CN103818053A - 复合结构的模内金属化 - Google Patents

Abstract

在复合制品（150）上形成表面涂层（256）的方法，可包括向工具（300）的工具表面（302）施加热喷涂（206，236），其方式使得表面涂层（256）形成，该表面涂层与工具表面（302）具有可剥离的结合（226）。方法可进一步包括在表面涂层（256）上施加复合材料（156），固化复合材料（156），以形成固化的复合制品（150），和从工具（300）移除固化的复合制品（150），其方式是从工具表面（302）剥离表面涂层（256），并使表面涂层（256）保留于固化的复合制品（150）。

Description

复合结构的模内金属化

发明领域

本公开总体上涉及金属涂层，更具体地，涉及向复合制品施加表面涂层的系统和方法。

发明背景

复合结构被用于多种应用。在飞机构造中，复合材料越来越多地用于形成机身、机翼和飞机其他组件。在飞机的工作寿命期间，机翼暴露于多种环境作用。例如，在飞行期间飞机高速向前移动时，机翼前缘可遭受雨水和其他形式的水分的冲击。此外，包含机翼的飞机可遭受雷击。

保护复合前缘免受雨水冲击的常规方法包括在前缘上紧固保护性金属带。不幸地，金属带与复合机翼的联接是耗时且耗力的过程，需要大量机械紧固件。大量紧固件可增加飞机总重量。此外，可需要特殊化工具处理（tooling）以在安装过程中保持金属带的位置。此外，通过前缘的外模线（OML）表面安装的紧固件可破坏经过OML表面的气流。气流破坏可导致机翼上方的气流湍流，并导致气动阻力增加和相应的飞机燃料效率降低。

此外，通过利用相对低成本的工具处理来弯曲金属片，金属材料如金属片总体上可形成单曲率形状。但是，机翼前缘沿前缘长度可具有一个或多个复合曲率区域。形成金属侵蚀带以匹配机翼前缘的复合曲率的方法可能需要复杂的金属形成设备，这可增加机翼组装体的总体成本和复杂性。

关于防止雷击，复合材料通常具有低电导率，和有限的消散雷击电能的能力。安置于复合结构表面的金属片可通过消散电能在雷击事件中提供一定保护。不幸地是，为防雷在复合机翼表面上安置金属片可涉及缺陷，其与为防侵蚀而在机翼前缘上安置金属带相关的缺陷相同。

可见，本领域需要在复合表面上提供金属层的方法，其无需机械地紧固单独金属片至复合制品。此外，本领域需要在复合曲率表面上提供金属层的方法，其避免需要复杂的金属形成设备。此外，本领域需要提供金属层的方法，该金属层可保护复合结构免受侵蚀作用、雷击作用和其他作用。

发明概述

上述与现有技术方法相关的、在复合表面上提供金属层的需要被本公开具体地解决和缓解，本公开提供在复合制品上形成表面涂层的方法。方法可包括向工具的工具表面施加热喷涂，其方式使得表面涂层形成，该表面涂层与工具表面具有可剥离的结合。方法可进一步包括在表面涂层上施加复合材料，固化复合材料以形成固化的复合制品，和从工具移除固化的复合制品，其方式是从工具表面剥离表面涂层，并使表面涂层保留于固化的复合制品。

在进一步的实施方式中，公开了复合制品的模内金属化方法。方法可包括向工具的工具表面施加第一热喷涂，其方式使得工具侧涂层部分形成，该工具侧涂层部分与工具表面具有可剥离的结合。方法还可包括向工具侧涂层部分施加第二热喷涂，其方式使得部件侧涂层部分形成，该部件侧涂层部分永久地结合至工具侧涂层部分。此外，方法可包括在部件侧涂层部分上施加复合材料，将复合材料真空装袋，降低复合材料中的树脂粘度——其方式使得树脂浸渍部件侧涂层部分，和在预定温度和预定压力下固化复合材料，生成永久地结合至部件侧涂层部分的固化的复合制品。方法可进一步包括使固化的复合制品脱袋，和从工具移除固化的复合制品，使得工具侧涂层部分从工具表面剥离，并且被保留于固化复合制品上的部件侧涂层部分。

进一步，本公开包括根据下列条款所述的实施方式：

条款1.在复合制品上形成表面涂层的方法，包括步骤：

向工具的工具表面施加热喷涂，其方式使得表面涂层形成，该表面涂层与工具表面具有可剥离的结合；

在表面涂层上施加复合材料；

固化复合材料以形成固化的复合制品；和

从工具移除固化的复合制品，其方式是从工具表面剥离表面涂层并使表面涂层保留于固化的复合制品。

条款2.条款1所述的方法，其中施加热喷涂的步骤包括：

形成表面涂层，其净残余应力在量级上基本上等于工具-涂层粘合强度。

条款3.条款1所述的方法，其中施加热喷涂的步骤包括：

施加第一热喷涂以形成表面涂层的工具侧涂层部分，工具侧涂层部分与工具表面具有可剥离的结合；和

施加第二热喷涂以形成表面涂层的部件侧涂层部分，复合材料被施加在部件侧涂层部分上。

条款4.条款3所述的方法，其中施加热喷涂的步骤包括：

利用高速氧燃料装置施加第一热喷涂。

条款5.条款3所述的方法，其中施加热喷涂的步骤包括：

利用等离子体喷涂装置、高速氧燃料装置和双丝电弧装置中的至少一种施加第二热喷涂。

条款6.条款3所述的方法，其中表面涂层具有净残余应力，其是工具侧涂层部分和部件侧涂层部分的残余应力的结果，施加第一热喷涂和第二热喷涂的步骤包括：

调节至少一个工艺参数，其方式使得工具侧涂层部分的残余应力抵消部件侧涂层部分的残余应力一定量，致使净残余应力基本上等于工具-涂层粘合强度。

条款7.条款6所述的方法，其中调节至少一个工艺参数的步骤包括：

确定工具侧涂层部分和部件侧涂层部分中的至少一种的残余应力，通过实施如下步骤：

在基底上喷涂涂层；

响应于在基底上喷涂涂层，测量基底曲率变化；

确定在基底上沉积后涂层的沉积应力；

基于涂层热膨胀系数（CTE）和基底CTE之间的差异，确定冷却涂层期间涂层的热应力；

基于沉积应力和热应力，计算涂层的残余应力；和

反复地调节至少一个工艺参数和计算残余应力，直到净残余应力基本上等于工具-涂层粘合强度。

条款8.条款6所述的方法，其中调节至少一个工艺参数的步骤包括：

调节至少一个工艺参数，直到表面涂层具有净残余应力，该净残余应力基本上平衡固化的复合制品的敷置应力（layup stress），并且该净残余应力在量级上基本上等于工具-涂层粘合强度。

