增材制造修復(fù)技術(shù)在飛機(jī)大修中的應(yīng)用

龔群甫 安小慧

（上海海鷹機(jī)械廠，上海 200436）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)飛機(jī)采用定時(shí)方式控制大修，使用了一定時(shí)間的飛機(jī)進(jìn)入基地級(jí)工廠大修時(shí)通常會(huì)存在正常、潛在故障、功能故障三種技術(shù)狀態(tài)。因此大修時(shí)需要根據(jù)飛機(jī)進(jìn)廠技術(shù)狀態(tài)分別實(shí)施預(yù)防性維修、恢復(fù)性維修、改進(jìn)性維修/主動(dòng)維修(更改設(shè)計(jì)的維修)、機(jī)會(huì)維修、成組維修等針對(duì)性與綜合性工作。由于修理周期和備件資源的約束，飛機(jī)零部件恢復(fù)性維修常常采用串、改、代、換、修等綜合措施來(lái)保障單架大修飛機(jī)的完好性。其中，飛機(jī)金屬件的恢復(fù)性維修有三種方式，即更換、原件修復(fù)、讓步使用。從目前現(xiàn)役飛機(jī)的維修工時(shí)、維修費(fèi)用統(tǒng)計(jì)來(lái)看，金屬故障件的原件修復(fù)占有相當(dāng)?shù)谋壤?，有些還超出了原設(shè)計(jì)維修手冊(cè)范圍。

目前各型飛機(jī)維修手冊(cè)或維修技術(shù)條件推薦或規(guī)定的金屬件恢復(fù)性修理方法有：機(jī)械加工打磨拋光等減材法，以及少量限于補(bǔ)漆、電鍍鉻、刷鍍鎘的涂鍍層恢復(fù)法。由于維修技術(shù)條件規(guī)定的允許修理?yè)p傷容限標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于嚴(yán)格或內(nèi)容偏少覆蓋不全，使得一些局部小缺損本來(lái)可以修復(fù)使用的，維修企業(yè)只得從嚴(yán)控制報(bào)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(lái)越大，影響產(chǎn)品密封間隙造成泄漏隱患。同時(shí)經(jīng)過(guò)二次三次累計(jì)修理后，因修理尺寸限制，一旦尺寸超過(guò)極限值則必須報(bào)廢。這種維修方式的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)：大修后的產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)沒(méi)有恢復(fù)到新品狀態(tài)，無(wú)法滿足飛機(jī)高可靠性要求。且因尺寸極限損耗報(bào)廢率高，經(jīng)濟(jì)性不好。作為最高級(jí)別的維修，大修后飛機(jī)的性能指標(biāo)必須達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求；大修后的飛機(jī)外觀質(zhì)量應(yīng)與新飛機(jī)無(wú)顯著差別。

隨著新型先進(jìn)飛機(jī)產(chǎn)品越來(lái)越復(fù)雜、新結(jié)構(gòu)新材料應(yīng)用越來(lái)越多，大修恢復(fù)性修理保障要求越來(lái)越高，以及綠色維修理念的發(fā)展和維修方式的變革，飛機(jī)維修工程正在向表面工程、再制造工程深入發(fā)展。飛機(jī)修理從換件修理向修復(fù)/再制造轉(zhuǎn)變，從大修如舊向大修如新、大修超新轉(zhuǎn)變，從一般件修復(fù)擴(kuò)展到關(guān)鍵重要件修復(fù)，從結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展到功能件，從表面層修復(fù)擴(kuò)展到表面層與基體綜合性修復(fù)，修復(fù)再制造應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。與此同時(shí)，表面工程、冷熱噴涂、激光熔覆等維修再制造技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，為提高大修質(zhì)量與可靠性水平提供了技術(shù)可能，也帶來(lái)了新技術(shù)應(yīng)用與超手冊(cè)的修理問(wèn)題等挑戰(zhàn)。

1 飛機(jī)金屬原件增材制造修復(fù)的必要性

飛機(jī)在服役使用過(guò)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(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸的變化導(dǎo)致。如飛機(jī)操縱系統(tǒng)構(gòu)件的動(dòng)配合副在使用中軸和孔的配合表面，都會(huì)因不均勻磨損而產(chǎn)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(jī)技術(shù)狀態(tài)劣化可以分三類：1)幾何尺寸類損傷改變了工件結(jié)構(gòu)狀態(tài)：如磨損導(dǎo)致間隙公差配合等級(jí)降低，以致出現(xiàn)密封、泄漏等；2)損傷導(dǎo)致的零部件剩余強(qiáng)度性能滿足不了安全使用要求；3)工作性能參數(shù)超過(guò)了允許容差。例如，油泵的輸出量容差應(yīng)能保證液壓系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)的工作能力。

