增材制造修復技術在飛機大修中的應用

龔群甫 安小慧

（上海海鷹機械廠，上海 200436）

0 引言

目前國內飛機采用定時方式控制大修，使用了一定時間的飛機進入基地級工廠大修時通常會存在正常、潛在故障、功能故障三種技術狀態。因此大修時需要根據飛機進廠技術狀態分別實施預防性維修、恢復性維修、改進性維修/主動維修(更改設計的維修)、機會維修、成組維修等針對性與綜合性工作。由于修理周期和備件資源的約束，飛機零部件恢復性維修常常采用串、改、代、換、修等綜合措施來保障單架大修飛機的完好性。其中，飛機金屬件的恢復性維修有三種方式，即更換、原件修復、讓步使用。從目前現役飛機的維修工時、維修費用統計來看，金屬故障件的原件修復占有相當的比例，有些還超出了原設計維修手冊范圍。

目前各型飛機維修手冊或維修技術條件推薦或規定的金屬件恢復性修理方法有：機械加工打磨拋光等減材法，以及少量限于補漆、電鍍鉻、刷鍍鎘的涂鍍層恢復法。由于維修技術條件規定的允許修理損傷容限標準過于嚴格或內容偏少覆蓋不全，使得一些局部小缺損本來可以修復使用的，維修企業只得從嚴控制報廢；而且減材打磨拋光后，一些精密配合部件的尺寸公差越來越大，影響產品密封間隙造成泄漏隱患。同時經過二次三次累計修理后，因修理尺寸限制，一旦尺寸超過極限值則必須報廢。這種維修方式的缺點顯而易見：大修后的產品技術狀態沒有恢復到新品狀態，無法滿足飛機高可靠性要求。且因尺寸極限損耗報廢率高，經濟性不好。作為最高級別的維修，大修后飛機的性能指標必須達到技術標準所規定的要求；大修后的飛機外觀質量應與新飛機無顯著差別。

隨著新型先進飛機產品越來越復雜、新結構新材料應用越來越多，大修恢復性修理保障要求越來越高，以及綠色維修理念的發展和維修方式的變革，飛機維修工程正在向表面工程、再制造工程深入發展。飛機修理從換件修理向修復/再制造轉變，從大修如舊向大修如新、大修超新轉變，從一般件修復擴展到關鍵重要件修復，從結構件擴展到功能件，從表面層修復擴展到表面層與基體綜合性修復，修復再制造應用范圍不斷擴大。與此同時，表面工程、冷熱噴涂、激光熔覆等維修再制造技術、數字化技術的發展，為提高大修質量與可靠性水平提供了技術可能，也帶來了新技術應用與超手冊的修理問題等挑戰。

1 飛機金屬原件增材制造修復的必要性

飛機在服役使用過程中，使用性能的劣化往往是零部件材料或表面鍍涂層物理特性與結構參數尺寸的變化導致。如飛機操縱系統構件的動配合副在使用中軸和孔的配合表面，都會因不均勻磨損而產生圓度和柱度的偏差變大，致使配合副的間隙增大，工作性能劣化。飛機技術狀態劣化可以分三類：1)幾何尺寸類損傷改變了工件結構狀態：如磨損導致間隙公差配合等級降低，以致出現密封、泄漏等；2)損傷導致的零部件剩余強度性能滿足不了安全使用要求；3)工作性能參數超過了允許容差。例如，油泵的輸出量容差應能保證液壓系統、燃料系統的工作能力。

而飛機構件的腐蝕、磨損、疲勞微裂紋等故障基本發生在零部件的表面，缺陷還可以按幾何形狀尺寸分為點、線、面、體四類。因此物理特性的劣化可歸納為形狀尺寸類、材料強度類、表面涂層類三類?；謴蛽p傷件使用性能(包括幾何性能和力學性能)的增材制造修復歸結為材料強度的恢復、幾何尺寸的恢復、表面涂層的恢復。其中，等強度修復是性能恢復的基礎，等尺寸修復是性能恢復的關鍵。受目前的維修工藝技術水平限制，原件修復因修理深度不同存在著表1 所示的“大修如舊”、“大修如新”、“大修擬新”、“大修超新”的狀態。而增材制造修復技術是實現“大修如新”、“大修超新”的必要先進手段。