条款9.条款6所述的方法，其中调节至少一个工艺参数的步骤包括调节以下至少一个：

喷涂参数和工具特性。

条款10.条款9所述的方法，其中喷涂参数包括卷流参数（plume parameter）和原料特性中的至少一个。

条款11.条款9所述的方法，其中工具特性包括以下至少一个：工具材料、工具CTE、工具表面光洁度、工具厚度和工具温度。

条款12.条款1所述的方法，其中施加热喷涂的步骤包括：

在促进与工具表面粘合的涂布温度沉积表面涂层，其方式使得表面涂层在敷置复合材料的过程中保持粘合至工具表面，并在从工具移除固化的复合制品的过程中从工具表面剥离。

条款13.条款1所述的方法，其中施加热喷涂的步骤包括：

形成表面涂层，其中部件侧涂层部分的表面质地比表面涂层的工具侧涂层部分的表面质地更粗糙。

条款14.条款1所述的方法，其中施加热喷涂的步骤包括：

形成表面涂层，其中工具侧涂层部分的多孔性低于表面涂层的部件侧涂层部分的多孔性。

条款15.条款1所述的方法，其中施加热喷涂的步骤包括：

形成表面涂层，其中工具侧涂层部分的密度大于表面涂层的部件侧涂层部分的密度。

条款16.条款1所述的方法，其中施加热喷涂的步骤包括：

形成表面涂层，其具有工具侧涂层部分和部件侧涂层部分；和

工具侧涂层部分和部件侧涂层部分中的至少一个的厚度在约0.0005和0.10英寸之间。

条款17.条款1所述的方法，其中表面涂层包括金属表面涂层。

条款18.条款1所述的方法，其中表面涂层包括陶瓷表面涂层。

条款19.条款14所述的方法，其中施加热喷涂的步骤包括：

利用等离子体喷涂装置施加热喷涂，以形成陶瓷表面涂层。

条款20.通过条款1所述的方法形成的复合结构。

条款21.复合制品的模内金属化方法，包括步骤：

向工具的工具表面施加第一热喷涂，其方式使得工具侧涂层部分形成，该工具侧涂层部分与工具表面具有可剥离的结合；

向工具侧涂层部分施加第二热喷涂，其方式使得部件侧涂层部分形成，该部件侧涂层部分永久地结合至工具侧涂层部分；

在部件侧涂层部分上施加复合材料；

将复合材料真空装袋；

降低复合材料中的树脂粘度，其方式使得树脂浸渍部件侧涂层部分；

在预定温度和预定压力固化复合材料，生成固化的复合制品，该固化的复合制品永久地结合至部件侧涂层部分；

使固化的复合制品脱袋；和

从工具移除固化的复合制品，使得工具侧涂层部分从工具表面剥离并被保留于固化复合制品上的部件侧涂层部分。

已经讨论的特征、功能和优势可在本公开的不同实施方式中独立地实现，或在另外的实施方式中组合，其进一步细节通过参考下文描述和以下附图可见。

附图简述

本公开的这些和其他特征将在参考附图后变得显而易见，其中贯穿全图同样的编号指代同样的部件，并且其中：

图1是飞机的透视图；

图2是沿图1中的线2截取的并且示例施加在复合机翼表皮前缘上的金属表面涂层的复合机翼部分的剖视图；

图3是工具的示意性侧视图，该工具具有工具表面，在原位模内金属化复合制品的方法期间可在该工具表面上施加表面涂层；

图4是工具的示意性侧视图，示例在用于在复合制品上形成表面涂层的模内金属化方法期间施加第一热喷涂以在工具表面上形成工具侧涂层部分；

图5是工具的示意性侧视图，示例在用于在复合制品上形成表面涂层的模内金属化方法期间施加第二热喷涂以在工具侧涂层部分上形成部件侧涂层部分；

图6是在用于在复合制品上形成表面涂层的模内金属化方法期间复合材料施加在部件侧涂层部分上的示意性侧视图；

图7是表面涂层的横截面图解，其包括稠密、平滑的工具侧涂层部分，该工具侧涂层部分可剥离地粘合至工具表面；和多孔性部件侧涂层部分，该部件侧涂层部分具有相对粗糙的表面质地，用于与复合制品的环氧树脂层结合；

图8是从工具移除固化的复合制品的示意性侧视图，并且其方式使得工具侧涂层部分从工具表面剥离并被保留于固化复合制品上的部件侧涂层部分；

图9A是预加热阶段期间曲率测量装置的示意性顶视图，并且其中曲率测量装置包括基底，在该基底上可施加涂层，用于测量可用于计算涂层残余应力的工艺参数；

图9B是通过热喷涂装置在基底上施加涂层初始层的初始粘合操作期间曲率测量装置的示意性顶视图；

图9C是曲率测量装置的示意性顶视图，示例施加涂层后续层期间涂层的演变残余应力；

图9D是曲率测量装置的示意性顶视图，示例冷却阶段或在基底和涂层被允许冷却至室温期间；

图10A是将预加热阶段中的基底曲率和涂布温度随时间作图的图；

图10B是将初始粘合操作中的基底曲率和涂布温度随时间作图的图；

图10C是将演变残余应力阶段中的基底曲率和涂布温度随时间作图的图；

图10D是将冷却阶段中的基底曲率和涂布温度随时间作图的图；

图11是流程图，其中一个或多个操作可被包括在形成管部分的方法中；

图12是飞机服务和制造方法的流程图；和

图13是飞机的框图。

发明详述

现参考附图——其中示图目的是示例本公开的不同实施方式，图1显示飞机100，其具有机身102，自飞机100的机头104延伸至机尾106。机尾106可包括一个或多个尾表面，如水平稳定器108、垂直稳定器110和一个或多个可移动的控制表面——用于飞机100的方向控制。飞机100可进一步包括一对机翼114，每个均具有前缘118和后缘，并且任选地包括翼尖装置116。飞机100可进一步包括一个或多个推进单元112，其可被安置于机翼114。

