激光增材再制造在飛機(jī)維修中的應(yīng)用

陳彩云

摘要：飛機(jī)在服役的過程中，為了保證飛機(jī)的飛行可靠性，確保飛機(jī)的飛行安全，需要對飛機(jī)進(jìn)行日常的維護(hù)和修理，飛機(jī)維修也是我國航空業(yè)不可或缺的部分。激光增材再制造技術(shù)為飛機(jī)設(shè)備維修提供了新的可能，作為一種新的工藝技術(shù)，可有效地應(yīng)對飛機(jī)維修過程中所需的新材料和新結(jié)構(gòu)等。

Abstract： In the process of aircraft service， in order to ensure the flight reliability and flight safety of aircraft， it is necessary to carry out routine maintenance and repair of aircraft， and aircraft maintenance is also an indispensable part of China's aviation industry. Laser additive remanufacturing technology provides a new possibility for aircraft equipment maintenance. As a new technology， it can effectively deal with the new materials and structures needed in the process of aircraft maintenance.

關(guān)鍵詞：激光增材再制造技術(shù);飛機(jī)維修;應(yīng)用

Key words： laser additive remanufacturing technology;aircraft maintenance;application

中圖分類號：V267+.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0046-02

0? 引言

飛機(jī)在生產(chǎn)過程中，零件制造工藝和構(gòu)件等的裝配工藝較為復(fù)雜，成本很高，尤其是新型的戰(zhàn)斗機(jī)，采用新技術(shù)，新工藝加工成型，這些飛機(jī)在服役的過程中，一些關(guān)鍵零部件（機(jī)翼機(jī)身蒙皮、起落架、發(fā)動機(jī)等）很大程度上在氣動力或者外力沖擊產(chǎn)生磨損或者疲勞損傷，在高溫高濕環(huán)境下產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，事故或者戰(zhàn)傷等原因也會引起失效，從而影響飛機(jī)的飛行安全以及作戰(zhàn)能力。如果將損傷損壞的零部件直接進(jìn)行更換，或者直接報廢飛機(jī)，將會造成不可估量的損失，故為了節(jié)約成本，對飛機(jī)損傷損壞零部件進(jìn)行修理。而激光增材再制造作為比較先進(jìn)的再加工再制造零件的修復(fù)方法，如圖1所示。該修復(fù)技術(shù)由于熱源的能量相對集中，可在對零件本身材料和力學(xué)性能影響較小的情況下，完成對零件的幾何結(jié)構(gòu)形狀及基本力學(xué)性能的完全恢復(fù)，采用該技術(shù)對飛機(jī)損傷損壞零構(gòu)建進(jìn)行再制造修復(fù)，是飛機(jī)維修行業(yè)發(fā)展的趨勢。

1? 激光增材再制造技術(shù)的原理

激光增材制造技術(shù)是一種快速成型的技術(shù)，又稱為3D打印技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[1]。通過此技術(shù)制造模型，被用在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域，后來，通過這種技術(shù)，直接打印出所需零部件，按照要求裝配成成品。增材制造技術(shù)利用一臺專用設(shè)備，快速精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及復(fù)雜的加工工序，從而實現(xiàn)了零件“自由制造”，解決了許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期，而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其制造速度的作用就越顯著[2]。激光增材再制造技術(shù)原理與激光3D打印技術(shù)相近，但又有其自身的特點。

典型的激光增材再制造流程如圖2所示。

首先，將待修理的零構(gòu)件拆解下來，并對其進(jìn)行表面清洗。接著按照零構(gòu)建的功能、損傷的類型及損傷的尺寸進(jìn)行分類。然后對待修理的零構(gòu)件進(jìn)行無損檢測或者使用壽命和質(zhì)量評估。若有修理的價值，則對其進(jìn)行再制造修復(fù)。接著按照零構(gòu)件本身的性能特點進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，然后對零部件后加工成型，恢復(fù)原零件的形狀。最后對其進(jìn)行性能檢測，判定修理后的零構(gòu)件合格與否。

