航空部件深度修復的技術及發(fā)展

馬 瑞 ，劉書霞 ，燕 翔

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.哈爾濱飛機工業(yè)集團有限公司，哈爾濱 150066；3.湖北三江航天紅陽機電有限公司，湖北 宜昌 444200）

0 引言

我國的航空維修業(yè)起步于20 世紀50年代，隨著設計能力、制造技術、工藝、材料、設備等的不斷發(fā)展迭代，航空維修在理念、維修方法、維修技術、維修深度等方面均發(fā)生了較大的變化和進步，從傳統(tǒng)“預防為主”的維修思想，發(fā)展為“以可靠性為中心”的維修思想[1]。它是建立在綜合分析飛機及其部件的狀態(tài)、性能固有可靠性的基礎上，針對不同機體及不同的故障模式，采用相對應的維修方法和工藝的預防性維修，它極大地帶動了部件深度修理技術的發(fā)展和應用。

本研究提到的航空部件深度修復技術，就是基于上述的維修思想，應用于部附件維修過程中的綜合性修理技術。航空部件深度修復技術是針對部件的損傷模式、損傷部位、基體材料、涂層材料、工作環(huán)境、裝配需求等多維度信息開展的以可靠性為前提的維修工藝技術。它針對部附件的損傷情況及修復或改造需求，用先進的材料和制造技術進行維修、維護或再制造工作，使其至少滿足一個翻修周期的使用要求。

據(jù)統(tǒng)計，2017年我國從事部件維修的企業(yè)超過220 家，其中僅從事部件維修項目的有108 家[2]。原生產(chǎn)廠家（OEM）的修理技術的帶入和國內民航維修市場的迅速崛起，對國內航空維修技術特別是部件深度修復技術水平的提高起到了很好的推動作用[3]。

本研究介紹航空部件深度修復的基本思路，并給出深度修復的具體應用，分析目前國內在航空部件深度修復技術方面的應用現(xiàn)狀，探討其技術發(fā)展趨勢。

1 航空部件深度修復的基本流程與思路

傳統(tǒng)的航空部件修理工作是針對部件的損傷、故障采用原制造工藝進行修補，按照設計和制造手冊、標準開展，這種方式雖然解決了工程上的使用問題，但對于損傷和故障的成因未開展分析，修理后的產(chǎn)品在后續(xù)的使用中會持續(xù)出現(xiàn)原來的損傷和故障[4]。

而深度修復技術的主要思路是以滿足至少一個翻修周期為前提，開展修理技術研發(fā)。將損傷與失效的原因分析、可修復性評估、修復工藝可靠性評估及修復后產(chǎn)品可靠性評估，與維修技術研發(fā)流程充分融合，針對設計、制造缺陷采用新技術進行改善，在修復產(chǎn)品基本性能的同時，避免損傷、故障的持續(xù)反復出現(xiàn)，滿足其安全服役的要求[5]。深度修復技術突破原有制造工藝，根據(jù)損傷評估、可靠性分析等結果，選擇新材料、新工藝、新技術，增加修理深度，修復原有零部件缺陷，并針對損傷的成因，通過修復技術和方法進行性能改善或防護，避免損傷反復發(fā)生對飛機運行產(chǎn)生影響。如伊爾76 飛機30CrMnSiNi2A 高強鋼起落架在我國服役后進入大修，關鍵部位的磨損及腐蝕損傷均已超過設計要求，采用耐腐蝕粉末加入硬質顆粒，做修復可靠性評估與試驗模擬后，用3D 打印技術進行了修復。修復后服役一個大修期后，磨損和腐蝕損傷很輕微，新的修復工藝具有明顯的改善效果。

在修復中加入可靠性評估，可以判斷零件是否具有可修復性和修復可靠性?？尚迯托园思夹g和成本兩部分，評估修復部件的受損情況能否通過修復的手段使其重新滿足設計或使用要求。修復可靠性則主要針對零部件的修理質量和壽命等開展評估[6]。