参考图2，飞机100可包括一种或多种复合结构152如机翼114，其可由复合材料156形成。例如，各机翼114可由复合表皮板构成，并且可包括内部刚性构件，如翼梁和/或肋条，该内部刚性构件也可由复合材料156形成并且可增加机翼114的强度和刚度和保持机翼114的气动形状。有利地，飞机100的一种或多种复合结构152可配置有表面涂层256，如可被施加至机翼114的前缘118或翼尖装置116的表面涂层256，如图2所示。

如图3-8所示和下文描述，表面涂层256可利用如本文公开的模内涂布工艺或方法在复合结构152上形成，其中表面涂层256可被以热喷涂施加到工具300的至少部分工具表面302上，该工具300可被配置以固化复合结构152。在工具表面302上热喷涂涂层后，复合材料156可被施加在表面涂层256上，作为用于敷置复合材料156的常规工艺中的部分。复合材料156可被固化以形成固化的复合制品150。

有利地，表面涂层256被施加至工具300，其方式使得在从工具300移除固化的复合制品150时，表面涂层256从工具表面302剥离并被保留于固化的复合制品150。表面涂层256从工具表面302剥离是通过如下实现的：形成表面涂层256，其净残余应力250在量级上基本上等于表面涂层256和工具表面302之间的工具-涂层粘合强度224。以这种方式，表面涂层256可在施加（例如，敷置）复合材料156期间保持粘合至工具表面302，而且在从工具300移除固化的复合制品150时表面涂层256从工具表面302剥离并可被保留于固化的复合制品150，如下文更详细描述。

模内涂布工艺可实施用于将多种材料的表面涂层256施加在复合结构152上。例如，模内涂布工艺可实施用于向复合结构152施加金属表面涂层256。此外，本文公开的模内涂布工艺可实施用于向复合制品150施加陶瓷表面涂层256，或施加多种可选的涂层材料。此外，模内涂布工艺可无限制地实施用于向任何类型的结构152施加表面涂层256，并且不限于飞机结构。

参考图3并且另外参考描述形成表面涂层256的方法500的图11的流程图，图3显示工具300的示意性侧视图，其可被配置以固化复合制品150。图3所示的工具300代表工具的多种不同尺寸、形状、轮廓和构型的任意一种，其可用于固化和/或固结复合材料156如复合叠层以形成固化的复合制品150。工具300可由可与固化和/或固结复合材料156相容的材料形成。例如，工具300可由铁基材料如Invar或钢形成，或工具300可由铝或可与固化复合材料156热相容的任意其他材料形成。

工具300可包括工具表面302，在该工具表面302上可施加表面涂层256。工具300可具有工具厚度304，其可部分由在复合材料156固结期间可在复合材料156上朝向工具表面302施加的压制力的量级决定。但是，应注意，本文公开的形成表面涂层256的方法不限于固化或固结工具300的工具表面302。在这方面，本文公开的工具表面302不受限制地包括可在其上施加涂层、然后在涂层上施加复合材料156的任意表面。方法500（图11）的步骤502可包括清洁工具表面302或其他表面，以去除污染物如灰尘、碎片、流体、水分、凝结物、油和可不利地影响模内涂布工艺的任何其他表面。

参考图4，方法500（图11）的步骤504可包括向工具表面302施加热喷涂以在工具表面302上形成表面涂层256。可施加热喷涂，其方式使得表面涂层256与工具表面302形成可剥离的结合226。如下文更详细描述，在向工具表面302施加热喷涂后，可在表面涂层256上施加复合材料156，作为形成复合制品的常规敷置工艺的部分。然后可在工具300上固化复合材料156以形成固化的复合制品150。由于表面涂层256和工具表面302之间可剥离的结合226，可从工具300移除固化的复合制品150，其中表面涂层256从工具表面302剥离并被保留于固化的复合制品150。作为下文描述的施加热喷涂的工艺的结果，表面涂层256形成，其净残余应力250在量级上基本上等于在从工具300移除固化的复合制品150时允许表面涂层256从工具表面302剥离的工具-涂层粘合强度224。

在实施方式中，热喷涂可作为单涂层被施加，以在工具表面302上形成表面涂层256。表面涂层256可包括工具侧涂层部分212和部件侧涂层部分238。工具侧涂层部分212可被施加，其方式为与工具表面302形成可剥离的结合226。部件侧涂层部分238可被施加在工具侧涂层部分212上。在实施方式中，热喷涂可被施加，使得工具侧涂层部分212具有相对平滑的表面质地218并且部件侧涂层部分238具有比工具侧涂层部分212粗糙的表面质地244。粗糙表面质地244可促进复合材料156结合至部件侧涂层部分238，因为来自复合材料156的树脂162浸渍部件侧涂层部分238的粗糙表面质地244，如下文描述。

在实施方式中，热喷涂还可作为第一热喷涂206和第二热喷涂236施加。第一热喷涂206可被施加至工具表面302以在工具表面302上形成工具侧涂层部分212。工具侧涂层部分212可用如图4所示的热喷涂装置200施加。在实施方式中，热喷涂装置200可被配置为高速氧燃料202装置。高速氧燃料202装置可发射喷涂颗粒208的卷流，其中卷流参数为相对低的喷涂温度210和/或相对高的喷涂颗粒208的速度。例如，热喷涂装置200的卷流参数可使得第一热喷涂206在约600-1400摄氏度之间的温度和约300-700米/秒（m/s）之间的颗粒速度被施加，尽管第一热喷涂206可在上述范围以外的温度和速度下被喷涂。