2? 飛機(jī)維修的發(fā)展及趨勢

2.1 飛機(jī)維修的發(fā)展

由于戰(zhàn)爭的刺激、人類交通的需要，使航空技術(shù)不斷取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，它們帶來的高速、大型、低成本飛機(jī)進(jìn)一步擴(kuò)大了人類對航空運輸?shù)男枨螅瑫r也推動著航空維修業(yè)的發(fā)展。

在20世紀(jì)80年代以前，我國的航空維修單位以軍隊各航空單位為主，沒有獨立的航空維修廠。到1985年后，我國開始引進(jìn)先進(jìn)的飛機(jī)，但是沒有先進(jìn)的維修能力。所以，很長一段時間，我國引進(jìn)的新型飛機(jī)幾乎都在國外基地完成深層次、高難度修理。后來，隨著我國航空設(shè)備維修市場的逐漸發(fā)展，維修業(yè)逐漸好轉(zhuǎn)。

2.2 飛機(jī)維修的趨勢

目前，與國外的維修水平相比，我國維修行業(yè)的飛機(jī)零部件維修水平相對來說較為落后，深層次、高難度的零部件無法有效地修理。在一些精度要求比較高的飛機(jī)維修中，國內(nèi)能夠維修的飛機(jī)零部件比例較低。國內(nèi)相關(guān)單位重復(fù)建設(shè)低層次的維修能力，集中建設(shè)飛機(jī)機(jī)體易維修的部位，像發(fā)動機(jī)等關(guān)鍵零部件的維修能力不足，因此國內(nèi)目前的維修能力不足以滿足維修的需求。

飛機(jī)維修的能力將很大程度上影響中國飛機(jī)的飛行安全和飛機(jī)制造成本，在航空產(chǎn)業(yè)鏈中意義非凡。目前國內(nèi)飛機(jī)制造生產(chǎn)技術(shù)快速發(fā)展，我國飛機(jī)維修業(yè)需要快速提高關(guān)鍵零部件的維修水平，降低其維修成本，是當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵性問題。

激光增材再制造技術(shù)在飛機(jī)維修行業(yè)的應(yīng)用解決了飛機(jī)零部件修復(fù)問題，推動航空維修不斷提高自身的發(fā)展質(zhì)量，為世界的飛機(jī)的飛行安全，創(chuàng)造了條件。未來的戰(zhàn)爭必然是信息化的，不論戰(zhàn)場處在何地，只要出現(xiàn)需要替換的出故障或被損毀的零部件，軍方都可以利用3D打印技術(shù)來生產(chǎn)前線需要的零部件，然后由專業(yè)人員進(jìn)行組裝，直接送往戰(zhàn)場就可投入戰(zhàn)斗，仿佛就是航空裝備的快速“重生”，這種方法快速且高效[3]。雖然這種技術(shù)目前還沒能完全投人戰(zhàn)場使用，但是能夠預(yù)測到的是，3D打印技術(shù)必然掀起一場制造業(yè)的新革命，將徹底改變以往的航空裝備維修方式[3]。

3? 激光增材再制造技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

雖然目前激光增材再制造已經(jīng)逐漸應(yīng)用在各個行業(yè)，但仍有很多亟待解決的問題。

殘余應(yīng)力是利用激光增材再制造技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)修理的第一大問題。在增材制造的過程中，材料溫度控制不精準(zhǔn)等原因，會導(dǎo)致零件增材部分的應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系，與飛機(jī)原構(gòu)件存在明顯差異。而這個殘余應(yīng)力會影響飛機(jī)修理后零件的機(jī)械性能、耐腐蝕性能和疲勞強(qiáng)度，從而影響飛機(jī)的飛行安全。