而飛機(jī)構(gòu)件的腐蝕、磨損、疲勞微裂紋等故障基本發(fā)生在零部件的表面，缺陷還可以按幾何形狀尺寸分為點(diǎn)、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(qiáng)度類、表面涂層類三類?；謴?fù)損傷件使用性能(包括幾何性能和力學(xué)性能)的增材制造修復(fù)歸結(jié)為材料強(qiáng)度的恢復(fù)、幾何尺寸的恢復(fù)、表面涂層的恢復(fù)。其中，等強(qiáng)度修復(fù)是性能恢復(fù)的基礎(chǔ)，等尺寸修復(fù)是性能恢復(fù)的關(guān)鍵。受目前的維修工藝技術(shù)水平限制，原件修復(fù)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(tài)。而增材制造修復(fù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“大修如新”、“大修超新”的必要先進(jìn)手段。

表1 不同等級(jí)的原件修復(fù)質(zhì)量效果

原件修復(fù)是飛機(jī)設(shè)計(jì)與維修思想的重要組成部分。與更換新件相比，應(yīng)用各種再制造修復(fù)新技術(shù)修復(fù)原件是提高飛機(jī)修理企業(yè)自主保障能力、創(chuàng)新備件供應(yīng)保障模式、提高飛機(jī)修理質(zhì)量、縮短修理周期、降低修理成本、延長(zhǎng)飛機(jī)零件使用壽命的重要措施。

2 飛機(jī)金屬件增材制造修復(fù)技術(shù)應(yīng)用技術(shù)方案

2.1 增材制造修復(fù)工藝流程

增材制造修復(fù)工藝流程是：零件分解-清洗-故障檢查-失效分析-修復(fù)再制造方案制訂-準(zhǔn)備與前處理-增材修復(fù)/再制造-機(jī)械加工或特種加工-零件質(zhì)量與功能檢測(cè)-裝配-部件功能試驗(yàn)-合格評(píng)定與交付。

增材再制造修復(fù)恢復(fù)尺寸，并留有后續(xù)磨削、研磨、表面涂鍍層、表面強(qiáng)化層加工余量。根據(jù)故障件的損傷模式和尺寸進(jìn)行可再制造修復(fù)性評(píng)定，以及根據(jù)失效分析進(jìn)行修復(fù)再制造工藝方法選擇評(píng)價(jià)是兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 增材制造修理極限與可再制造性評(píng)定

根據(jù)零件服役環(huán)境行為及失效分析、損傷程度與可修理極限評(píng)估故障件的剩余壽命和可再制造修復(fù)性。

修理極限尺寸可根據(jù)技術(shù)條件規(guī)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(shuō)明：1)允許損傷，不影響構(gòu)件的強(qiáng)度和使用功能，譬如陽(yáng)極化層損傷、輕度腐蝕及個(gè)別中等腐蝕。在全部去除腐蝕產(chǎn)物后不需做任何補(bǔ)強(qiáng)修理或更換損傷構(gòu)件，僅需按相關(guān)要求進(jìn)行表面防護(hù)處理，譬如恢復(fù)鍍層、涂層等。表面涂層去除后，基體金屬未腐蝕只有陽(yáng)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?yè)p傷，構(gòu)件損傷比較嚴(yán)重，影響了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用功能。去除腐蝕產(chǎn)物后需要進(jìn)行合理的補(bǔ)強(qiáng)修理，譬如當(dāng)中等腐蝕和個(gè)別嚴(yán)重腐蝕，腐蝕深度在原厚度的10%～20%之間時(shí)。3)不可修理?yè)p傷，構(gòu)件嚴(yán)重?fù)p傷，去除腐蝕后無(wú)法修復(fù)或修理不經(jīng)濟(jì)，需更換構(gòu)件，譬如當(dāng)腐蝕深度大于原厚度的20%時(shí)。

2.3 增材制造修復(fù)工藝方法選擇與涂鍍層設(shè)計(jì)

飛機(jī)金屬構(gòu)件常見(jiàn)故障模式可分腐蝕類、磨損類、變形類以及裂紋類等，可根據(jù)構(gòu)件基體材料和不同失效模式的修復(fù)目標(biāo)確定修復(fù)用材料或表面涂鍍層。