通过在相对高速下施加第一热喷涂206，部件侧涂层部分238可相对于工具侧涂层部分212具有平滑的表面质地218，如下文描述。此外，部件侧涂层部分238的多孔性220可低于工具侧涂层部分212，这可增加表面涂层256的强度和耐久性。方法可另外包括形成工具侧涂层部分212，其密度222大于部件侧涂层部分238的密度248。在这方面，第一热喷涂206的卷流可包括喷涂颗粒208，如金属颗粒，其密度222可大于第二热喷涂236中的喷涂颗粒208的密度248。较高的密度222可提供强度、耐久性和抗机械冲击性高于部件侧涂层部分238的工具侧涂层部分212。

工具侧涂层部分212相对于部件侧涂层部分238较低的表面粗糙度218、较低的多孔性220和较高的密度222可增强工具侧涂层部分212对于机械作用性如侵蚀的抵抗力。此外，工具侧涂层部分212相对于部件侧涂层部分238较低的多孔性220和较高的密度222可提高可施加表面涂层256的复合结构上的表面涂层256的消散电能——如来自雷击——的能力。在这方面，表面涂层256可被施加至飞机结构的复合表面，如机身（未显示）或机翼（未显示）的一个或多个表面，用于消散电能，如来自雷击的电能。

在图4中，在实施方式中，工具侧涂层部分212可以相对小的厚度214形成。例如，工具侧涂层部分212可以约0.0005和0.10英寸之间的厚度214形成。在实施方式中，工具侧涂层部分212可以约0.003和0.050英寸之间的厚度214的形成。但是，工具侧涂层部分212可以0.0005-0.10英寸范围以外的厚度形成。考虑到工具侧涂层部分212的较高密度222——相对于部件侧涂层部分238的较低密度248，工具侧涂层部分212的厚度214优选被最小化，以最小化表面涂层256的总重量。工具侧涂层部分212相对于部件侧涂层部分238平滑的表面质地218可增强表面涂层256的外表面的气动学，并且可最小化在施加至气动表面时表面涂层256上方的气流破坏。

如上所述，施加第一热喷涂206的热喷涂装置200不限于高速氧燃料装置202。在这方面，热喷涂装置200可以多种可选的喷涂装置配置中的任一种形式提供：包括但不限于，丝电弧装置，如可如下文描述实施用于施加第二热喷涂236的类型的双丝电弧装置204。第一热喷涂206还可用等离子体喷涂装置（未显示）或其他热喷涂装置施加，并且不限于用高速氧燃料202装置施加。

在图4中，工具表面302和工具侧涂层部分212可限定工具-涂层界面228。第一热喷涂206可包括喷涂颗粒208，该喷涂颗粒208由材料形成并在工具-涂层界面228处产生工具-涂层粘合强度224的温度和速度被施加至工具表面302。工具-涂层粘合强度224可使得工具侧涂层部分212在敷置复合材料156的过程中保持粘合至工具表面302，和在从工具300移除固化的复合制品150的过程中从工具表面302剥离，而不损坏复合制品150（例如，无脱层、剥离、纤维损坏等）。在实施方式中，工具-涂层界面228处的工具-涂层粘合强度224可小于部件-涂层界面232处的结合，如下文讨论。此外，工具-涂层界面228处的工具-涂层粘合强度224可小于复合材料156（图8）的复合层154（图8）之间的结合强度（例如，层间结合强度），以避免复合层154脱层。

参考图5，方法500（图11）的步骤506可包括向工具侧涂层部分212施加第二热喷涂236，以形成部件侧涂层部分238。如上所述，表面涂层256可通过如下形成：在工具表面302上热喷涂单涂层，使得工具侧涂层部分212具有相对平滑的表面质地218，和部件侧涂层部分238具有较粗糙的表面质地244，从而粘合至复合材料156，如下文描述。但是，表面涂层256还可通过在第一热喷涂206上施加第二热喷涂236形成。在这方面，表面涂层256可在向工具表面302施加第一热喷涂206后被施加至工具侧涂层部分212。方法可包括形成部件侧涂层部分238，该部件侧涂层部分238具有比工具侧涂层部分212的表面质地218更粗糙的表面质地244，从而促进粘合至复合材料156的树脂162。还可施加部件侧涂层部分238，该部件侧涂层部分238的多孔性246可大于工具侧涂层部分212的多孔性220，以降低部件侧涂层部分238的重量。

可施加第二热喷涂236，其方式使得部件侧涂层部分238永久地结合至工具侧涂层部分212。第二热喷涂236可用热喷涂装置200施加，如双丝电弧204装置。热喷涂装置200可具有卷流参数，该卷流参数影响热喷涂装置发射的喷涂颗粒208的卷流的温度、速度和其他参数。例如，这种卷流参数可包括用于从热喷涂装置200发射喷涂颗粒208的燃料、氧化剂和粉末载气的类型。卷流参数可允许在相对高喷涂温度210和相对低速度施加第二热喷涂236。例如，热喷涂装置200可具有卷流参数，其允许在约1000-3500摄氏度之间的温度和约50-600m/s之间的颗粒速度喷涂第二热喷涂236，虽然第二热喷涂236可在上述范围以外的温度和速度被喷涂。第二热喷涂236还可用等离子体装置（未显示）和/或高速氧燃料202装置施加，并且不限于丝电弧装置204。

有利地，第二热喷涂236的相对高喷涂温度210和相对低速度可导致部件侧涂层部分238相对于工具侧涂层部分212具有较低的密度248、较高的多孔性246和较粗糙的表面质地244。在这方面，部件侧涂层部分238可具有这样的暴露表面：具有比工具侧涂层部分212的表面质地218更粗糙的表面质地244。部件侧涂层部分238的较高多孔性246可降低部件侧涂层部分238的总重量。此外，部件侧涂层部分238的较高多孔性246可促进部件侧涂层部分238与复合材料156的结合，如下文所述。此外，部件侧涂层部分238可如下有利地形成：其密度248低于工具侧涂层部分212——考虑到部件侧涂层部分238未暴露于工具侧涂层部分212所暴露的环境作用（例如，侵蚀）。部件侧涂层部分238的较低密度248可最小化表面涂层256的总重量。

