航空裝備增材再制造的挑戰與機遇

劉志峰

（合肥工業大學機械工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前 言

航空裝備再制造是指對飛機及其技術裝備進行維護和修理的一系列工作，它是航空裝備設計-制造-修理全壽命保障的重要一環，對于航空航天行業有著舉足輕重的影響，是飛行安全必不可少的保障和基石。隨著中國軍隊實戰化訓練的不斷深入，對軍用飛機的性能和質量提出了更高的要求，由此催生了極大的軍用航空裝備的保障需求。航空裝備再制造可以有效避免舊的航空裝備報廢換新，大幅節約成本，并且保障航空裝備的有效保有量與持續作戰能力，具有顯著的經濟與軍事效益。

1 航空裝備損傷形式

飛機在長時間服役之后，機體的部分關鍵零件，如主起落架軸頸、火藥推桿殼體與起落架活塞桿法蘭盤等，可能出現疲勞裂紋、穿透損傷、腐蝕老化、粘著磨損等多種形式的損傷。航空裝備的損傷具有多樣化、復合化的特點，結構承載系統薄弱部分高耐久修復和動作執行部分累積損傷的高效修復是目前航空零件再制造亟待解決和攻克的難題。

2 航空裝備再制造面臨的挑戰

航空裝備零件再制造具有典型的少批量、多品種的特點，部分損傷位置與尺寸極端化。航空裝備零件再制造相比于傳統零件再制造更關注局部修復和局部再制造強化技術。目前以激光、電弧、等離子為基礎的高能束再制造技術為解決航空零件控形控性再制造提供了可行途徑，但仍然存在許多復雜的多維、多場、多尺度耦合的科學問題，同時也包括再制造材料集約化、異質異構零件再制造、現場快速響應再制造等許多工程實際需求帶來的挑戰。

3 航空裝備再制造關鍵技術

3.1 適應性粉末的設計與開發

航空裝備領域激光再制造適應性粉末設計與開發一直是研究的熱點和難點之一。適應性粉末的設計與開發是實現高精度、高效率再制造的前提條件之一。現有的激光增材商用粉末大多沿用傳統的熱噴涂粉末，這種傳統的修復用粉與基體間的成分、熱物性差異大，形性調控存在一定的難度，難以匹配航空裝備的服役性能需求。為了滿足航空裝備領域激光再制造的要求，可以對粉末進行高匹配應力適應多元合金設計，例如通過納米改性元素摻雜、第二相誘導前驅體以及稀土元素性能調控等手段獲得高匹配應力適應多元合金。此外，粉末設計與開發也需充分考慮粉末性能，特別是對材料的機械性能、耐高溫性能、耐磨損性能等的要求，以適應不同熱源增材再制造工藝的需求。

3.2 再制造零件疲勞性能一致性調控

表面質量、表面殘余應力、加工硬化和晶粒細化是決定航空再制造零件疲勞性能的重要因素。增材再制造制造出的零件通常具有一定的微觀缺陷，這些缺陷會導致航空再制造零件的疲勞性能變差且各向異性。此外，高能束再制造過程難以避免殘余拉應力的形成，而拉應力導致裂紋萌生的周期更短，疲勞裂紋的擴展速率更快。為了實現再制造零件疲勞性能的一致性調控，一方面需控制再制造復雜零件的表面粗糙度，通過精細的表面處理可以提高再制造零件的疲勞性能；另一方面，需對工藝缺陷進行自適應調控，通過控制增材再制造加工參數減少內部缺陷，從而提高航空再制造零件的疲勞強度和壽命。

3.3 增材再制造形性協同調控技術

作為發展最迅速最突出的修復/恢復破損部件的技術之一，增材再制造因其熱輸入小、精度高、熔深小、成形質量高等優勢正被快速地應用于航空零部件再制造中。但隨著航空裝備制造業對關鍵零部件的精度與性能要求日漸提高，增材再制造產品表面質量較差并可能存在尺寸缺陷的弊端日益凸顯。為了能夠對激光增材再制造過程中的形性指標進行調控，對再制造過的材料與基材的表/界面行為及其內部治金缺陷形成機理和控制方法的研究是很有必要的。

3.4 再制造零件考核與驗證標準

由于航空零部件的服役環境復雜，僅使用標準力學性能試驗很難建立準確的壽命預測模型。因此，對于再制造航空零部件，一般采用“積木式”方法對材料服役性能進行評價，但該方法驗證周期長、經濟成本高，這與增材再制造開發周期短，迭代頻次快的優勢相沖突。因此，通過自主研發，建立一套完整的航空裝備再制造技術標準體系，建立相關材料規范、工藝標準、檢測方法、產品技術標準，是當前政府、研究機構與各增材裝備研發公司共同努力的方向。

4 航空裝備再制造發展趨勢

4.1 多能場復合再制造技術

航空裝備的再制造修復通常面臨熱機械應力不平衡，局部翹曲變形，異質材料性能匹配度低等難題。通過在再制造過程中引入附加能場，例如電磁場，聲場以及溫度場等，可以有效細化晶粒，減小應力集中，提高界面結合性能，從而保證再制造修復質量。但是在引入附加能場的過程中，亟待探究多能場對再制造修復過程中的熔池凝固對流、傳熱與傳質的影響機制；研究附加能場帶來的晶粒尺寸微觀細化規律；厘清附加能場誘導的移動熔池冶金動力學特性以及凝固方式；最終需要建立附加能場對于航空裝備再制造修復質量的量化關系，從而實現針對航空裝備再制造過程的多能場復合精準調控。

4.2 現場增減材復合加工技術

由于航空裝備的復雜應用場景，如何實現相關零部件的現場增減材復合加工是未來再制造領域的關鍵問題。考慮工作環境和修復對象的多約束特性，以及再制造材料與待修復件的匹配關系，現場增減材復合加工技術在未來需要克服以下五點難題：

（1）從設計角度實現現場多約束條件下的再制造零件反演設計與評估；（2）從增減材一體化角度實現缺損零件高適應性的模型快速重構與路徑規劃；（3）從材料角度實現增減材復合加工的高性能合金集約化設計與制備；（4）從工藝角度實現現場增減材復合加工的形性協同調控與裝備集成設計；（5）從質量控制角度完成針對現場增減材再制造技術與裝備的質量驗證與考核，保證復雜服役條件下的航空裝備修復效果。

5 結 語

航空裝備的增材再制造技術作為一種保障軍用航空裝備有效保有量與持續作戰能力的關鍵技術，極具潛力及前沿性。隨著高能束增材再制造工藝與裝備技術的不斷突破以及航空裝備再制造技術行業標準體系的不斷完善，航空裝備再制造技術必將在助力軍民產業融合和制造業的綠色轉型升級上得到不斷創新和高速發展，前景可待，未來可期。