光修復(fù)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，用于實(shí)施上述方法，所述系統(tǒng)至少包括：
21、超快激光加工單元，配置有皮秒或飛秒激光器，用于執(zhí)行損傷去除、臺(tái)階成形及微槽刻蝕；
22、激光輔助鋪放單元，配置有大光斑連續(xù)激光器、鋪放頭及壓實(shí)機(jī)構(gòu)，用于執(zhí)行熱塑膜的結(jié)合壓實(shí)及熱塑性預(yù)浸帶的鋪放；
23、運(yùn)動(dòng)控制與定位單元，用于協(xié)調(diào)控制所述超快激光加工單元和所述激光輔助鋪放單元在待修復(fù)工件上的運(yùn)動(dòng)軌跡；
24、其中，所述壓實(shí)機(jī)構(gòu)包括用于輥壓工藝的輥壓輪和/或用于固定壓實(shí)工藝的激光透射壓塊。
25、本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：
26、采用皮秒/飛秒超快激光實(shí)現(xiàn)損傷去除與微槽刻蝕，控制單脈沖能量、光斑重疊率等參數(shù)，熱影響區(qū)寬度≤30μm，遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)激光去除工藝；階梯臺(tái)階及微槽成型精度可控，微槽方向與表層碳纖維一致，進(jìn)一步優(yōu)化力學(xué)性能，修復(fù)后構(gòu)件表面平整度誤差控制在0.1mm以?xún)?nèi)。
27、通過(guò)激光刻蝕微槽、高性能熱塑膜過(guò)渡和機(jī)械錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的共同作用，解決熱固性與熱塑性材料界面難以結(jié)合的問(wèn)題，結(jié)合后界面剪切強(qiáng)度可達(dá)15mpa以上，較無(wú)預(yù)處理工藝提升30倍以上。
28、全激光修復(fù)方式無(wú)需復(fù)雜輔助工裝，激光加工工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，配合每層預(yù)浸帶垂直方向二次掃描輥壓，確保層間結(jié)合緊密，修復(fù)周期壓縮至3小時(shí)內(nèi)，相較于傳統(tǒng)手工修復(fù)效率提升80%以上，適配航空裝備外場(chǎng)快速搶修需求。
29、修復(fù)用材料涵蓋paek、peek、pps等多種高性能體系，具備優(yōu)異的抗疲勞、耐腐蝕及可重復(fù)加工性，配合精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的微槽結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)，修復(fù)后構(gòu)件力學(xué)性能恢復(fù)率可達(dá)原基材的80%以上，使用壽命與原構(gòu)件基本一致；可適配不同損傷類(lèi)型（裂紋、孔洞、分層等）、不同復(fù)雜曲面的熱固性碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件，兼顧軍民用航空裝備原位修復(fù)需求。