飛機(jī)金屬零件焊接及增材制造修復(fù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

楊愛民 秦仁耀 張國(guó)棟

摘要：金屬零件的修復(fù)技術(shù)是飛機(jī)維修的核心技術(shù)，其發(fā)展關(guān)乎我國(guó)航空維修水平與能力的提高。針對(duì)飛機(jī)領(lǐng)域涉及的金屬零件修復(fù)技術(shù)，包括鎢極氬弧焊、等離子弧焊、攪拌摩擦焊等焊接修復(fù)技術(shù)和激光直接沉積、電子束熔絲沉積、冷噴涂等增材制造修復(fù)技術(shù)，分析其工藝特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)，梳理其技術(shù)研究和工程應(yīng)用現(xiàn)狀。指出了國(guó)內(nèi)外航空修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用存在的差距，并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)、研究方向和重點(diǎn)做出了研判。

關(guān)鍵詞：航空維修;飛機(jī);金屬零件;焊接修復(fù);增材制造修復(fù)

0? ? 前言

飛機(jī)、現(xiàn)代鐵道車輛等承載結(jié)構(gòu)在制造和服役過(guò)程中產(chǎn)生的缺欠和傷損，會(huì)降低結(jié)構(gòu)的承載能力和服役壽命。對(duì)經(jīng)安全評(píng)估后不可接受的缺欠和傷損（即缺陷）進(jìn)行修復(fù)，是提升結(jié)構(gòu)壽命和減低成本的重要手段和途徑之一，近年來(lái)得到工業(yè)界的廣泛重視[1]。其中，航空修理是指飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)在服役期間的維護(hù)及定期修理，以確保航空飛行的安全可靠[2]。飛機(jī)在起降與飛行過(guò)程中經(jīng)受復(fù)雜的拉壓彎扭及振動(dòng)和沖擊載荷，承受大氣腐蝕、沙塵等環(huán)境的侵蝕作用，其金屬零件會(huì)發(fā)生磨損、腐蝕甚至裂紋等損傷。在日常檢修和周期性維修過(guò)程中，對(duì)損傷嚴(yán)重但尚未達(dá)到報(bào)廢要求的金屬零件進(jìn)行可靠、及時(shí)和成本可控的修復(fù)，對(duì)于保障飛機(jī)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性，以及保障任務(wù)執(zhí)行和出勤率，具有重要的作用和意義[3-4]。飛機(jī)金屬零件的修復(fù)是航空維修的核心技術(shù)，是各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的維修保障技術(shù)。隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)、材料和制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的維修技術(shù)越來(lái)越難以滿足先進(jìn)飛機(jī)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需求[5]。因此，發(fā)展和掌握飛機(jī)起落架、框梁等承力關(guān)重件和傳動(dòng)器、齒輪箱等復(fù)雜零件的修復(fù)技術(shù)，是提高飛機(jī)自主維修能力、保障航空安全運(yùn)行、保障軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗能力的內(nèi)在要求，也是控制航空運(yùn)行成本和加快形成國(guó)內(nèi)航空維修產(chǎn)業(yè)化能力、降低民航國(guó)外送修率的客觀需求。

目前在飛機(jī)修理領(lǐng)域，以鎢極氬弧焊為代表的焊接修復(fù)技術(shù)和以激光直接沉積為代表的增材制造修復(fù)技術(shù)共存互補(bǔ)，各有所長(zhǎng)和適用場(chǎng)合。增材制造在維修領(lǐng)域的應(yīng)用包括兩個(gè)方面，一是可作為再制造技術(shù)用于航空零件損傷的修復(fù)，二是可用于維修所需備件的增材制造。文中僅涉及零件損傷的增材制造修復(fù)，即損傷零件的再制造。

1 飛機(jī)金屬零件修復(fù)技術(shù)種類與特點(diǎn)

1.1 焊接修復(fù)

飛機(jī)零件主要損傷形式有磨損、裂紋、腐蝕和加工缺陷。根據(jù)零件、材料、缺陷類型的不同，采用不同的焊接方法進(jìn)行修復(fù)[6]，常用的焊接方法主要有焊條電弧焊、氬弧焊、等離子弧焊、激光焊、電子束焊等，近年來(lái)單面電阻點(diǎn)焊、攪拌摩擦焊等修復(fù)新方法開始出現(xiàn)。不同焊接修復(fù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域如表1所示。