在图5中，在实施方式中，部件侧涂层部分238可以厚度240形成，该厚度240与工具侧涂层部分212处于相同范围内。例如，部件侧涂层部分238可以约0.0005和0.10英寸之间的厚度240形成，如约0.003-0.015英寸之间的厚度。但是，如上关于工具侧涂层部分212所述，部件侧涂层部分238可以0.0005至0.10英寸范围以外的厚度240形成。部件侧涂层部分238可厚于工具侧涂层部分212，因为部件侧涂层部分238可如上所述相对于工具侧涂层部分212具有较高的多孔性246和较低的密度248。工具侧涂层部分212和部件侧涂层部分238的组合限定表面涂层厚度254。在这方面，表面涂层256可被以上至约0.25英寸或更大的任意厚度范围提供。表面涂层厚度254可被控制在约0.0005英寸内，其可有利地允许逐渐减少涂层厚度，如图2所示的机翼表皮的前缘118上，或机翼表面上（未显示），如用于雷击保护。

在图5中，部件侧涂层部分238和工具侧涂层部分212可限定涂层-涂层界面230，该涂层-涂层界面230的粘合强度大于工具-涂层界面228的工具-涂层粘合强度224，并且大于部件-涂层界面232的粘合强度。在这方面，部件侧涂层部分238可与工具侧涂层部分212形成不可剥离的结合234。部件侧涂层部分238和工具侧涂层部分212可由基本上相似的材料形成。但是，部件侧涂层部分238和工具侧涂层部分212可由互补的不同材料形成。在图5中，工具侧涂层部分212和部件侧涂层部分238共同形成表面涂层256。

参考图6，方法500（图11）的步骤508可包括，在向工具侧涂层部分212施加部件侧涂层部分238后，在部件侧涂层部分238上施加复合材料156。在部件侧涂层部分238上施加复合材料156可包括敷置纤维强化材料的复合层154，如可预浸渍有基质材料（即，预浸料）或树脂162材料如热固性环氧树脂基质或热塑性基质的织物。纤维强化体160可被以如下多种不同配置中的任一种提供：包括但不限于，机织织物、单向胶带、短切纤维和其他配置。基质可包括热固性基质或热塑性基质，如上所述。

复合材料156不限于使用预浸复合材料156，并且可包括向干燥纤维强化材料施加树脂162的湿法敷置工艺。例如，在部件侧涂层部分238上施加复合材料156可包括在部件侧涂层部分238上施加干燥纤维强化材料，然后利用如下多种树脂浸渍工艺中的任一种在干燥纤维预制件中引入基质或树脂材料：包括但不限于，树脂膜浸渍（RFI）、树脂传递成型（RTM）和其他湿法敷置工艺。

在图6中，复合材料156和部件侧涂层部分238可限定部件-涂层界面232，其中复合材料156和部件侧涂层部分238可在如下文描述固化复合材料156的过程中永久地结合。复合材料156的固化可包括方法500（图11）的步骤510：包括将复合材料156真空装袋（未显示）。在真空装袋操作过程中，剥离层、透气层、其他耗材和真空袋（未显示）可被施加在复合材料156上，以将复合材料156密封至工具表面302。可对真空袋抽真空，从而对复合材料156朝向工具表面302施加压制力（未显示）。

在图6中，方法500（图11）的步骤512可包括降低树脂162的粘度，其方式使得树脂162浸渍部件侧涂层部分238。例如，复合材料156的树脂162粘度可通过多种方式中的任一种升高树脂162的温度而降低。例如，工具300可被布置在高压釜或对流烘箱中，以升高树脂162的温度和降低其粘度。可选地，树脂162可选择性地利用辐射加热法加热。对于热塑性树脂162，可通过增加树脂162的温度至玻璃化转变温度以上降低粘度。通过降低树脂162的粘度，树脂162可流动、浸渍和/或与部件侧涂层部分238混杂。

在图6中，方法500（图11）的步骤514可包括固化复合材料156以生成固化的复合制品150。复合材料156的固化可在部件侧涂层部分238和固化的复合制品150的部件-涂层界面232处的树脂162之间产生不可剥离的结合234或永久结合。复合制品150的固化可通过如下发生：保持复合材料156处于预定温度和预定压力以预定时间段，以使复合材料156固结。然后可降低温度，如降至室温，以生成固化的复合制品150。树脂162可在部件-涂层界面232处硬化或固化，从而与部件侧涂层部分238产生永久性结合。在图6中，方法500（图11）的步骤516可包括，通过移除真空袋（未显示）和/或耗材（未显示）如任意剥离层和/或透气层，使固化的复合制品150脱袋。

参考图7，显示工具表面302和固化的复合制品150之间的表面涂层256的横截面。显示复合制品150由被树脂162材料包围的碳纤维强化体160构成。在部件-涂层界面232处，显示树脂162层啮合于部件侧涂层部分238。可见，部件侧涂层部分238具有高度多孔性246组成和相对粗糙的表面质地244——由于从双丝电弧204热喷涂装置200发射的喷涂颗粒208的相对高的温度和相对低速。部件侧涂层部分238的相对粗糙的表面质地244可有助于复合材料156的树脂162与部件侧涂层部分238的浸渍和结合。相对高的多孔性246可降低表面涂层256的总重量，并且还可有助于树脂162结合至部件侧涂层部分238。

在图7中，显示工具侧涂层部分212具有相对稠密的组成和相对平滑的表面质地218——由于由高速氧燃料202热喷涂装置200发射的喷涂颗粒208的高速和相对低的温度，如上所述。工具侧涂层部分212的相对平滑的、稠密的并且低多孔性的组成可有助于工具侧涂层部分212与工具表面302可剥离的粘合。部件侧涂层部分238和工具侧涂层部分212的厚度240组合构成表面涂层256的总厚度。

参考图6，方法500（图11）的步骤518可包括从工具300移除固化的复合制品150。在实施方式中，可通过如下从工具300移除固化的复合制品150：对固化的复合制品150施加外力310，如轴向力，以将固化的复合制品150拉离工具表面302。但是，还可通过如下移除固化的复合制品150：在表面涂层256的边缘（未显示）施加剥离力。还可通过如下从工具300移除固化的复合制品150：施加总体上平行于工具表面302的横向力，如滑动力，以使固化的复合制品150滑离工具表面302。在这方面，通过导致工具侧涂层部分212从工具处理表面剥离并使得工具侧涂层部分212保留于固化的复合制品150上的表面涂层256的任意外力310，可有助于固化的复合制品150的移除。

