激光增材技術在軍用航空裝備修理中的應用與展望

楊小軍

大連長豐實業總公司 遼寧大連 116038

1 序言

增材制造技術是一種可以實現復雜結構精密“控形”和高性能“控性”相結合的高端制造方式，可通過對三維零件數模進行逐層切片，并基于切片文件實現逐層堆積、自下而上的成形制造或修復[1]。與傳統制造技術相比，增材制造技術具有無需模具、材料利用率高、快速響應設計更改及成形性能優異等技術優勢，按照能量輸入的不同，可以分為激光增材、電子束增材、電弧增材等不同類型。當前，在國家航空航天重大需求和前沿科學探索的雙重驅動下，金屬構件的激光增材技術在裝備、材料、工藝及標準等方面都呈現高效創新發展之勢，在航空航天、汽車工業、生物醫療等領域得到了廣泛應用，尤其是在航空航天等高端制造領域展示了極大的應用前景[2-4]。

軍用航空裝備大修作為國防保障力量的重要組成部分，大修產品的質量可靠性至關重要。軍用航空裝備大修時必須返廠徹底分解，逐一對每個零部件進行故障檢查，然后根據故障的情況確定修理方案[5]。軍用航空裝備在惡劣環境中經過長期使用后，大量承力結構部件、武器掛梁系統和燃油系統的關鍵零部件因損傷或到達使用壽命期限而辦理停用甚至報廢。由于傳統焊接修理技術無法保證零部件的服役可靠性，只能以新品替換，使大量價格高昂的航空零部件不能充分發揮使用效能，造成極大浪費。同時，新品采購周期較長，嚴重影響裝備的大修周期。零部件失效模式常表現為裂紋、腐蝕、斷裂及缺損等，必須采用焊接、激光增材等“成形”制造技術恢復其尺寸和形狀。基于激光增材技術的高精度、高可靠性優點，將激光增材技術推廣應用至航空裝備大修生產過程，不僅可節省大量的新品購置資金，而且能夠高效優質地完成零部件修復，具備十分重要的國防應用價值。

本文首先論述目前軍用航空裝備大修面臨的挑戰和發展趨勢，其次從激光熔覆和激光3D打印再制造兩個角度闡述了激光增材技術在航空裝備修理中的應用現狀，最后從技術研究、技術管理和技術應用等三個層面展望激光增材技術在軍用航空裝備修理中的發展方向。

2 軍用航空裝備修理面臨的挑戰和發展趨勢

2.1 軍用航空裝備結構和材料發展

一代戰機、一代材料[6]。第一代戰機主要滿足高亞音速飛行，強調結構件的屈服強度、抗拉強度、塑性和沖擊韌度，主要使用鋼骨架和木質材料；第二代戰機主要滿足高速高空、近距格斗需求，強調關鍵部位的疲勞性能，大量使用鋁合金和鋼制材料；第三代戰機主要滿足高亞音速機動性能，關鍵重要件的材料要求具備較高的損傷容限性能，材料需要有較高的斷裂韌度和較低疲勞裂紋擴展速率，因此在鋁合金和鋼制材料的基礎上大量增加了鈦合金與復合材料等輕質高強材料的應用；第四代戰機主要強調隱身性和長壽命周期，更加注重耐久性設計，主要材料與三代機相近，但鈦合金和復合材料占比更大；第五代戰機需要具備高智能、高協同和高速飛行的特性，對結構的要求更高，還需應用大量耐熱材料和高溫合金[7]。

2.2 軍用航空裝備修理面臨的挑戰

（1）逆向工程再延壽 軍用航空裝備大修產品具有種類繁多、損傷特征不固定等特點，由于可靠性要求較高，修理技術的開發與應用難度不低于零件原始制造技術。裝備大修生產的過程就是一項復雜的逆向再延壽工程，該工程是以核心修理技術為主體，以裝備全壽命周期管理、價值流、系統工程、并行工程及組織行為學等管理理論為指導，融合其他相關技術和管理手段，與軍用航空裝備維修全過程、全型號、全壽命期的系統化管理有機集成，簡而言之，就是專業化管理與系統化管理的有效結合。隨著軍用航空裝備對大修質量要求的不斷提升，該逆向再延壽工程需要經過長期的“實踐→理論→實踐”反復提煉和總結，以此不斷完善[8]。