（1）焊條電弧焊修復(fù)。

焊條電弧焊修復(fù)是采用藥皮焊條對(duì)部件損傷進(jìn)行補(bǔ)焊，主要用于結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、鎳基合金類材料部件的修復(fù)，優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、可達(dá)性好、成本低。一代、二代等早期飛機(jī)零件多采用該方法修復(fù)，目前應(yīng)用較少。

（2）鎢極氬弧焊修復(fù)。

鎢極氬弧焊修復(fù)主要采用手工焊方式，是目前最常用的焊接修復(fù)方法。其特點(diǎn)是操作靈活方便、適用范圍廣、修復(fù)成本低。其不足是：大面積修復(fù)時(shí)的熱應(yīng)力和變形較大;用于焊接性差的材料，如碳含量高的高強(qiáng)度鋼等材料修復(fù)時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。

（3）等離子弧焊修復(fù)。

與氬弧焊相比，等離子弧焊能量密度高、熱輸入小、焊接變形小、產(chǎn)生裂紋傾向性小，多用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)局部磨損部位的自動(dòng)堆焊修復(fù)。

（4）激光焊修復(fù)。

激光焊修復(fù)的主要方式是激光焊接補(bǔ)片，即利用激光焊接將補(bǔ)片或補(bǔ)塊焊接到零件受損部位進(jìn)行重建，然后再按零件形狀要求進(jìn)行修磨。主要優(yōu)點(diǎn)是能量密度更高、焊接熱輸入更小、熱影響區(qū)小和焊接變形小。

（5）電子束焊修復(fù)。

電子束焊修復(fù)的特點(diǎn)與激光焊相似，主要采用焊接補(bǔ)片的形式，適用于補(bǔ)焊規(guī)則的焊縫。一般需要對(duì)待補(bǔ)焊部位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)形狀加工，再進(jìn)行補(bǔ)片焊接。

（6）電阻點(diǎn)焊修復(fù)。

電阻點(diǎn)焊最適合用于飛機(jī)零件損傷修復(fù)的方式是單面點(diǎn)焊。其基本原理是：由焊件的一側(cè)施加電極壓力，通過(guò)點(diǎn)焊機(jī)向焊接區(qū)輸送焊接電流，對(duì)焊件接觸面通電加熱，利用塑變能和熱能激活接觸點(diǎn)的原子，形成熔核、實(shí)現(xiàn)連接。單面點(diǎn)焊操作方便、受結(jié)構(gòu)限制少，適合于飛機(jī)結(jié)構(gòu)裂紋、缺口、破孔和剛度失穩(wěn)等損傷的原位快速修復(fù)[7]。

（7）攪拌摩擦焊修復(fù)。

攪拌摩擦焊是一種固相連接技術(shù)，焊接過(guò)程中材料只是軟化而非熔化，軟化的組織不受重力影響，因而可用于免拆卸修理和原位修理，提高修理效率。適用于飛機(jī)機(jī)體構(gòu)件裂紋、破孔、缺口、斷裂等損傷的修理[8-9]。

1.2 增材制造修復(fù)

由于在維修過(guò)程中發(fā)生變形、開裂或熱損傷而造成零件報(bào)廢，或者由于修復(fù)后使用壽命縮短，許多零件不能用現(xiàn)有焊接技術(shù)維修。此外，維修效率低、沉積成形差、后續(xù)加工量大也是制約焊接修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的因素[10]。在這種情況下，增材制造技術(shù)為航空維修和大修提供了新穎獨(dú)特的解決方案。該技術(shù)適用的材料更為廣泛，能夠維修可焊性差的材料，具有自動(dòng)化程度高、熱應(yīng)力小、變形小等優(yōu)點(diǎn)[5]。目前適用于飛機(jī)金屬零件修復(fù)的增材制造技術(shù)主要有激光直接沉積、電子束熔絲增材制造、電弧增材制造[11]。冷噴涂作為一種更廣義的增材制造工藝，在飛機(jī)修復(fù)領(lǐng)域也極具應(yīng)用前景。