如上所述，表面涂层256在表面涂层256上施加复合材料156的过程中保持可剥离地粘合至工具表面302和在施加于固化的复合制品150的外力310下从工具表面302剥离（例如，从角落或边缘剥离）的能力可通过如下实现：形成表面涂层256，其净残余应力250在量级上基本上等于工具-涂层界面228处表面涂层256和工具表面302之间的工具-涂层粘合强度224。在这方面，表面涂层256可具有净残余应力250，其是工具侧涂层部分212的残余应力216和部件侧涂层部分238的残余应力242的结果。

在进一步的实施方式中，方法可包括形成表面涂层256——考虑到可在固化的复合制品150中产生的敷置应力164。例如，复合材料156的树脂162和纤维强化体160可具有不同的CTE，其可导致固化的复合制品150在从固化温度冷却至环境温度或室温后的残余敷置应力164。第一热喷涂206和第二热喷涂236可被施加，其方式导致形成表面涂层256，其净残余应力250基本上平衡固化的复合制品150的敷置应力164，使得表面涂层256的净残余应力250在量级上基本上等于工具-涂层粘合强度224。

参考图9A-9D，显示确定通过热喷涂施加于基底402的涂层422的残余应力的系统的实施方式示意图。系统可提供估测不同工艺参数对涂层422的残余应力——如表面涂层256（图5）的净残余应力250——的量级和方向（即，压缩，拉伸）的影响的手段——无论以单热喷涂施加还是以第一热喷涂206（图4）和第二热喷涂236（图5）施加。在这方面，系统可提供确定可引入单热喷涂的热喷涂工艺参数或可引入第一热喷涂206（图4）和/或第二热喷涂236（图5）的工艺参数，以实现固化的复合制品150（图8）上的表面涂层256（图8）的预期残余应力（图8）的手段。

这种工艺参数可包括但不限于，喷涂参数和工具特性。喷涂参数可包括与热喷涂装置相关的卷流参数，并且可包括与热喷涂装置发射的卷流相关的燃料、氧化剂和粉末载气的类型。喷涂参数还可包括引入热喷涂装置所发射的卷流或喷射物的原料的原料特性。这种原料特性可包括原料材料、材料CTE、粉末尺寸分布、粉末形态和可影响喷涂颗粒208卷流的飞行中喷涂速度和/或喷涂温度的多种其他原料特性。涂层厚度254可以代表可影响涂层残余应力的量级和方向的参数。如上所述，工艺参数还可包括工具特性，如工具材料、工具热膨胀系数（CTE）308、工具表面光洁度、工具厚度304、工具温度306和可对表面涂层256（图8）的残余应力（图8）具有影响的其他工具特性。

参考图6，可利用导致表面涂层256中产生具有预期量级和预期方向的残余应力216的预定工艺参数组，向工具300施加表面涂层256。无论以单热喷涂还是以第一热喷涂、第二热喷涂和/或另外的热喷涂的组合施加，表面涂层256都可利用使得具有预期量级和预期方向的残余应力216在工具侧涂层部分212中形成的预定工艺参数组施加。同样，可利用预定工艺参数组向工具侧涂层部分212施加部件侧涂层部分238，以实现部件侧涂层部分238中预期量级和方向的残余应力242。表面涂层256中的净残余应力250是部件侧涂层部分238的残余应力242和工具侧涂层部分212的残余应力216的结果。可调节工具侧涂层部分212和部件侧涂层部分238的工艺参数，直到工具侧涂层部分212的残余应力216的量级和方向抵消或平衡部件侧涂层部分238的残余应力242一定量，致使净残余应力250基本上等于粘合强度224。例如，对于给定的工具构型（例如，工具形状），可期望在工具表面302上形成表面涂层256，其净残余应力250以压缩性为主，从而有助于从工具300移除固化的复合制品150。在这方面，可调节热喷涂工艺参数，直到确定参数组产生以压缩性为主的净残余应力250。

在图9A中，估测热喷涂工艺参数的系统显示为曲率测量装置400，并且可实施以利用在2002年11月12日授权于Sampath等的美国专利号6,478,875中公开的方法确定涂层422的残余应力。曲率测量装置400可包括基底402，该基底402可通过一对基底支撑件406被安置在相对的末端。基底402可具有前基底表面408和后基底表面410，其共同限定基底厚度。基底402可包括总体上伸长和笔直的元件，该元件在实施方式中可由与可形成工具300的材料相同的材料形成。基底402可具有基底CTE404。一个或多个激光装置可发射激光束414，用于检测沿基底402的一个或多个点的位移，作为计算涂布工艺过程中不同时间的基底438的曲率和涂层厚度254的手段。

在图9A中，热传感器412可被安置在前基底表面408上和后基底表面410上，用于测量基底402温度和用于测量涂布温度436。热喷涂装置418可在前后移动中发射喷涂颗粒420的热喷涂，以沿前基底表面408形成涂层422。在图9A-9D所示的实施方式中，热喷涂装置418可被配置为双丝电弧204喷涂装置418，用于如上所述以相对低速和相对高温发射喷涂制品。但是，系统可应用任意类型的热喷涂装置。

参考图9A，显示预加热阶段416，其中无涂层基底402可被加热，用于基底402的应力消除，消除可源自基底402的清洁过程中的喷砂处理的残余应力。基底402可被预加热，如通过使用喷灯或使用热喷涂装置418，而不发射喷涂制品。在预加热过程中，基底402可由于应力消除而经历初始曲率426。

图10A是绘制预加热阶段416过程中的基底438曲率和涂布温度436的图。基底402起始于总体上笔直的构型，随着基底402的温度增加可呈现微小的曲率，如图10A所示。

图9B示例初始粘合操作428过程中的曲率测量装置，该初始粘合操作428包括利用热喷涂装置418在前基底表面408上喷涂或沉积涂层422。热喷涂装置418可发射喷涂制品以形成涂层422的初始层。相对高温的喷涂颗粒420在相对较冷前基底表面408上的淬火导致基底438的曲率。方法包括，响应于在上述基底402上喷涂涂层422，利用上述激光装置来测量基底438的曲率变化。