國外對于零部件的損傷和缺陷均采用類似的考核方式選擇修理工藝，即根據(jù)損傷形式、深度、工況要求等選擇焊接、噴涂、強化、熱處理等熱工藝進行深度修復工作。對于零部件的延壽通常會采用恢復性能熱處理或表面強化工藝開展修復。為確保經(jīng)過修復的部件性能達到或超過新品或滿足一個使用周期的要求，對損傷部件開展修復工作前、后都還需要進行組織、力學性能分析，以及可靠性評估和壽命預測等評價工作，使得被修復部件在服役期安全可靠。近年來，國內在該領域也逐漸開展了相關技術的研究與應用。目前通用的深度修復工藝流程如圖1 所示。

圖1 航空部件深度修復工藝典型流程圖Fig.1 Typical flow chart of aeronautical component repair process

深度修復技術的主要應用對象包括服役后的損傷部件、到壽部件和新品超差部件。服役部件包括工作環(huán)境、裝配、外物、設計等因素導致的損傷待修復零部件。到壽部件包括日歷壽命、工作次數(shù)/小時、工藝次數(shù)、損傷程度等到壽的部件。新品超差部件包括在生產(chǎn)、制造、加工過程中產(chǎn)生的材料組織夾雜、疏松、孔隙以及外部磕碰、劃傷等導致的超差的產(chǎn)品部件。損傷模式和原因包括磨損、腐蝕、裂紋、打傷、劃傷和燒蝕等。

2 常用深度修復技術的特點和適用性

目前在部件的深度修復方面以焊接、噴涂、強化為主要技術方式，這些技術在國外的修理領域已應用多年，相對比較成熟。在國內的部件修復行業(yè)中，傳統(tǒng)熔焊和釬焊技術應用普遍，熱噴涂、激光熔敷、強化技術近年來發(fā)展迅速，熱處理恢復性能和熱等靜壓技術在部件修復及其延壽上的應用仍在研究中，尚未進入工程上的成熟應用。國內針對以上技術在拓展修理深度、增加可靠性分析、改善零部件性能并加強損傷防護等方面的研究和應用時間較國外略短，因此深度修理技術在國內仍有待大力發(fā)展，具有廣泛的應用空間。

2.1 焊接修復

焊接是航空部件最主要的修復技術手段之一。它針對有一定深度的損傷、缺陷以及有強度要求的工況部件進行修復，解決損傷部位尺寸及性能恢復問題。用焊接技術開展深度修復的關鍵技術包括焊接材料的設計選擇、修復后基體組織和焊接缺陷的控制、焊后部件力學性能的調控、焊接變形的控制等[7]。

1）弧焊技術是航空部件的傳統(tǒng)修理技術手段，以操作靈活方便、修復成本低、修復可達性好、適用材料廣等優(yōu)點，在飛機、發(fā)動機、燃氣輪機部件修復中得以普遍使用。但在修復高Al、Ti 含量的鎳基鑄造高溫合金時，易產(chǎn)生焊接裂紋，其較大的熱應力也會造成焊接變形。另外，微弧等離子焊的修復效率略低、自動化程度不高，在國內修復領域應用較少。

2）釬焊技術具有母材不熔化的特點，適用于工作溫度較高的部件修復，如發(fā)動機、燃氣輪機的熱端部件，但焊接區(qū)域的結合強度略弱于其他的焊接技術方法。真空釬焊技術可有效地避免產(chǎn)生結晶裂紋，焊接變形小，殘余應力小，適合高Al、Ti 鑄造高溫合金修復。它可同時修復零件不同位置的多條裂紋，或對多個零部件進行批量修復，效率較高。感應釬焊加熱速率快，熱作用時間短，對部件基體材料損傷小，可以實現(xiàn)局部加熱，對非焊接區(qū)的影響小于真空釬焊。由于釬焊技術對于工作環(huán)境的限制要求，它不適用于大尺寸零部件的修復。

3）摩擦焊接是在壓力作用下摩擦產(chǎn)生熱量而形成焊縫。與熔焊相比，金屬是在熱塑性狀態(tài)下實現(xiàn)的類鍛態(tài)固相連接。摩擦焊接的焊縫強度與母材強度相當，其焊接質量穩(wěn)定、一致性好，并可實現(xiàn)相異材料的焊接。此外，線性摩擦焊技術可處理結構不對稱的焊接件，適用于針對非圓形截面的焊接。