（1）激光直接沉積修復(fù)。

采用激光熔敷技術(shù)可以避免普通焊接維修帶來(lái)的很多問(wèn)題，但是仍然存在生產(chǎn)效率低、表面質(zhì)量差、報(bào)廢率高和后續(xù)加工困難等一系列問(wèn)題。激光直接沉積是激光熔覆技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。激光直接沉積修復(fù)技術(shù)以金屬粉末為材料，在CAD/CAM軟件支持下，NC控制激光頭、送粉噴嘴和工作臺(tái)按指定空間軌跡運(yùn)動(dòng)，依據(jù)缺陷幾何形狀，在待修復(fù)部位逐層成形，最后生成與缺陷部位近形的三維實(shí)體，完成對(duì)損傷零件的幾何形狀和力學(xué)性能的恢復(fù)[12]。

激光直接沉積修復(fù)是目前應(yīng)用最廣的增材制造修復(fù)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)有：

a.高能密度激光作為能量源，熱輸入小，零件修復(fù)區(qū)域的熱影響區(qū)小，因而應(yīng)力及變形小。

b.零件基體和激光修復(fù)區(qū)界面處為致密的冶金結(jié)合，不會(huì)出現(xiàn)脫落、剝離等問(wèn)題。

c.激光修復(fù)區(qū)的力學(xué)性能良好。

d.激光修復(fù)區(qū)形狀和零件缺損形狀接近，表面質(zhì)量好，修復(fù)后僅需少量的處理即可使用。

e.修復(fù)過(guò)程可由計(jì)算機(jī)控制，無(wú)需人為干涉，修復(fù)可靠性高、重復(fù)性好，可修復(fù)形狀復(fù)雜零件。

修復(fù)步驟包括修復(fù)前準(zhǔn)備（損傷部位信息采集、加工和清理）、修復(fù)、修復(fù)后處理（修復(fù)部位機(jī)械加工及熱處理）。

（2）電子束熔絲增材制造修復(fù)。

電子束熔絲增材制造在真空室內(nèi)進(jìn)行，用于重要鈦合金零件的修復(fù)，有利于保證零件性能。

（3）電弧增材制造修復(fù)。

電弧增材制造技術(shù)可采用非熔化極和熔化極惰性氣體保護(hù)焊、熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊以及冷金屬過(guò)渡焊方法。其中冷金屬過(guò)渡焊更適合用于修復(fù)。該技術(shù)通過(guò)數(shù)字化協(xié)調(diào)熔滴過(guò)渡和送絲運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控方式下的短電弧和焊絲的換向送絲監(jiān)控。熔滴過(guò)渡時(shí)電弧熄滅，焊接電流降低為0，從而大大降低焊接熱輸入，實(shí)現(xiàn)無(wú)焊渣飛濺，而且電弧更加穩(wěn)定。

此外，微束等離子弧增材制造也可歸類于電弧增材制造范疇，用于修復(fù)時(shí)多采用送絲模式。該技術(shù)以小電流（通常小于30 A）的等離子弧為熱源，通過(guò)熔絲方式在工件表面以擬定的路徑實(shí)現(xiàn)逐層材料的堆積[13]。其具有自動(dòng)化程度高、型面近凈成形、力學(xué)性能高等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

（4）冷噴涂增材制造修復(fù)。

冷噴涂增材制造是一種基于高速粒子固態(tài)沉積的涂層制造方法，修復(fù)的零件表面溫度低、變形小。特別適用于溫度敏感材料（Al、Cu、Mg）合金的零件修復(fù)。在航空維修領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，配合便攜式噴涂設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)失效零件的現(xiàn)場(chǎng)快速修復(fù)。

（5）微弧沉積與激光熔覆復(fù)合修復(fù)技術(shù)。

微弧沉積與激光熔覆復(fù)合修復(fù)技術(shù)是利用微弧沉積和激光熔覆交替在損傷零件表面形成冶金修復(fù)層的再制造技術(shù)。其具有熱影響區(qū)極?。?.1～0.2 mm），熔覆層與基體金屬為冶金結(jié)合等特點(diǎn)[14]。主要用于超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼等飛機(jī)關(guān)鍵重要受力構(gòu)件的表面損傷修復(fù)。

2 國(guó)外飛機(jī)零件修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用

2.1 焊接修復(fù)