類比焊接工藝如圖4，激光增材再制造技術(shù)熱影響區(qū)如圖3，激光增材再制造技術(shù)還可能會存在熱影響區(qū)出的材料本身的性能發(fā)生改變，甚至變差。激光增材再制造過程，是長期循環(huán)加熱的過程，加熱的過程中會使材料微觀組織發(fā)生改變，從而導(dǎo)致材料的機(jī)械性能發(fā)生改變。激光增材再制造生產(chǎn)制造常見的材料有鎳合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼等，材料經(jīng)過熱處理后，狀態(tài)不同（有鑄態(tài)、鍛造、時效、軋制、滲碳滲氮等），其性能將會千差萬別，因此，熱循環(huán)過程中材料所受的影響，需要根據(jù)具體材料，進(jìn)行有針對性的探索研究。

飛機(jī)修理過程中，再制造材料與原構(gòu)件之間的臨界面的基體材料存在差異性，從而導(dǎo)致界面結(jié)合處的材料性能較差。修理后的結(jié)構(gòu)，不能滿足原構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，修理后的飛機(jī)存在安全隱患。

4? 激光增材再制造技術(shù)在飛機(jī)維修方面優(yōu)勢

在我國，在大型金屬零部件上，已經(jīng)實現(xiàn)了運用激光增材制造技術(shù)來滿足零部件的成型要求，激光增材制造主要可以使用金屬材料有鈦合金、鎳基高溫合金、高強(qiáng)度鋼等，這些金屬材料不宜加工成型，加工成本高，所以激光增材再制造技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上可以廣泛應(yīng)用。而且鈦合金、鎳基高溫合金、高強(qiáng)度鋼等是航空零部件常用的材料，到目前為止，激光增材再制造技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)、部隊保障工作等領(lǐng)域。而激光增材再制造技術(shù)同樣可以在飛機(jī)維修領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要作用。

激光增材再制造技術(shù)在飛機(jī)維修方面有以下優(yōu)勢：①航空材料儲備問題。激光增材再制造技術(shù)，只需要零部件的三維模型儲存在電腦上，當(dāng)有再制造的需求時，直接調(diào)用三維模型，根據(jù)材料的參數(shù)等，打印出需要的零部件即可。隨著激光增材再制造技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)維修所需的零部件，不再需要提前儲備，從而解決了庫存堆積，或者庫存不足的問題，減少零件壽命的損耗成本和庫房的管理成本。②減少材料浪費、縮短加工周期。在飛機(jī)維修的過程中，其中因為疲勞失效，或者其他損傷而需要修理的零部件，可以采用激光增材再制造技術(shù)，在原來零部件的基礎(chǔ)上，恢復(fù)到原來的結(jié)構(gòu)尺寸，以恢復(fù)原零部件的功能。在此過程中，需要使用的材料有限，而且生產(chǎn)的周期也短，則修理過程中所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益更加顯著?？梢詫崿F(xiàn)無焊接、鉚接等組裝工藝，減少螺栓連接件，較傳統(tǒng)的切削加工技術(shù)[4]。激光增材再制造將需要維修的零部件的設(shè)計方案通過三維數(shù)模，進(jìn)行快速加工成型，從而生產(chǎn)出需求的零部件，這期間，減少了加工周期。

5? 結(jié)束語

技術(shù)創(chuàng)新是我國飛機(jī)維修行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。雖然激光增材再制造技術(shù)仍然存在很多繼續(xù)克服的問題，但激光增材再制造技術(shù)對飛機(jī)維修技術(shù)的提高起到了關(guān)鍵作用，打破了國內(nèi)低層次維修能力的現(xiàn)狀，推動飛機(jī)維修降低成本，提高飛機(jī)設(shè)備維修后的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾楊帆，梁振華，黃海亮.淺談3D打印技術(shù)在多功能電視機(jī)研制方面的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2014，27（11）：180-181.

[2]李滌塵，田小永，王永信，盧秉恒.增材制造技術(shù)的發(fā)展[J]. 電加工與模具，2012（S1）：20-22.

[3]莫偉東.3D打印技術(shù)及其在航空裝備維修中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2017（24）.

[4]姜舟，任斌斌.3D打印技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用研究[J]. 中國設(shè)備工程，2017，09（下）：42-43.