图10B是绘制初始粘合操作428期间的基底438曲率和涂布温度436的图。绘图图形示例初始粘合操作过程中涂层422的压缩残余应力造成的基底438曲率增加。

图9C显示由于在基底402上持续施加热喷涂而在沉积工艺期间涂层422的演变残余应力430阶段期间渐增的基底402曲率。图9C中基底402的曲率可表示淬火作用432——包括喷涂颗粒420在接触较冷基底402表面后淬火，和克服喷涂颗粒420在基底402上的喷丸（peening）作用，该基底402受到热喷涂装置418持续发射的另外的喷涂颗粒420冲击。

图10C是绘制演变残余应力430阶段期间基底438曲率和涂布温度436增加的图。演变残余应力430由于施加涂层422的额外层而存在于涂层422中。基底438的曲率可表示在基底438上沉积过程中于涂层422中的拉伸应力增大。

图9D显示冷却阶段434期间的基底402逆向曲率。在冷却阶段434中，热喷涂装置418可停用，并且基底402和涂层422可被允许冷却至环境温度或室温。在冷却阶段434中，记录基底402位移和涂层422和基底402的温度的测量结果。

图10D是绘制冷却阶段434中基底438曲率和涂布温度436减少的图。由于涂层CTE424相对于基底CTE404失配，涂层422和基底402的冷却可导致基底438的曲率反向。在这方面，图10D可表示在室温下具有压缩残余应力的涂层422。

利用曲率测量装置400所测的基底438曲率和涂布温度436的测量结果，确定涂层422的残余应力的方法可包括确定涂层422在基底438上沉积后的沉积应力。沉积应力可由于沉积过程中涂层422的固化和喷丸而存在。方法可进一步包括，基于涂层CTE424和基底CTE404之间的差异，确定在涂层422冷却过程中涂层422的热应力。涂层422的热应力可基于随温度变化的基底438曲率变化计算，如上文引用的美国专利号6,478,875公开。方法可包括基于热应力确定涂层422的弹性模量。方法可另外包括基于沉积应力和热应力计算涂层422的残余应力。以这种方式，方法提供计算涂层422中的残余应力的量级和方向（压缩或拉伸）的手段。

基于利用图9A-9D所示的曲率测量装置400和美国专利号6,478,875公开的方法可确定的涂层残余应力，用于施加第一热喷涂206（图4）和第二热喷涂236（图5）的热喷涂参数可被反复调节，直到最终表面涂层256（图6）中实现预期净残余应力250。如上所述，净残余应力250是工具侧涂层部分212的残余应力216和部件侧涂层部分238的残余应力242的结果。在这方面，在工具表面302上施加第一热喷涂206的方法可包括，基于工具温度306、工具CTE308、涂布温度436（例如，喷涂温度210）和涂层CTE252，沉积第一热喷涂206，使得涂层CTE252和工具CTE308的差异导致工具侧涂层部分212的应变，以允许可剥离的粘合（例如，非永久性结合）和从工具表面302移除工具侧涂层部分212，而不损坏固化的复合制品150（例如，复合制品150无脱层、剥离等）。

参考图6，在实施方式中，工具侧涂层部分212可具有涂层CTE252，该涂层CTE252可基本上等于工具CTE308，以最小化表面涂层256的净残余应力250与工具-涂层界面228处表面涂层256和工具表面302之间的工具-涂层粘合强度224之间的差异。工具-涂层界面228处的工具-涂层粘合强度224可通过多种不同方法中的任一种确定。例如，可实施拉伸测试，其中拉伸负荷可与涂层平面正交地施加，所述涂层可被结合在测试夹具对（未显示）之间。可选地，工具-涂层界面228处的工具-涂层粘合强度224的量级可通过压痕测试或其他方法确定。

在图6中，涂层材料和工具材料可被选择以最小化CTE失配。在实施方式中，涂层CTE252和工具CTE308可被最小化以实现预期方向的残余应力。例如，通过最小化CTE失配度和以相对高速和相对低温施加热喷涂，表面涂层256的净残余应力250可以压缩为主，这是因为喷涂颗粒208在工具表面302上喷丸而喷涂装置200持续发射其他喷涂颗粒208。可选地，相对较高的CTE失配结合以相对低速和相对高温施加热喷涂可导致表面涂层256的净残余应力250以拉伸为主。可见，净残余应力250的方向（例如，压缩或拉伸）可通过调节热喷涂工艺和材料参数而实现。

如上所述，表面涂层256可形成为复合制品150上的金属涂层。金属涂层可不受限制地包括多种不同金属中的任一种，包括但不限于，因康镍合金，钨，钼，铝；和多种其他金属材料中的任一种。同样，表面涂层256可形成为陶瓷表面涂层256，如通过使用用于施加第一热喷涂206和/或第二热喷涂236的等离子体喷涂装置（未显示）。在这方面，表面涂层256可形成为金属和陶瓷材料或多种其他涂层材料中的任一种的混合体或杂合体。

上述形成表面涂层256的方法可不受限制地实施于任意尺寸、形状和构型的复合结构152。在实施方式中，复合结构152可包括飞机结构的任何部分，如机翼、翼尖装置、小翼、前缘装置、增升装置、前缘缝翼、克鲁格(Krueger)襟翼、后缘装置、富勒(fowler)襟翼、副翼、控制表面、升降副翼、方向升降舵、稳定表面、尾翼、舵、转子叶片或多种其他复合结构中的任一种。在实施方式中，表面涂层256可形成在复合结构的前缘118（图2）上，如飞机（图1）的机翼（图1）或其他气动结构，如用于侵蚀保护和/或冲击保护。在实施方式中，表面涂层256可形成在部分任意复合表面上，如复合机翼，用于雷击保护和/或沿复合结构导电。在这方面，本文公开的方法可不受限制地被用于任何车辆应用或任何非车辆应用的复合结构。

参考图12-13，本公开的实施方式可在飞机制造和服务方法600以及如图13所示的飞机602的情形下得到描述。在制造前的过程中，示例性方法600可包括飞机602的描述和设计604和材料采购606。在制造过程中，进行飞机602的组件和亚组装体制造608和系统集成610。其后，飞机602可经过认证和交付612，以被投入使用614中。在被客户使用时，飞机602被定期常规保养和维护616（其还可包括改造、重构、翻新等）。