修復(fù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮原設(shè)計(jì)制造涂鍍層性質(zhì)，各種再制造修復(fù)工藝方法對(duì)零件材質(zhì)的適應(yīng)性，各種修復(fù)工藝方法可修補(bǔ)的厚度，各種修復(fù)覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度，各種修復(fù)層的耐磨性、防腐蝕性、硬度等性能指標(biāo)，各修復(fù)工藝及修復(fù)層對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響及變形影響(分對(duì)基體無(wú)影響和對(duì)基體有影響兩類)，加工技術(shù)的成熟度和經(jīng)濟(jì)性等，從而選擇對(duì)應(yīng)的修復(fù)工藝方法。

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

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

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

表2 常用增材修復(fù)技術(shù)特性

表3 各類增材修復(fù)技術(shù)適用范圍

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

2.4 增材制造修復(fù)實(shí)施及質(zhì)量控制

根據(jù)制造修理技術(shù)條件要求全面檢測(cè)再制造產(chǎn)品與表面涂覆層外觀、再制造覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、厚度、硬度和殘余應(yīng)力、孔隙率、耐磨性能、耐腐蝕性能以及零件強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)。

3 增材制造修復(fù)技術(shù)在飛機(jī)大修中的典型應(yīng)用范圍

增材制造修復(fù)可以應(yīng)用于：傳力與運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件性能與公差配合尺寸的精確修復(fù)；飛機(jī)各翼型前緣、進(jìn)氣道等氣動(dòng)敏感部位外形及尺寸的精確修復(fù)；為了保證飛機(jī)隱身性能不下降，對(duì)隱身飛機(jī)外形幾何形狀和尺寸如艙門口蓋間隙、階差的精確修復(fù)。這些典型部位詳見(jiàn)表4。

表4 飛機(jī)典型再制造修復(fù)應(yīng)用部位

4 飛機(jī)大修中應(yīng)用存在問(wèn)題與建議

4.1 金屬原件增材制造修復(fù)存在問(wèn)題

在開(kāi)展飛機(jī)零件增材制造修復(fù)應(yīng)用中，目前存在三大問(wèn)題：(1)設(shè)計(jì)制造部門全壽命周期保障缺乏大修再制造修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施技術(shù)支持；(2)大修企業(yè)增材制造技術(shù)手段缺乏；(3)用戶對(duì)再制造修復(fù)產(chǎn)品的認(rèn)可。導(dǎo)致擴(kuò)大應(yīng)用難度大，再制造修復(fù)技術(shù)潛力未得到充分發(fā)揮。

4.2 開(kāi)展增材制造修復(fù)技術(shù)應(yīng)用建議

1)因?yàn)楣收习l(fā)生的隨機(jī)性和故障模式的多樣性，導(dǎo)致面臨修復(fù)技術(shù)門類多、設(shè)備投資大、修復(fù)技術(shù)難度大、有的再制造新技術(shù)正在發(fā)展中、修復(fù)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)高、對(duì)維修人員技術(shù)要求高、修復(fù)用消耗原材料多等問(wèn)題。因此再制造修復(fù)一直是飛機(jī)大修保障的難點(diǎn)。飛機(jī)基地級(jí)大修企業(yè)在進(jìn)行大修能力建設(shè)規(guī)劃時(shí)，需統(tǒng)籌考慮將修復(fù)再制造技術(shù)作為大修保障重要內(nèi)容納入大修保障資源設(shè)計(jì)規(guī)劃。引進(jìn)激光熔覆設(shè)備、冷噴涂設(shè)備等再制造修復(fù)關(guān)鍵設(shè)備，積極開(kāi)展增材制造修復(fù)技術(shù)應(yīng)用，美軍非常重視新技術(shù)應(yīng)用，將激光增材制造/再制造技術(shù)、冷噴涂技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、間歇式故障診斷技術(shù)、腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)等列入海軍艦載機(jī)維修保障目錄，投入設(shè)備和資金，值得我們借鑒。

2)飛機(jī)設(shè)計(jì)部門加強(qiáng)高價(jià)值件或關(guān)鍵重要件的修復(fù)再制造性設(shè)計(jì)、再制造損傷容限與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、再制造修復(fù)技術(shù)研究，支持大修部門開(kāi)展再制造修復(fù)技術(shù)應(yīng)用，共同提高型號(hào)飛機(jī)的修復(fù)率和完好率。

3)再制造修復(fù)產(chǎn)品涉及新技術(shù)應(yīng)用及超手冊(cè)修理的評(píng)審。需要嚴(yán)格充分的試驗(yàn)評(píng)審才能裝機(jī)使用。大修企業(yè)需打消使用部門的質(zhì)量顧慮，使用部門應(yīng)轉(zhuǎn)變觀念，認(rèn)可再制造修復(fù)件。