4）高能束焊接技術在深度修復上的應用近年來發(fā)展迅速，激光焊接（含激光熔敷）和電子束焊接被納入航空修理再制造范疇。相對于弧焊等傳統(tǒng)技術，高能束焊接的功率密度高、能量釋放快，極大地提升了焊接效率和精度。激光焊接技術可將熱輸入降低到需要量，從而減小熱影響區(qū)和焊接變形，并且不受操作空間限制，焊道深寬比可達10∶1。除鋁合金等高反射高導熱的材料以外，其他金屬類部件均可應用。電子束焊接的總熱輸入量低、熱影響區(qū)和焊接變形小，真空環(huán)境的焊接質量高，焊接可達性好，焊道最大深寬比為50∶1；但焊接件的尺寸和形狀會受到真空室的限制，不利于大尺寸零件的焊接，且更適合補焊規(guī)則的焊縫。

2.2 表面工程修復

表面工程修復技術是近年來發(fā)展和應用迅速的深度修復方法之一，也被納入航空修理再制造技術范疇。表面工程技術是以恢復零部件原有尺寸為基礎，改善或恢復部件涂層性能的一種深度修復手段。它針對不同基體材料的輕微或淺表層損傷缺陷，以及耐磨、抗腐蝕、耐高溫、潤滑等功能性要求，選用熱噴涂、冷噴涂、強化等技術完成涂層的修復和性能改善?；w材料及修復需求常規(guī)選用的修復工藝如表1 所示。

熱噴涂包括超音速噴涂、爆炸噴涂、火焰噴涂和等離子噴涂等工藝，目前在生產(chǎn)制造中使用廣泛，但在國內航空零部件深度修復中仍處于發(fā)展階段[8]。它通過選用不同的涂層材料，配合不同的噴涂工藝，制備形成耐磨、耐腐蝕、抗高溫氧化、熱障功能、電磁屏蔽吸收、導電等功能性涂層，在滿足零部件修復的同時，改變涂層性能，拓展了修理深度。它可使用的涂層材料涉及幾乎所有的金屬合金、陶瓷、金屬陶瓷及其他非金屬無機材料。

超音速火焰噴涂工作時，零件表面溫度為200～250 ℃，對于WC-Co 系硬質合金可有效抑制WC 在噴涂過程中的分解，涂層結合強度高、致密，且耐磨損性能超過等離子噴涂層和電鍍硬鉻層，針對一般金屬、非金屬基體均可開展修復工作，對部件的形狀、尺寸不受限制，涂層適用廣泛。該工藝方法對基體影響小，不會造成基體變形、組織變化。目前，在航空修理中已成功使用超音速火焰噴涂替代了電鍍硬鉻工藝。

表1 表面工程修復工藝與應用需求Table 1 Surface engineering repair technology and application requirements

爆炸噴涂的涂層粒子飛行速率高、動能大，是熱噴涂工藝中涂層結合強度最高、孔隙率最低的一種工藝方法，且零件表面溫度低于200 ℃，對基體的熱損傷小，不會產(chǎn)生形變和組織變化，涂層厚度容易控制，加工余量小。可噴涂的材料從低熔點鋁合金到高熔點的陶瓷均可。爆炸噴涂適用于小尺寸零件及精密零部件的深度修復使用。

冷噴涂技術是在低溫狀態(tài)下實現(xiàn)涂層沉積，涂層粒子速率快且不熔化，基體表面溫度不超過150 ℃，對基材的熱影響小，接近鍛造組織，涂層有明顯壓應力，涂層致密且有較高的涂層厚度極限，厚度可達數(shù)毫米，耐蝕性優(yōu)于熱噴涂[9]。

表面強化技術可有效提高零部件表面的應力腐蝕性能和疲勞斷裂結構的安全性，也可提高破壞的容忍性和持久性，延長零部件壽命。傳統(tǒng)的表面強化包括噴丸、滾壓、擠壓工藝，高能束強化包括激光強化、電子束強化、離子束強化等。國內雖多次使用強化工藝，但其仍處于研究和驗證過程中，因此針對二次強化和多次強化的工程化應用仍具有局限性。激光強化工藝可以產(chǎn)生深度為1～2 mm 的殘余應力層，是常規(guī)噴丸強化工藝應力層的4～8 倍，目前已應用于發(fā)動機風扇葉片的制造和修理。