鎢極氬弧焊修復(fù)技術(shù)在國(guó)外飛機(jī)維修領(lǐng)域已獲得了成熟應(yīng)用。

英國(guó)空中客車公司對(duì)在役商用客機(jī)的機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊修理進(jìn)行了研究[15]。文獻(xiàn)[8-9]指出，采用攪拌摩擦焊修理機(jī)翼裂紋能消除高應(yīng)力集中，使蒙皮表面需要的首次安全檢驗(yàn)時(shí)間推遲3.5 倍，并減少了隨后的檢驗(yàn)次數(shù)。對(duì)框、肋裂紋進(jìn)行攪拌摩擦焊修理時(shí)，攪拌頭沿裂紋方向進(jìn)行焊接，如圖1 所示，即可消除裂紋，并且基本達(dá)到等強(qiáng)度修理的性能指標(biāo)。與鉚接加強(qiáng)片修理方案比較，攪拌摩擦焊提高了修理速度和修理質(zhì)量，而且不會(huì)增加額外的修理重量。

攪拌摩擦焊用于蒙皮破孔修理時(shí)，先將破孔切割成規(guī)則形狀，再對(duì)切割孔和補(bǔ)片邊緣進(jìn)行機(jī)械加工，使邊緣成一定互補(bǔ)的角度，再進(jìn)行攪拌摩擦焊接，如圖2所示。不僅可滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，而且不改變氣動(dòng)性能。

對(duì)于位于翼梁、翼肋等飛機(jī)骨架構(gòu)件上的缺口損傷，采用攪拌摩擦焊技術(shù)修理時(shí)，僅需對(duì)腹板作局部更換，然后操縱攪拌頭沿新腹板和原腹板連接處進(jìn)行移動(dòng)焊接，即可完成修理。

2.2 增材制造修復(fù)

隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，高附加值、修復(fù)性能要求高的飛機(jī)零件更多地采用增材制造技術(shù)修復(fù)[16-17]。

美國(guó)AeroMet公司率先將激光直接沉積應(yīng)用于飛機(jī)修復(fù)，使F15戰(zhàn)斗機(jī)中機(jī)翼梁的檢修周期縮短為1周[12]。美國(guó)賓州大學(xué)研制出便攜式1 800 W Nd：YAG激光修復(fù)設(shè)備，利用光纖與機(jī)器人結(jié)合的系統(tǒng)對(duì)海軍艦艇與飛機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位激光直接沉積修復(fù)。

2000年，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）開始開展冷噴涂修理技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，涉及B-1轟炸機(jī)、F-18戰(zhàn)斗機(jī)、“ 黑鷹 ”直升機(jī)和“ 海鷹 ”直升機(jī)的冷噴涂修理工作。目前，該中心應(yīng)用冷噴涂修理軍機(jī)的成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)被移植至民用領(lǐng)域[18]。穆格（Moog）公司采用鈦、不銹鋼、銅和其他原料粉末對(duì)機(jī)輪、機(jī)身板類件等進(jìn)行冷噴涂修理。美國(guó)Villafauerte等人采用冷噴涂技術(shù)修復(fù)飛機(jī)鋁-鎂合金零件的腐蝕區(qū)域。美國(guó)Champagne等人采用冷噴涂Al涂層，對(duì)飛機(jī)傳動(dòng)器和齒輪箱的鎂合金外殼進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)件服役超過(guò)7 000 h而未見明顯腐蝕。該技術(shù)的推廣有望減少40%的零件更換。

FAA目前批準(zhǔn)的冷噴涂維修技術(shù)應(yīng)用范圍限于變速箱或殼體等附件。Airborne維修工程公司（AMES）正致力于向FAA證明冷噴涂技術(shù)可應(yīng)用于機(jī)體結(jié)構(gòu)件。AMES首先選擇次級(jí)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行修理驗(yàn)證，如蒙皮面板、空氣負(fù)載拱肋和波音767的機(jī)輪等結(jié)構(gòu)件。為降低成本和提高環(huán)保性， AMES率先在軍機(jī)的冷噴涂修理中以氮?dú)馓娲?，目前還在試圖獲得民航維修領(lǐng)域的應(yīng)用許可。

2.3 修復(fù)結(jié)構(gòu)完整性和壽命評(píng)估

現(xiàn)代修復(fù)技術(shù)從技術(shù)上需要考慮結(jié)構(gòu)失效部位是否修復(fù)完全、修復(fù)過(guò)程中的焊接缺陷以及修復(fù)后的性能能否達(dá)到工作要求等問(wèn)題，因此應(yīng)將焊接修復(fù)的完整性評(píng)定作為修復(fù)系統(tǒng)工程的一部分進(jìn)行配套解決。根據(jù)國(guó)外已經(jīng)比較成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，金屬結(jié)構(gòu)焊接修復(fù)完整性評(píng)定工作應(yīng)包含失效分析、斷裂性能測(cè)試和壽命預(yù)測(cè)等方面[19]。

