文章摘要

本文依托欧盟 CAELESTIS 航空整机数字化项目，面向发动机出口导向叶片（OGV）钛金属嵌入件 + 碳纤维复材一体化结构，开展一步法 RTM 成型钛 / 碳异质接头界面性能系统研究。采用喷砂、百洁布打磨、酸刻蚀、大气压等离子、激光微织构 5 类钛合金表面预处理工艺，结合 HexBond 环氧底涂两种工况，通过表面粗糙度、表面自由能（SFE）、拉拔附着力、单搭接剪切（SLS）多维度表征，量化不同处理对界面微观形貌、物化特性与接头力学强度的影响规律。试验表明：激光微织构同时实现超高粗糙度与表面活化，无底涂工况下剪切强度相较原始钛提升 221%，综合界面性能最优；喷砂次之；等离子仅能活化表面、无法形成机械锁合，纯等离子处理甚至无粘接强度；环氧底涂虽小幅降低瞬时附着力，但可隔绝湿热、抑制界面腐蚀，提升构件长期服役可靠性。研究给出航空钛 - 复材共注成型最优表面处理工艺方案，为一步法多材料航空构件量产提供界面强化工艺依据。

正文

一、核心突破

突破 1：航空一步 RTM 钛 / 碳一体化接头工艺量化基准空白填补

传统钛 - 复材连接多采用先成型再胶接 / 铆接分步工艺，缺少共注射一步成型专用界面数据；本文完全对标航空发动机 OGV 真实零件材料体系（IMS65 碳带 + RTM6 环氧 + 5 级钛合金），建立 5 种主流表面处理完整性能数据库，填补一步共注成型异质接头量化试验空白，可直接用于航空结构工艺设计。

突破 2：区分机械锚定 + 化学活化双界面强化机制，厘清优劣边界

成功尝试完整区分两类表面改性逻辑：激光 / 喷砂依靠微观沟槽实现机械锁合，等离子依靠高活性基团实现化学活化；明确单一化学活化无法形成可靠剪切承载界面，必须搭配微观凹凸形貌实现树脂锚固，解释等离子无底涂粘接失效核心机理，纠正行业仅靠等离子活化提升粘接的片面认知。

突破 3：拉拔测试与单搭接剪切性能差异化规律揭示

行业常以简易拉拔试验快速筛选工艺，但本文证实二者结果不具备线性对应关系：等离子拉拔强度有小幅提升，剪切试验却完全脱粘；百洁布粗糙度无明显提升，但剪切性能表现第二。证明拉拔仅作快速初筛，航空承载接头必须以单搭接剪切为核心判定指标，完善界面评价标准化试验逻辑。

突破 4：底涂 “短期降强度、长期提耐久” 双面效应量化

系统量化环氧底涂双面影响：所有处理加底涂后瞬时拉拔、剪切强度均下降 15%~32%，但底涂会封闭钛表面极性活性位点，隔绝水汽、湿热循环下界面腐蚀与分层，完美匹配航空构件长寿命、高环境稳定性设计需求，给出 “短期力学 / 长期耐久” 工艺取舍依据。

二、技术创新

创新 1 5类钛表面处理标准化对比试验体系

机械类处理

百洁布（SB）：横竖双向手工打磨，粗糙度小幅下降；
氧化铝喷砂（SA）：均匀微观凹坑，粗糙度提升近 1 倍；
激光微织构（L）：200W 激光刻制规则微沟槽，粗糙度达原始 100 倍以上；

化学 / 活化类处理

浓硫酸酸刻蚀（E）：温和提升粗糙度，小幅提升表面能；
大气压等离子（P）：无形貌改变，大幅提升极性官能团，仅化学活化；
全部工艺统一配套有无 HexBond 环氧底涂两组对照，单一变量控制，数据具备横向对比价值。

创新 2 多维度界面完整表征测试链路

形貌尺度：光学轮廓仪三维扫描，直观获取表面微观沟槽、凹坑形貌；
物化尺度：接触角法（Fowkes 模型）拆分色散 / 极性表面自由能，量化表面活化程度；
界面结合快速评价：拉拔附着力测试，快速初筛工艺优劣；
工程力学基准：EN 2243-6 标准单搭接剪切试验，模拟航空构件面内承载工况；
整套表征覆盖微观形貌 — 表面化学 — 瞬时粘接 — 结构承载全链条。

