赵洋洋博士答辩公告
答辩博士：赵洋洋 指导老师：卢文壮 教授 论文题目：塑性磨料气射流高效无损去除飞机 CFRP 蒙皮涂层研究 答辩委员会： 主席：袁军堂 教授/博导 南京理工大学
委员：秦国华 教授/博导 南昌航空大学
左敦稳 教授/博导 南京航空航天大学
朱永伟 教授/博导 南京航空航天大学
孙玉利 教授/博导 南京航空航天大学
徐 锋 教授/博导 南京航空航天大学
卢文壮 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：李志鹏 副教授/硕导 南京航空航天大学 答辩时间：2023 年 3 月 18 日 15:30 答辩地点：南航明故宫校区 A15-341
学位论文简介：
由于飞机飞行中受到空气摩擦、温度骤变、紫外线辐射、雨淋盐雾、沙砾、化学腐蚀、
设计缺陷（如弹射式火焰燃烧）、涂层老化等影响，飞机蒙皮表面的涂层会出现损坏，如涂
层开裂、起层、脱落和吸收剂变质，损坏的涂层需要及时维护才能正常发挥蒙皮涂层的功能，
同时确保新型战斗机隐身性能不受影响。飞机蒙皮涂层维护前需要对原有涂层先进行消褪处
理，而目前飞机蒙皮涂层维护中采用的化学除漆、激光烧蚀、手工打磨等方法不能适应于碳 纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）表面涂层的去除。针对 飞机 CFRP 蒙皮涂层去除需求，本文提出了塑性磨料气射流加工（Plastic Abrasives Air Jet Machining, PAAJM）对 CFRP 蒙皮涂层高效无损去除的新方法。论文采用理论和试验相结合，
从塑性磨料气射流中的颗粒运动、气射流预处理机理、气射流涂层去除机理、基材损伤控制、 磨料磨损与破损、涂层去除工艺等方面开展研究，为实现新一代飞机 CFRP 基材预处理和表 面涂层高效无损去除奠定技术基础。
主要研究工作：
（1）开展了塑性磨料气射流颗粒运动研究，建立了塑性磨料颗粒速度模型、射流发散
模型和冲蚀宽度模型，获得了喷嘴内的气体速度和颗粒速度、喷嘴外的射流发散和冲蚀宽度。 研究表明，喷嘴内的颗粒速度随气体压力增加而增加，在距离试验系统喷嘴出口 15dN 范围
内，塑性磨料的颗粒速度无明显下降。塑性磨料射流发散角随气体压力增加而减小，在距离 喷嘴 6.2dN 内塑性磨料射流呈现出线性发散，大于 6.2dN 时射流呈现“喇叭状”发散，小粒 度塑性磨料发散角大于较大粒度磨料的发散角。塑性磨料射流冲蚀光斑随冲蚀角减小由圆形
变为椭圆形，冲蚀宽度随气体压力和冲蚀距离的增加而增加。建立的模型为塑性磨料气射流 加工时颗粒速度、射流发散及冲蚀宽度的有效控制提供了方法。 （2）开展了塑性磨料气射流蒙皮预处理及涂层去除机理研究，建立了塑性磨料与工件 的相互作用模型、冲蚀应力模型和材料去除率模型，研究了塑性磨料气射流加工 CFRP 基材
预处理机理、涂层去除机理、冲蚀应力和材料去除率。研究表明，冲蚀应力随气体压力和磨 料粒度的增加而增加。CFRP 基材中的环氧树脂主要以滑擦、弹塑性变形、冲蚀疲劳和弹塑 性断裂等方式去除，塑性磨料对环氧树脂的冲蚀为半塑性冲蚀。发现冲蚀角度在 30°~70°时 涂层主要以微耕犁和微切削方式去除，在70°~90°时涂层主要以法向冲蚀和片层等方式去除， 塑性磨料对涂层的冲蚀为塑性冲蚀。建立的模型为 CFRP 基材预处理、涂层去除、冲蚀应力 和材料去除率提供了理论参考。 （3）开展了气射流去除基材表面损伤及其控制研究，研究了塑性磨料冲蚀 CFRP 基材