2.3 熱處理

熱處理是修復后性能改善和延壽的主要技術手段之一，用于消除在服役過程中或修復中產(chǎn)生的殘余應力，調整、恢復材料的組織狀態(tài)?；謴托阅軣崽幚砘驘岬褥o壓處理針對壽部件，尤其是高溫合金的相變化，或微缺陷導致的拉伸、持久性能下降等問題，根據(jù)相析出、長大、溶解、擴散等原理，采用變形控制等技術進行組織恢復、缺陷閉合，使由于熱作用、機械作用而導致的力學性能衰減得以全部或部分恢復。

航空發(fā)動機渦輪葉片、擴壓器、燃燒室機匣、渦輪盤等熱端部件，多為鎳基、鈷基高溫合金，其在高溫下長期工作，合金中的析出相會發(fā)生變化，或者出現(xiàn)微缺陷，導致高溫拉伸性能、持久性能下降。由于高溫合金中析出相具有可逆特性，在不同的溫度下有析出和溶解特性，這種特性給延壽提供了可能。即采用以上方法調整到壽部件中的析出相，恢復材料的組織和性能、閉合缺陷，使構件恢復達到服役所需要的性能，延長工作壽命。

3 各修理技術在航空部件上的應用

目前，焊接技術在飛機以及發(fā)動機部件深度修理上的成熟應用見圖2、圖3。

弧焊技術由于其便于操作的特點，更適合應用于較大尺寸零件的原位焊接需求，可修復磨損、腐蝕、裂紋、劃傷和新品加工缺陷等損傷模式。

釬焊技術因為在操作上的限制因素，僅針對飛機機身導管、發(fā)動機和燃機的壓氣機葉片、渦輪葉片、封嚴結構等小尺寸零部件開展了成熟的修復應用，可修復磨損、裂紋、密集裂紋、燒蝕等損傷模式。

圖2 焊接技術在飛機關鍵部件深度修復上的應用分布Fig.2 Application of welding technology in repair of key aircraft parts

圖3 焊接技術在發(fā)動機關鍵部件深度修復上的應用分布Fig.3 Application of welding technology in repair of key engine parts

摩擦焊技術其設備成本高，目前在航空部件深度維修中僅在發(fā)動機葉片修復上較少應用。

激光焊接技術在不考慮修復成本的前提下，可以實現(xiàn)深度修復中最廣泛的應用，它覆蓋除Al 合金等高反射高導熱的材料以外的全部金屬零部件，以及所有焊接技術可修復的全部損傷模式。由于電子束焊接技術的特點和限制，現(xiàn)僅在航空發(fā)動機葉片修復中有過成功應用。

表面工程技術目前在飛機以及發(fā)動機部件深度修理上的成熟應用見圖4、圖5。

圖4 表面工程技術在發(fā)動機部件上修復應用Fig.4 Application of surface engineering technology in repair of key engine parts

圖5 表面工程技術在飛機關鍵部件深度修復上的應用分布Fig.5 Application of surface engineering in repair of key aircraft parts

熱噴涂工藝相較于傳統(tǒng)電鍍技術，其涂層與基體的結合屬于物理結合，不能承受交變載荷和沖擊載荷。因此它對于零部件的使用工況需要綜合分析和評估，一般不能適用于高溫環(huán)境下的零部件修復，目前在飛機修復上的應用有機身、起落架、平尾、垂尾等軸、活塞桿、各種筒類件等零部件。其可以修復的損傷模式包括磨損和功能性涂層的防護等。

冷噴涂技術在金屬、陶瓷、玻璃等材料表面都可以開展修復工作，在制備鋁合金、銅合金零部件時冷噴涂工藝的致密性更好[10]。國內航空部件修復領域中對鋁合金、鎂合金零件的尺寸恢復和耐蝕防護處理已開展了成熟應用[11]。

表面強化技術是擴展修理深度的一種方法，可提高零件疲勞強度，改善原有工藝和設計的不足。目前，在飛機發(fā)動機的轉動部件、傳動部件、連動部件和主承力部件的承力外表面、內壁、孔、螺紋、圓角等應力集中部位都得到了廣泛應用。