零件修復(fù)后重新投入使用，由于補(bǔ)修技術(shù)、操作技術(shù)和實(shí)施工藝參數(shù)等不盡相同，尤其是補(bǔ)修后局部材料性能隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)有所變化，需要對(duì)補(bǔ)修后部件的材料性能、服役壽命的演化關(guān)系及相應(yīng)的檢查監(jiān)控方法開展深入探索[1]。

補(bǔ)焊區(qū)域的高溫?zé)嵝?yīng)會(huì)改變補(bǔ)修區(qū)域的材料組織和力學(xué)性能，形成一定程度的應(yīng)力集中，引入復(fù)雜的殘余應(yīng)力場(chǎng)（拉伸應(yīng)力會(huì)促進(jìn)裂紋萌生和擴(kuò)展），因此焊后通常要采取局部熱處理和沖擊處理等措施以均勻化近焊縫區(qū)的微觀組織，提高其材料性能。

熱等靜壓可以有效消除內(nèi)部疏松、縮孔和裂紋等缺陷，同時(shí)具有均勻化組織和殘余應(yīng)力的作用，主要適用于零件內(nèi)部缺陷的補(bǔ)修[20]，在增材制造零件完整性評(píng)價(jià)中也得到了廣泛應(yīng)用[21-22]。

目前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的計(jì)算方法通常采用應(yīng)力壽命和損傷容限分析方法[23]。通過(guò)對(duì)不同種類的軍用飛機(jī)進(jìn)行機(jī)身結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)，Molent等得出了Paris疲勞裂紋擴(kuò)展公式，用于處理飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展問(wèn)題[24]。

3 國(guó)內(nèi)航空零件修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用

國(guó)內(nèi)各專業(yè)航空修理廠、制造廠和相關(guān)研究單位采用焊接和增材制造技術(shù)對(duì)高強(qiáng)度鋼、高溫合金、鈦合金材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的裂紋、磨損和腐蝕等故障開展修復(fù)研究，取得了重要進(jìn)步。

3.1 焊接修復(fù)

國(guó)內(nèi)在高強(qiáng)鋼或超高強(qiáng)度鋼起落架等零件長(zhǎng)期焊修的過(guò)程中，已經(jīng)形成了成熟的焊條電弧焊修復(fù)裂紋技術(shù)。對(duì)于壁厚大于3 mm的零件中產(chǎn)生的非穿透性裂紋，首先沿裂紋的整個(gè)深度剔槽，使其呈U形面。然后烘干焊條，以不超過(guò)最終熱處理回火溫度的溫度預(yù)熱零件，采用HT-4焊條焊滿U形槽，焊接結(jié)束后，立即將零件放入200～250 ℃做等溫處理[25]。

國(guó)內(nèi)目前仍普遍采用鎢極氬弧焊方法修復(fù)飛機(jī)的服役損傷零件。飛機(jī)上故障率較高的焊接件主要有5A05合金導(dǎo)管，3A21合金油箱和導(dǎo)管，1Cr18Ni9Ti鋼燃油導(dǎo)管、噴管和GH3030合金尾噴管等。針對(duì)這些零件的裂紋損傷，已經(jīng)形成較為成熟的鎢極氬弧焊修復(fù)工藝[26]。

國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠針對(duì)某型飛機(jī)30CrMnSiA高強(qiáng)鋼封嚴(yán)蓋內(nèi)側(cè)肋條表面機(jī)械磨損，采用脈沖鎢極氬弧焊修復(fù)[27]。選用材質(zhì)相近焊絲，嚴(yán)格控制焊接電流和焊接速度，采用小電流焊接，道間溫度控制在100℃以下，并留有0.5～2.0 mm加工余量。修復(fù)零件的力學(xué)性能和變形量均能滿足技術(shù)要求。

北京航空材料研究院針對(duì)飛機(jī)的鈦合金滑軌、不銹鋼滑軌、鎂合金支座和殼體、鋁合金搖臂組件等服役損傷零件，開展鎢極氬弧焊修復(fù)研究，解決了焊接材料、力學(xué)性能和變形控制等技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了修復(fù)零件的交付、使用[28]。