的纤维断裂、脱粘和涂层去除基材损伤，获得纤维断裂、脱粘和涂层去除的基材损伤临界条
件和控制条件。研究表明，随着气体压力、磨料粒度和冲蚀角度的增加，纤维断裂更易发生。 气体压力 0.20~0.40MPa，冲蚀角度 30°~80°，磨料粒度小于 30-40 目时，可有效避免纤维断 裂。随气体压力和磨料粒度的增加，冲蚀角度 30°~45°时纤维-基材脱粘更易发生。气体压 力 0.20~0.35MPa，冲蚀角度 45°~90°，磨料粒度小于 30-40 目时，可有效避免纤维-基材脱 粘。随气体压力和冲蚀角度的增加，涂层去除后基材损伤更易发生。当气体压力 0.20~ 0.35MPa，冲蚀角度 30°~80°，磨料 粒度小于 30-40 目时可有效避免涂层去除后 CFRP 基材损 伤。 （4）开展了气射流塑性磨料的磨损与破损研究，建立了颗粒破损模型和破损率模型，
研究了塑性磨料的破损机理，获得了磨料破损率，通过磨料染色研究了塑性磨料的磨损机理，
研究了磨料使用次数及对磨料加工能力的影响。研究表明，较大粒度磨料的破损机理为子午
断裂或局部破损，塑性磨料破损率随气体压力、冲蚀角度和磨料粒度的增加而增大；较小粒 度磨料的磨损机理为机械磨损。30-50 目粒度塑性磨料的耐用度强于 20-30 目，20-30 目塑性 磨料的使用寿命约为 15 次，40-50 目塑性磨料适合用于多次循环使用。 （5）开展了蒙皮预处理及涂层高效无损去除工艺研究，通过正交试验方法研究了塑性 磨料气射流加工 CFRP 基材的预处理和涂层去除，获得了塑性磨料气射流高效无损去除涂层 新工艺。研究表明，塑性磨料气射流加工方法更适合用于飞机 CFRP 蒙皮基材预处理，塑性 磨料气射流加工后的 CFRP 基体表面接触角相比手工打磨至少减小约 10°，塑性磨料气射流 加工表面自由能优于手工打磨表面自由能。获得了 CFRP 基材预处理表面粗糙度、润湿性和
附着力的最优工艺参数。通过控制工艺可以实现涂层选择性去除，最佳工艺参数为：
PA=0.35MPa，θ=70°，H=48mm，vN=6m/s，S=40-50 目。多喷嘴加工结果显示增加喷嘴数量 可大大提高塑性磨料气射流的加工效率，多喷嘴加工为飞机 CFRP 蒙皮涂层无损去除提供了 一种高效加工方案。
主要创新点：
（1）提出了飞机 CFRP 蒙皮基材预处理及蒙皮表面损伤涂层高效无损去除的塑性磨料
气射流加工新方法，解决了塑性磨料气射流加工中颗粒速度、射流发散角和冲蚀宽度控制问 题，实现了飞机 CFRP 蒙皮表面涂层的高效无损去除。 （2）建立了塑性磨料气射流加工中塑性磨料去除弹塑性涂层的冲蚀应力模型，解决了 塑性磨料气射流加工 CFRP 蒙皮涂层时基材损伤关键问题，实现了塑性磨料气射流去除涂层 时基材无损伤的加工参数合理选择。 （3）提出了采用提高塑性磨料气射流加工效率的多喷嘴加工方法，解决了多喷嘴加工 中冲蚀区域加工一致性问题，实现了飞机 CFRP 蒙皮表面涂层的高效均匀去除。 （4）提出了采用磨料染色揭示塑性磨料磨损与破损机理的方法，解决了塑性磨料磨损 与破损难以识别问题，实现了塑性磨料气射流加工中塑性磨料磨损检测。