创新 3 AFP 预制体 + 一步 RTM 一体化成型工艺配套方案

采用 ABB 机器人搭载 AddComposites AFP 铺放头制备干碳预制体，铺放速度 250mm/s；模具内置钛板 + 干纤维同步定位，0.7bar 低压树脂浸润、最高 6bar 压实除孔隙，一次性完成钛嵌入件与复材共固化成型，省去二次粘接、机械连接工序，减少装配重量与工时。

创新 4 界面强化机理物理解释模型

机械锁合机制：激光 / 喷砂生成微米级凹凸，树脂固化后嵌入沟槽形成物理锚固，大幅提升剪切抗力；
化学结合机制：等离子、刻蚀生成羟基、氧化钛极性基团，提升树脂浸润，但无机械结构时受剪切易脱粘；
底涂屏蔽机制：环氧底漆覆盖钛表面极性位点，阻隔水、氧向界面渗透，抑制界面水解与钛氧化腐蚀，提升湿热耐久。

三、应用场景

航空发动机多材料静子叶片（核心场景）

本文直接面向航空 OGV 出口导向叶片，钛端部承担装配载荷、中间碳复材减重，一步 RTM 共注成型替代传统分段加工 + 胶接，减少装配缺陷，降低叶片整体重量，适配航空发动机轻量化迭代需求。

机身 / 机翼钛嵌入复材承力结构

机翼接头、机身加强框等混合复材部件，钛预埋件用于螺栓装配，采用本文激光预处理一步成型工艺，省去二次粘接工序，缩短生产线节拍，同时提升界面抗疲劳、抗湿热能力。

飞行器起落架辅助混合构件

起落架整流、辅助承载支架，钛耐磨装配区域 + 轻量化碳复材一体成型，严苛温变、盐雾服役环境下保证界面不分层。

航天运载器混合复材壳体

箭体钛法兰、预埋件与碳复材筒身一步 RTM 成型，简化工装，减少密封、分层失效风险，适配航天轻量化、高可靠性要求。

高端风电、轨道交通混合承载件

风机轮毂混合接头、轨道车体钛预埋复材结构，低成本喷砂工艺可批量落地，平衡界面强度与产线加工成本。

四、文章总结

（一）核心研究结论

界面强度由机械锁合 + 表面化学活化共同决定，仅等离子化学活化无法承受剪切载荷，纯等离子处理接头完全脱粘；
综合性能排序（无底涂）：激光微织构＞喷砂＞百洁布＞酸刻蚀＞等离子（无粘接）；激光剪切强度较原始钛提升 221%，是最优航空高端工艺；
环氧底涂会小幅降低瞬时粘接强度，但封闭界面、抗腐蚀抗湿热，面向长寿命航空件必须配套使用；
拉拔试验仅作快速初筛，航空承载接头必须以单搭接剪切强度作为工艺验收核心指标。

（二）工程技术价值

传统钛复材采用胶接、铆接分步制造，工序繁琐、增重明显；本文验证一步 RTM 共注射成型可行性，并量化 5 类成熟工业表面处理全套界面数据，给出高低成本两套工艺路线：高端航空发动机选用激光微织构，批量民用构件选用喷砂工艺，为混合复材量产工艺标准、质检规范提供完整试验支撑。

（三）当前研究局限

仅针对 5 级钛 + RTM6 环氧体系，未覆盖高温热塑、BMI 等耐高温树脂；仅常温静态剪切测试，缺少湿热、热循环、疲劳界面耐久数据；未开展界面冲击损伤研究。

（四）未来拓展方向

拓展高温航空树脂体系（PEEK、双马来酰亚胺）匹配钛表面处理工艺；
开展温变、盐雾、循环疲劳老化试验，建立耐久折减系数；
优化激光微织构加工成本，开发大面积低成本钛表面激光加工方案；
耦合仿真建模，建立表面粗糙度 - 界面失效预测模型，支撑混合复材数字化设计。

（五）行业启示

一步法 RTM 金属 - 复材共固化是航空轻量化主流发展方向，但异质界面分层、脱粘是最大量产瓶颈。单纯依靠等离子活化无法满足结构承载需求，必须采用激光、喷砂等构建微米机械锚固结构；在短期力学性能与长期环境耐久之间，航空构件需采用 “表面微织构 + 环氧底涂” 组合工艺，兼顾高强度与全周期服役可靠性。