空軍第一航空學(xué)院針對(duì)TC4鈦板裂紋和破孔損傷進(jìn)行了單面點(diǎn)焊修理試驗(yàn)研究，如圖3、圖4所示。靜力試驗(yàn)表明，裂紋和破孔經(jīng)單面點(diǎn)焊加強(qiáng)后的強(qiáng)度回復(fù)率分別達(dá)到無(wú)損傷件的86.07%和86.95%，均滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)原位修復(fù)的強(qiáng)度要求[7]。

3.2 增材制造修復(fù)

北京航空材料研究院針對(duì) A320、A330、第三代戰(zhàn)機(jī)、伊爾 76 飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼起落架、不銹鋼端軸頸、大螺栓、鈦合金襟翼滑軌等承力構(gòu)件，開展了激光直接沉積修復(fù)工藝研究，突破高強(qiáng)韌粉末材料設(shè)計(jì)與制備以及超高強(qiáng)度鋼等高性能材料的修復(fù)組織、缺陷及性能控制關(guān)鍵技術(shù)，建立了系列標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，修復(fù)零件通過(guò)裝機(jī)評(píng)審或裝機(jī)應(yīng)用[6，29-32]。修復(fù)的部分零件如圖5所示。其中修復(fù)的伊爾 76 飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼起落架作動(dòng)筒經(jīng) 900 h起落飛行，狀態(tài)良好，已得到批量應(yīng)用，見圖5b。

微弧沉積與激光熔覆復(fù)合修復(fù)技術(shù)已經(jīng)用于飛機(jī)端軸頸表層損傷的修復(fù)、起落架活塞桿法蘭盤裂紋的修復(fù)等，如圖6所示[14]。

3.3 修復(fù)結(jié)構(gòu)完整性和壽命評(píng)估

承載零件修復(fù)后還必須從結(jié)構(gòu)完整性角度進(jìn)行考核，以確保在實(shí)際運(yùn)用中不形成新的缺陷源。對(duì)于缺損件的再制造，必須“ 修形修性 ”并行。目前國(guó)內(nèi)欠缺在部件補(bǔ)修后服役過(guò)程中的更新檢查和持續(xù)監(jiān)控方面的深入系統(tǒng)研究[1];關(guān)于修復(fù)部件使用壽命評(píng)定還沒(méi)有系統(tǒng)、可靠的修復(fù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[19]。

零件修理過(guò)程中的焊接或補(bǔ)焊會(huì)導(dǎo)致材料的性能損失。一些零件焊接或補(bǔ)焊后無(wú)法通過(guò)熱處理消除應(yīng)力和恢復(fù)性能，對(duì)產(chǎn)品性能和質(zhì)量影響極大，如何恢復(fù)或增強(qiáng)焊縫性能一直是難以解決的工藝問(wèn)題。超聲沖擊和振動(dòng)時(shí)效技術(shù)屬于非熱處理消除焊接殘余應(yīng)力的方法，它通過(guò)微觀塑性變形和應(yīng)力均勻化作用能夠消除或降低焊接殘余應(yīng)力水平，避免熱處理帶來(lái)的焊接變形問(wèn)題，并可大幅提高焊接接頭疲勞壽命[33]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)越來(lái)越關(guān)注激光表面沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究，鋁合金激光表面沖擊強(qiáng)化研究的結(jié)果顯示，激光強(qiáng)化后零件抗塑性變形能力、耐磨性和抗疲勞性均得到了相應(yīng)的提高[34]。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)受不確定性因素影響較大。為了克服這種缺陷，林琳[35]等提出了將擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）和實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測(cè)方法。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展模型中的不確定性參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，使模型具有自適應(yīng)消除噪聲能力，提高了壽命預(yù)測(cè)精度。整個(gè)預(yù)測(cè)流程分為參數(shù)評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)兩部分。在參數(shù)評(píng)估部分，EKF算法利用實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)觀測(cè)值，不斷更新疲勞裂紋擴(kuò)展模型中的狀態(tài)參數(shù)，以更好地反映結(jié)構(gòu)裂紋的擴(kuò)展趨勢(shì)。在壽命預(yù)測(cè)部分，基于更新后的疲勞裂紋擴(kuò)展模型，通過(guò)不斷迭代來(lái)求得結(jié)構(gòu)的剩余壽命。