恢復性能熱處理技術或者熱等靜壓技術不能影響構件上其他不可拆卸材料的性能，也不能使構件變形超過裝配精度要求，適用于渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤、擴散機匣、擴壓器等單一材料構件。另外，對于沒有壽命要求的部件如導向葉片，對損傷的裂紋進行修復可與恢復性能熱處理同時進行，既修復了裂紋又改善了性能。此技術仍處于研究驗證階段，尚未得到成熟的工程應用。

4 深度修復技術未來發(fā)展展望

隨著飛機的設計、制造技術以及材料、工藝等的不斷發(fā)展進步，新工藝、新技術，如智能制造、再制造等先進技術陸續(xù)進入了航空關鍵件修復領域[12]。修復技術體系也幾乎涵蓋了新品制造的全部材料、技術方法，但修復技術不同于新品設計制造技術，修理難度在一定程度上大于新品制造難度，修理與制造的評價準則也不相同。因此維修行業(yè)對于深度修復技術及可靠性評價準則的建立和發(fā)展需求越來越迫切。

為了確保航空飛機維修保障工作的順利開展、完成，確保飛機的安全運行和服役，深度修復技術應開展全面、系統(tǒng)的研究，針對零部件的材料、修理工藝、延壽技術、評估評價等幾個方面開展的技術研發(fā)和驗證，建立相應的技術體系和標準，對深度修理的應用起到準則和指導作用。

在深度修復流程和思想中應將可靠性評估作為重要組成部分，重點關注和發(fā)展?？煽啃栽u估是根據(jù)修復工藝試驗過程中獲得的各性能、組織、缺陷和殘余應力等數(shù)據(jù)，結合修復部件、模擬件關鍵性能驗證考核結果所進行的綜合性安全評估，并預測修復后的使用壽命的綜合性評價技術。在深度修復流程中，可靠性評估尤為關鍵。目前國內深度修理行業(yè)正在逐步地認識可靠性評估的重要性和必要性，但與國外相比，無論是重視程度、數(shù)據(jù)收集、評估評價體系建立等方面均還有較大差距。

深度修復技術應突破現(xiàn)有的制造技術，更多的采用高自動化、智能化的技術工藝，如激光3D 打印技術、電子束熔絲沉積、等離子噴涂、激光強化等技術。用新技術、新工藝盡可能的替代原有制造工藝，由于進入維修期飛機的原有制造工藝和維修手冊已落后于現(xiàn)有技術至少10年的發(fā)展水平，因此更多的采用新工藝，不但可以改善原有設計、工藝的不足，提高可靠性和服役安全周期，還可以提高修理的效率。但相對于傳統(tǒng)工藝，有時會提升修理成本。

深度修復技術還應拓展現(xiàn)有單一工藝開展修理的局面，對深度修復技術、工藝進行組合，開展復合式修理技術研發(fā)和應用。由于深度修復要根據(jù)零件材料、缺陷類型、工作環(huán)境、性能要求等選擇工藝方法和材料修復，不同的修復種類和方法，其技術優(yōu)點各有所異，適應對象也不完全相同。因此沒有哪種工藝方法能夠適用于所有的缺陷，復合修理工藝可以針對零部件的損傷、工況、性能等多維度要求，選擇焊接、噴涂、強化、防腐等跨領域的應用組合，突破原有單一修理工藝的技術和應用局限性，實現(xiàn)甚至超越原有零部件的設計和使用需求。

隨著我國航空市場的活躍和拓展以及航空產(chǎn)業(yè)各領域技術能力的提升，深度維修技術迎來了高速發(fā)展階段。基于目前國外技術封鎖等現(xiàn)狀，國內對于航空領域的自主維護保障、制造維修技術的自主創(chuàng)新、突破關鍵技術封鎖的需求也越來越迫切。借助國家大力發(fā)展民航飛行事業(yè)，以及軍民融合的發(fā)展政策和趨勢，我國航空零部件深度維修市場會更加開放，技術融合和技術創(chuàng)新及新技術應用的機遇和接受度的提升，也將為航空深度維修技術發(fā)展提供最佳時機，并最終實現(xiàn)我國深度維修技術和知識的自主保障。