表1 不同等級的原件修復質量效果

原件修復是飛機設計與維修思想的重要組成部分。與更換新件相比，應用各種再制造修復新技術修復原件是提高飛機修理企業自主保障能力、創新備件供應保障模式、提高飛機修理質量、縮短修理周期、降低修理成本、延長飛機零件使用壽命的重要措施。

2 飛機金屬件增材制造修復技術應用技術方案

2.1 增材制造修復工藝流程

增材制造修復工藝流程是：零件分解-清洗-故障檢查-失效分析-修復再制造方案制訂-準備與前處理-增材修復/再制造-機械加工或特種加工-零件質量與功能檢測-裝配-部件功能試驗-合格評定與交付。

增材再制造修復恢復尺寸，并留有后續磨削、研磨、表面涂鍍層、表面強化層加工余量。根據故障件的損傷模式和尺寸進行可再制造修復性評定，以及根據失效分析進行修復再制造工藝方法選擇評價是兩個關鍵環節。

2.2 增材制造修理極限與可再制造性評定

根據零件服役環境行為及失效分析、損傷程度與可修理極限評估故障件的剩余壽命和可再制造修復性。

修理極限尺寸可根據技術條件規定的損傷容限或逆向工程分析確定。以腐蝕修理容限為例說明：1)允許損傷，不影響構件的強度和使用功能，譬如陽極化層損傷、輕度腐蝕及個別中等腐蝕。在全部去除腐蝕產物后不需做任何補強修理或更換損傷構件，僅需按相關要求進行表面防護處理，譬如恢復鍍層、涂層等。表面涂層去除后，基體金屬未腐蝕只有陽極化層破損?；w金屬腐蝕，但腐蝕深度小于原厚度的10%。2)可修理損傷，構件損傷比較嚴重，影響了結構強度和使用功能。去除腐蝕產物后需要進行合理的補強修理，譬如當中等腐蝕和個別嚴重腐蝕，腐蝕深度在原厚度的10%～20%之間時。3)不可修理損傷，構件嚴重損傷，去除腐蝕后無法修復或修理不經濟，需更換構件，譬如當腐蝕深度大于原厚度的20%時。

2.3 增材制造修復工藝方法選擇與涂鍍層設計

飛機金屬構件常見故障模式可分腐蝕類、磨損類、變形類以及裂紋類等，可根據構件基體材料和不同失效模式的修復目標確定修復用材料或表面涂鍍層。

修復時，應綜合考慮原設計制造涂鍍層性質，各種再制造修復工藝方法對零件材質的適應性，各種修復工藝方法可修補的厚度，各種修復覆層與基體結合強度，各種修復層的耐磨性、防腐蝕性、硬度等性能指標，各修復工藝及修復層對零件疲勞強度的影響及變形影響(分對基體無影響和對基體有影響兩類)，加工技術的成熟度和經濟性等，從而選擇對應的修復工藝方法。

目前進入實用階段的先進再制造技術種類有[1]：高速電弧噴涂技術、微納米等離子噴涂技術、納米復合電刷涂技術、微納米表面損傷自修復技術、特形面的微脈沖冷焊技術、激光再制造技術、再制造毛坯快速成形技術、冷噴涂技術、特種加工技術等。這些技術，根據對原工件尺寸的改變可分為三類：