（2）修理標準的提升 隨著軍用航空裝備的迭代升級，用于裝備制造的材料種類和性能也在不斷變化，經過幾十年的發展，從第一代戰機的鋼骨架和木質材料已經發展為第五代戰機的鈦合金、超高強度鋼和特殊耐熱材料，從第一代戰機的亞音速飛行已經發展為第五代高智能戰機的空天超音速巡航，這種變化不僅代表著作戰性能的提升，而且意味著軍用航空裝備的修理難度和修理標準的不斷提升。

（3）快速修復 戰場搶修通過運用戰場損傷評估和修復技術，在戰場上快速修復損傷裝備；戰場搶修能夠為軍隊補充戰損、保持持續作戰能力提供重要的支撐，戰場搶修在控制高昂的裝備采購費用、增強戰時裝備保障效益方面扮演著至關重要的角色。戰場搶修是指在戰場上運用應急診斷與修復技術，迅速地對裝備進行評估并根據需要快速修復損傷部位，使裝備能夠完成某項預定任務或實施自救的活動[9，10]。自第四次中東戰爭以來，各軍事強國都十分重視本國軍隊戰場搶修能力建設，戰場搶修也在戰場上充分發揮了重要作用，在1991年的海灣戰爭中，美國三軍的裝備完好率都達到了90%以上，伊拉克戰爭期間，美軍各類損傷裝備通常都能在24h內完成修復，最快的只需要幾十分鐘[11]。當前，全軍按照新大綱施訓，開展實戰化訓練，“聚力戰訓，備戰打仗”成為裝備保障的新常態[12]，我國對軍用航空裝備的戰場搶修也提出了“綜合化、野戰化、快速響應”的要求，外場條件下完成裝備的快速、高可靠性修理既是大勢所趨，也是職責所在。

2.3 軍用航空裝備修理發展趨勢

（1）修理產品模塊化 目前，軍機的結構系統和功能系統是獨立的，隨著裝備制造技術的發展，未來軍機會將功能系統融入結構中，取消功能系統的冗余，功能結構一體化，諸如防熱材料、微結構與結構構型融合，既能達到耐熱防熱的目的，又可進一步實現減重效果[13]。軍機模塊化產品結構損傷缺陷的修理也必然要采取新的增材修復技術，如定向激光熔覆或有機器人帶動的激光3D打印修復技術。

（2）修理過程數字化 目前，軍用航空裝備修理行業仍處于主要依靠手工操作來完成產品修理工作的階段，相比于自動化程度較高的汽車、高速列車和微電子制造等行業，在數字化生產的進程上已經落后。隨著軍用航空裝備修理標準的提高和修理技術數字化進程的推進，數字化分解、裝配、檢測、修磨和增材修理等過程必然會成為一種發展趨勢。

3 激光增材技術在軍用航空裝備修理中的應用現狀

3.1 激光熔覆增材修復技術

激光熔覆是通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，從而在基材表面形成冶金結合的熔覆層[14]。它不僅可以用來恢復被磨損和腐蝕后廢舊零件的表面尺寸和性能，而且還能通過適當選擇合金粉末來改善和提高零件的耐磨性和耐蝕性。激光熔覆技術在軍用航空裝備修復中的優勢主要有以下兩點：一是激光熔覆工藝簡單、效率高，容易實現自動化和機械化，符合航空裝備數字化修理線建設的發展趨勢；二是激光能量可控，熔覆層的組織致密、晶粒細小，熔覆層硬度高、耐磨性好、耐蝕性強，可以顯著提高大修零件表面性能，其激光熔覆層與母材硬度對比曲線如圖1所示。激光熔覆修復技術相比航空裝備修理企業傳統焊接修復手段具備明顯自動化和數字化優勢如圖2所示。我廠采用激光熔覆修復的產品有起落架外筒、活塞桿扭力臂、發動機端軸頸等產品，如圖3所示。

圖1 超高強鋼激光熔覆與母材硬度對比曲線

圖2 激光熔覆和傳統焊接修復過程對比

圖3 激光熔覆修復產品

3.2 激光3D打印再制造技術

再制造是指以裝備全壽命周期理論為指導，以實現廢舊裝備性能提升為目標，以優質、高效、節能、節材及環保為準則，以先進技術和產業化生產為手段，進行修復、改造廢舊裝備或零件的一系列技術措施或工程活動的總稱。激光3D打印原理是利用激光在材料成形區域進行掃描熔化，或者利用激光在沉積區域產生熔池，熔化送入熔池的粉末材料，通過逐層堆疊最終成形三維零件的過程[15]。軍用航空裝備的激光3D打印再制造主要是指利用激光3D打印技術對損傷的零部件開展局部3D增材修復，或通過實物測繪技術還原零件尺寸，利用激光3D打印技術重新制造出所需的零件，進而完成修復，實現延長軍用航空裝備全壽命的目的。