方法600的每个过程均可由系统集成员、第三方和/或操作人员（例如，客户）进行或实施。以对此描述为目的，系统集成员可不受限制地包括任意数量的飞机制造商和主系统转包商；第三方可不受限制地包括任意数量的售卖者、转包商和供应商；和操作者可以是航空公司、租赁公司、军事单位、服务组织等。

如图13所示，通过示例性方法600制造的飞机602可包括具有多个系统620和内部622的机身618。高水平系统620的实例包括推进系统624、电力系统626、液压系统628和环境系统630中的一种或多种。任意数量的其他系统可被包括在内。虽然显示的是航天实例，但本发明的原理可应用于其他工业，如汽车工业。

本文实施的设备和方法可应用于制造和使用方法600中的任意一个或多个阶段。例如，相应于制造过程608的组件或亚组装体可以与飞机602服务时生产的组件或亚组装体以类似的方式制造或生产。而且，设备实施方式、方法实施方式或其组合中的一种或多种可被应用于生产阶段608和610中，例如，通过大幅加快飞机602的组装或降低飞机602的成本。类似地，设备实施方式、方法实施方式或其组合中的一种或多种可例如在飞机602服务期间并且不受限制地被用于保养和维护616。

对本公开另外的改造和改进对于本领域技术人员而言可以是显而易见的。因此，本文所述和所示部件的特定组合仅意图表示本公开的特定实施方式，而不意图作为本公开的精神和范围内的可选实施方式或装置的限制。

Claims (15)

1.在复合制品（150）上形成表面涂层（256）的方法，包括步骤：

向工具（300）的工具表面（302）施加热喷涂（206，236），其方式使得表面涂层（256）形成，所述表面涂层（256）与所述工具表面（302）具有可剥离的结合（226）；

在所述表面涂层（256）上施加复合材料（156）；

固化所述复合材料（156）以形成固化的复合制品（150）；和

从所述工具（300）移除所述固化的复合制品（150），其方式是从所述工具表面（302）剥离所述表面涂层（256）并使所述表面涂层（256）保留于所述固化的复合制品（150）。

2.权利要求1所述的方法，其中所述施加热喷涂（206，236）的步骤包括：

形成所述表面涂层（256），其净残余应力（250）在量级上基本上等于工具-涂层粘合强度（224）。

3.权利要求1或2所述的方法，其中所述施加热喷涂（206，236）的步骤包括：

施加第一热喷涂（206）以形成所述表面涂层（256）的工具侧涂层部分（212），所述工具侧涂层部分（212）与所述工具表面（302）具有可剥离的结合（226）；和

施加第二热喷涂（236）以形成所述表面涂层（256）的部件侧涂层部分（238），所述复合材料（156）被施加在所述部件侧涂层部分（238）上。

4.权利要求3所述的方法，其中所述施加热喷涂（206，236）的步骤包括：

利用高速氧燃料装置（202）施加所述第一热喷涂（206）。

5.权利要求3所述的方法，其中所述施加热喷涂（206，236）的步骤包括：

利用等离子体喷涂装置、高速氧燃料装置（202）和双丝电弧装置（204）中的至少一种施加第二热喷涂（236）。

6.权利要求3所述的方法，其中所述表面涂层（256）具有净残余应力（250），所述净残余应力（250）是所述工具侧涂层部分（212）和所述部件侧涂层部分（238）的残余应力（216）的结果，所述施加所述第一热喷涂（206）和所述第二热喷涂（236）的步骤包括：

调节至少一个工艺参数，其方式使得所述工具侧涂层部分（212）的残余应力（216）抵消所述部件侧涂层部分（238）的所述残余应力（242）一定量，致使所述净残余应力（250）基本上等于工具-涂层粘合强度（224）。

7.权利要求6所述的方法，其中所述调节至少一个工艺参数的步骤包括：

通过进行以下程序确定所述工具侧涂层部分（212）和所述部件侧涂层部分（238）中的至少一个的残余应力（216，242）：

在基底（402）上喷涂涂层（422）；

响应于在基底（402）上喷涂涂层（422），测量所述基底（402）的曲率变化；

确定所述涂层（422）在沉积于所述基底（402）上后的沉积应力；

基于涂层热膨胀系数（CTE）（424）和基底CTE（404）之间的差异，确定冷却所述涂层（422）期间所述涂层（422）的热应力；

基于所述沉积应力和所述热应力，计算所述涂层（422）的残余应力（430）；和

反复调节所述至少一个工艺参数和计算所述残余应力（430），直到所述净残余应力（250）基本上等于所述工具-涂层粘合强度（224）。

8.权利要求6所述的方法，其中所述调节至少一个工艺参数的步骤包括：

调节所述至少一个工艺参数，直到所述表面涂层（256）具有净残余应力（250），所述净残余应力（250）基本上平衡所述固化的复合制品（150）的敷置应力（164），并且所述净残余应力（250）在量级上基本上等于所述工具-涂层粘合强度（224）。

9.权利要求6所述的方法，其中所述调节至少一个工艺参数的步骤包括调节以下至少一个：

喷涂参数和工具特性。

10.权利要求9所述的方法，其中所述喷涂参数包括卷流参数和原料特性中的至少一个。

11.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述施加热喷涂（206，236）的步骤包括：

在促进粘合至所述工具表面（302）的涂布温度沉积所述表面涂层（256），其方式使得所述表面涂层（256）在敷置所述复合材料（156）的过程中保持粘合至所述工具表面（302），并且在从所述工具（300）移除所述固化的复合制品（150）的过程中从所述工具表面（302）剥离。

12.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述施加热喷涂（206，236）的步骤包括：

形成所述表面涂层（256），其具有工具侧涂层部分（212）和部件侧涂层部分（238）；和

所述工具侧涂层部分（212）和所述部件侧涂层部分（238）中的至少一个具有约0.0005和0.10英寸之间的厚度（214，240）。

13.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述表面涂层（256）包括金属表面涂层（256）。

14.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述表面涂层（256）包括陶瓷表面涂层（256）。

15.复合结构（152），通过前述权利要求中任一项所述的方法形成。

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