國(guó)內(nèi)針對(duì)飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的修復(fù)壽命預(yù)測(cè)研究開展還較少。典型的航空修復(fù)壽命評(píng)估研究是發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤再制造低周疲勞壽命預(yù)測(cè)。王常浩[36]等針對(duì)再制造渦輪盤低周疲勞參數(shù)數(shù)據(jù)缺乏的現(xiàn)實(shí)，提出了再制造渦輪盤壽命修正系數(shù)，對(duì)應(yīng)用新品渦輪盤低周疲勞參數(shù)數(shù)據(jù)和壽命預(yù)測(cè)模型得到的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)再制造渦輪盤低周疲勞壽命預(yù)測(cè)。

3.4 國(guó)內(nèi)外差距分析

（1）航空零件修復(fù)的自動(dòng)化水平。目前國(guó)內(nèi)航空零件的修復(fù)主要依靠傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊，并且以手工氬弧焊為主，對(duì)焊工的操作水平要求高，零件修復(fù)質(zhì)量和性能因人而異，產(chǎn)品修復(fù)性能的穩(wěn)定性較難控制。而國(guó)外公司重視發(fā)展自動(dòng)化修復(fù)裝備和工藝技術(shù)。美國(guó)2000年啟動(dòng)的用于維修行動(dòng)的工業(yè)技術(shù)項(xiàng)目（CTMA），很早就將第二階段目標(biāo)鎖定在通過(guò)軟、硬件閉環(huán)控制提高零件修復(fù)質(zhì)量[10]。

（2）航空零件修復(fù)的新方法研究方面。國(guó)外在材料加工和制造技術(shù)方面的原創(chuàng)性能力強(qiáng)，并且具備很強(qiáng)的設(shè)計(jì)制造新工藝裝備的能力。因此，激光直接沉積增材制造、冷金屬過(guò)渡CMT焊接等材料加工和零件制造新方法出現(xiàn)后，很快就被國(guó)外用于航空零件的修復(fù)。國(guó)內(nèi)對(duì)修復(fù)新方法的初期研究主要依賴進(jìn)口國(guó)外的工藝設(shè)備，這導(dǎo)致國(guó)內(nèi)新方法的研究與應(yīng)用有所滯后。

（3）修復(fù)技術(shù)應(yīng)用研究方面。國(guó)內(nèi)激光、電子束焊接與增材制造修復(fù)等先進(jìn)的修復(fù)方法研究不足，缺乏高強(qiáng)鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等關(guān)鍵材料修復(fù)性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù);修復(fù)過(guò)程中裂紋等缺陷控制和應(yīng)力變形控制研究不足;專用修復(fù)粉末、絲材需要研發(fā)，材料體系需要完善;鋁、鎂等輕質(zhì)合金零件的修復(fù)研究尚不系統(tǒng)，暫時(shí)無(wú)法應(yīng)用;損傷零件可修復(fù)性評(píng)估基礎(chǔ)工作不足，缺乏指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)文件;修復(fù)缺陷控制和產(chǎn)品驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)仍主要依據(jù)制造標(biāo)準(zhǔn);修復(fù)零件損傷容限和壽命預(yù)測(cè)等研究缺乏。

（4）航空零件修復(fù)產(chǎn)業(yè)化方面。國(guó)外已形成軍民用飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)修復(fù)產(chǎn)業(yè)，既有整機(jī)維修企業(yè)，也有部件修復(fù)維修企業(yè)，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。國(guó)內(nèi)僅整機(jī)維修形成產(chǎn)業(yè)，尚無(wú)專業(yè)化修復(fù)規(guī)模企業(yè)，零件修復(fù)業(yè)務(wù)零散分布于高校、科研院所和整機(jī)制造廠、整機(jī)維修廠，未形成零件修復(fù)產(chǎn)業(yè)。

除了在設(shè)備、工藝、應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化等技術(shù)本身和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面外，國(guó)內(nèi)外對(duì)飛機(jī)修復(fù)的重視程度也存在差距。認(rèn)識(shí)論上的差距在一定程度勢(shì)必導(dǎo)致航空修復(fù)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的滯后。西方主要發(fā)達(dá)國(guó)家早已認(rèn)識(shí)到修復(fù)技術(shù)在保證航空裝備正常運(yùn)行、延長(zhǎng)使用壽命方面的重要意義和巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，并在零件損傷機(jī)理、損傷容限、可修理性評(píng)估、修復(fù)工藝方法、修復(fù)后的質(zhì)量評(píng)定和使用可靠性評(píng)定等方面進(jìn)行了大量系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究[37]。而國(guó)內(nèi)的航空修復(fù)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，其啟動(dòng)往往較遲、經(jīng)費(fèi)投入不及國(guó)外。