激光3D打印技術相比傳統制造技術更加適用于制造或修復結構復雜零件，可以實現對具備多孔、點陣和微流道等結構特征的產品進行再制造，如圖4所示。通用GE公司采用激光3D打印技術制造出的航空發動機燃油噴嘴（見圖5），將20個零件集成為一個部件進行打印，不但實現減重25%，而且實現了數萬個部件的批量制造。

圖4 激光3D打印結構復雜零件

圖5 通用電氣公司航空發動機燃油噴嘴及設備

4 激光增材技術在軍用航空裝備修理行業中的應用展望

激光增材以自身的技術優勢，在軍用航空裝備修理領域中的應用潛力越加明顯。隨著激光增材技術在我國軍用航空裝備修理中的推廣應用，在技術研究、技術管理和技術應用層面依然存在嚴峻挑戰，需要進一步完善和發展，提升激光增材修復能力競爭力。

4.1 技術研究層面

軍用航空裝備涉及的材料體系龐大，既有傳統的鋁合金、鋼制材料，又有輕質高強度鈦合金、鎂合金和高溫合金，同時由于裝備長期在復雜環境和過載條件下服役，損傷缺陷種類和損傷部位迥異，且修復可靠性技術標準要求較高。為解決上述瓶頸問題，在技術層面，需要在軍用航空裝備激光增材修復質量控制基礎技術研究和激光增材修復關鍵技術兩個方面實現重點突破。

（1）開展基礎技術研究 壽命評估是激光增材修復質量控制的核心研究內容，建立準確的激光增材修復壽命預測模型，需要深入研究探索以產品全壽命周期理論、廢舊零件和激光增材修復零件的壽命評估預測理論等為代表的基礎理論，以揭示產品壽命演變規律的科學本質。為解決裝備壽命評估這一難題，必須探索研究更多更有效的無損檢測及壽命預測理論與技術。

（2）突破關鍵技術 需要不斷創新研發用于激光增材修復的先進表面工程技術群，使激光增材修復零件修復部位的強度更高、壽命更長，確保激光增材修復產品的質量不低于新品。

4.2 技術管理層面

（1）培養激光增材修復技術專門人才 人才是學科發展的根本。目前，激光增材修復雖然已經列入了國家學科目錄，但是，由于我國軍用航空裝備激光增材修復技術發展起步晚，激光增材修復技術是多學科、多領域科技知識的交叉融合，我國還未能有計劃地培養出足夠數量的激光增材修復工程學科人才。為此，航空裝備修理行業在開展激光修復技術研究的同時，應加強高校、研究院所和企業之間的產學研聯合，加強人才聯合培養力度。

（2）加快引進先進激光增材設備，建立激光增材修復技術研究實驗室 借助軍民融合平臺，與國內激光增材強勢院所（如北京航空航天大學、西北工業大學、中國科學院自動化研究所、北京航空材料研究院等）積極開展技術合作，學習先進的設備操作技術和管理經驗，深入調研各單位激光增材設備，根據工廠實際情況，開展相關設備與技術的引進，加快軍用航空裝備修理工廠激光實驗室的建設步伐。

（3）推進激光增材金屬材料的研發體系建設目前，全球范圍內限制激光增材技術發展的兩大因素，一是工藝；二是材料。增材金屬材料包括絲材和粉末兩種，金屬粉末是裝備修理的主要材料。為加快裝備修理工廠自主技術能力的形成，從管理角度推進激光增材金屬粉末研發體系建設，既是裝備大修生產的迫切需求，也是增材技術未來發展的大勢所趨。

4.3 技術應用層面

技術標準是技術和產業健康、規范發展的有力保障。我國軍用航空裝備激光增材修復技術因起步較晚，相關企業的技術積累較少，激光增材修復標準缺乏，所以在一定程度上阻礙了激光增材修復技術的廣泛應用。應盡早建立系統完善的激光增材修復工藝技術標準、質量檢測標準等體現激光增材修復規范化的標準體系。

5 結束語

本文以軍用航空裝備修理為背景，介紹了軍用航空裝備面臨的挑戰和發展趨勢，綜述了激光增材修復技術在軍用航空裝備修理中的應用現狀，并對激光增材修復技術在軍用航空裝備修理上的發展方向提出了相關建議。