1)等材修復技術：僅限于金屬構件原表面涂鍍層損傷的修復，涉及表面層恢復與表面改性。修復尺寸范圍限制在涂層厚度范圍內，一般為幾十微米到幾百微米范圍內，修復前后構件尺寸沒有變化。分表面改性技術如擠壓強化、噴丸強化、激光沖擊強化技術、離子注入技術、表面合金化、表面陽極氧化；薄膜技術如耐磨防護薄膜技術、耐腐蝕防護薄膜技術、潤滑薄膜技術、光學薄膜防護技術；涂層技術如熱障涂層技術、耐磨耗涂層技術、抗氧化涂層技術、耐蝕涂層技術、隱身涂層技術、憎水涂層技術。

2)增材修復技術：修復尺寸范圍涉及基體修復，一般為毫米級到厘米級，且留有后續機械加工至最終尺寸和表面光潔度余量。適用于構件腐蝕、磨損、微裂紋等損傷傷及基體尺寸的修復。包括傳統的加厚尺寸鍍鉻、激光熔覆、冷噴涂、熱噴涂、電鑄等。其技術特性及適用范圍分別詳見表2 和表3。

表2 常用增材修復技術特性

表3 各類增材修復技術適用范圍

3)減材修復技術：針對構件表面缺陷的切削加工、磨削和研磨加工、光整加工、復合加工、電解、磨粒流加工等。用于修復前加工去掉腐蝕、磨損、疲勞等缺陷區，為后續增材加工提供良好規則基面；或用于增材修復毛坯尺寸和表面光潔度的最終加工；或用于精密構件缺陷打磨拋光修復。

2.4 增材制造修復實施及質量控制

根據制造修理技術條件要求全面檢測再制造產品與表面涂覆層外觀、再制造覆層與基體的結合強度、厚度、硬度和殘余應力、孔隙率、耐磨性能、耐腐蝕性能以及零件強度等技術指標。

3 增材制造修復技術在飛機大修中的典型應用范圍

增材制造修復可以應用于：傳力與運動可靠性要求高、間隙與流體性能要求高以及互換性要求高的運動機構零部件性能與公差配合尺寸的精確修復；飛機各翼型前緣、進氣道等氣動敏感部位外形及尺寸的精確修復；為了保證飛機隱身性能不下降，對隱身飛機外形幾何形狀和尺寸如艙門口蓋間隙、階差的精確修復。這些典型部位詳見表4。

表4 飛機典型再制造修復應用部位

4 飛機大修中應用存在問題與建議

4.1 金屬原件增材制造修復存在問題

在開展飛機零件增材制造修復應用中，目前存在三大問題：(1)設計制造部門全壽命周期保障缺乏大修再制造修復標準及實施技術支持；(2)大修企業增材制造技術手段缺乏；(3)用戶對再制造修復產品的認可。導致擴大應用難度大，再制造修復技術潛力未得到充分發揮。

4.2 開展增材制造修復技術應用建議

1)因為故障發生的隨機性和故障模式的多樣性，導致面臨修復技術門類多、設備投資大、修復技術難度大、有的再制造新技術正在發展中、修復質量風險高、對維修人員技術要求高、修復用消耗原材料多等問題。因此再制造修復一直是飛機大修保障的難點。飛機基地級大修企業在進行大修能力建設規劃時，需統籌考慮將修復再制造技術作為大修保障重要內容納入大修保障資源設計規劃。引進激光熔覆設備、冷噴涂設備等再制造修復關鍵設備，積極開展增材制造修復技術應用，美軍非常重視新技術應用，將激光增材制造/再制造技術、冷噴涂技術、機器人技術、間歇式故障診斷技術、腐蝕監測技術等列入海軍艦載機維修保障目錄，投入設備和資金，值得我們借鑒。

2)飛機設計部門加強高價值件或關鍵重要件的修復再制造性設計、再制造損傷容限與技術標準、再制造修復技術研究，支持大修部門開展再制造修復技術應用，共同提高型號飛機的修復率和完好率。

3)再制造修復產品涉及新技術應用及超手冊修理的評審。需要嚴格充分的試驗評審才能裝機使用。大修企業需打消使用部門的質量顧慮，使用部門應轉變觀念，認可再制造修復件。