4 航空零件修復(fù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、研究方向和重點(diǎn)

4.1 發(fā)展趨勢(shì)

為適應(yīng)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和制造技術(shù)的發(fā)展，并滿足新形勢(shì)下的軍事保障、環(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約、職業(yè)健康等要求，對(duì)航空金屬零件修復(fù)的質(zhì)量性能、可靠性、現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)施性、效率成本等提出越來(lái)越高的綜合要求。相應(yīng)地，航空領(lǐng)域修復(fù)技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)：

（1）零件修復(fù)所使用設(shè)備的自動(dòng)化水平提高，修復(fù)工藝標(biāo)準(zhǔn)化，手工作業(yè)逐漸減少。

（2）新材料、新結(jié)構(gòu)的零件修復(fù)需求增加，修復(fù)過(guò)程裂紋防止、性能調(diào)控、變形控制難度增大。

（3）低熱量輸入、高成形精度的焊接和增材制造修復(fù)方法應(yīng)用更加廣泛。

（4）航空零件修復(fù)專業(yè)化的規(guī)模企業(yè)逐漸形成，修復(fù)的產(chǎn)業(yè)化水平提高。

4.2 研究方向和重點(diǎn)

為順應(yīng)航空領(lǐng)域修復(fù)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，促進(jìn)修復(fù)技術(shù)發(fā)展和維修保障能力提升，推動(dòng)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，應(yīng)重點(diǎn)開展以下研究工作：

（1）自動(dòng)化修復(fù)工藝設(shè)備的研制，解決功率管理、高精度進(jìn)料、質(zhì)量在線監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)。

（2）高能束焊接與增材制造修復(fù)、冷噴涂增材制造修復(fù)、攪拌摩擦焊修復(fù)等技術(shù)應(yīng)用研究。

（3）高強(qiáng)韌和輕質(zhì)材料的焊接與增材制造修復(fù)技術(shù)研究。

（4）關(guān)鍵重要承力結(jié)構(gòu)的損傷容限性能、壽命預(yù)測(cè)研究。

（5）戰(zhàn)場(chǎng)條件便攜修復(fù)設(shè)備和工藝研究。

5 結(jié)論

鎢極氬弧焊在國(guó)內(nèi)外飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)維修領(lǐng)域已獲得普遍應(yīng)用。增材制造為零件修復(fù)提供了個(gè)性化、高效率的實(shí)現(xiàn)手段，是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家首選的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件再制造技術(shù)。隨著激光增材制造技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)附加值高、修復(fù)性能要求高的航空零件開始采用增材制造技術(shù)修復(fù)，并取得了明顯成效，提升了飛機(jī)自主修理保證能力。

但與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)航空零件修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用仍存在自動(dòng)化水平低、新方法研究滯后、應(yīng)用研究不足、未形成產(chǎn)業(yè)化以及重視程度不夠等差距。隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和制造技術(shù)的發(fā)展，以及新形勢(shì)下的軍事保障、環(huán)境資源、職業(yè)健康等方面要求的提出，零件修復(fù)技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出新特點(diǎn)、新趨勢(shì)。為促進(jìn)國(guó)內(nèi)修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和維修保障能力的提升，推動(dòng)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，應(yīng)重點(diǎn)開展自動(dòng)化修復(fù)工藝設(shè)備、增材制造修復(fù)應(yīng)用、高性能材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)修復(fù)、損傷容限及壽命預(yù)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)條件修復(fù)等研究。

相信通過(guò)國(guó)內(nèi)科研院所和航空產(chǎn)業(yè)部門的共同努力，我國(guó)的飛機(jī)修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究、工藝應(yīng)用和工程實(shí)踐水平必將取得快速和質(zhì)的提升，促成國(guó)內(nèi)航空修復(fù)產(chǎn)業(yè)的快速和健康發(fā)展局面，使我國(guó)躋身世界航空修復(fù)強(qiáng)國(guó)。

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