劉志峰

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前 言

航空裝備再制造是指對(duì)飛機(jī)及其技術(shù)裝備進(jìn)行維護(hù)和修理的一系列工作，它是航空裝備設(shè)計(jì)-制造-修理全壽命保障的重要一環(huán)，對(duì)于航空航天行業(yè)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(guó)軍隊(duì)實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的不斷深入，對(duì)軍用飛機(jī)的性能和質(zhì)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(bào)廢換新，大幅節(jié)約成本，并且保障航空裝備的有效保有量與持續(xù)作戰(zhàn)能力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)與軍事效益。

1 航空裝備損傷形式

飛機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間服役之后，機(jī)體的部分關(guān)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(xiàn)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(fù)合化的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)薄弱部分高耐久修復(fù)和動(dòng)作執(zhí)行部分累積損傷的高效修復(fù)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(zhàn)

航空裝備零件再制造具有典型的少批量、多品種的特點(diǎn)，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(tǒng)零件再制造更關(guān)注局部修復(fù)和局部再制造強(qiáng)化技術(shù)。目前以激光、電弧、等離子為基礎(chǔ)的高能束再制造技術(shù)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(fù)雜的多維、多場(chǎng)、多尺度耦合的科學(xué)問(wèn)題，同時(shí)也包括再制造材料集約化、異質(zhì)異構(gòu)零件再制造、現(xiàn)場(chǎng)快速響應(yīng)再制造等許多工程實(shí)際需求帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

3 航空裝備再制造關(guān)鍵技術(shù)

3.1 適應(yīng)性粉末的設(shè)計(jì)與開發(fā)

航空裝備領(lǐng)域激光再制造適應(yīng)性粉末設(shè)計(jì)與開發(fā)一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。適應(yīng)性粉末的設(shè)計(jì)與開發(fā)是實(shí)現(xiàn)高精度、高效率再制造的前提條件之一?，F(xiàn)有的激光增材商用粉末大多沿用傳統(tǒng)的熱噴涂粉末，這種傳統(tǒng)的修復(fù)用粉與基體間的成分、熱物性差異大，形性調(diào)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(lǐng)域激光再制造的要求，可以對(duì)粉末進(jìn)行高匹配應(yīng)力適應(yīng)多元合金設(shè)計(jì)，例如通過(guò)納米改性元素?fù)诫s、第二相誘導(dǎo)前驅(qū)體以及稀土元素性能調(diào)控等手段獲得高匹配應(yīng)力適應(yīng)多元合金。此外，粉末設(shè)計(jì)與開發(fā)也需充分考慮粉末性能，特別是對(duì)材料的機(jī)械性能、耐高溫性能、耐磨損性能等的要求，以適應(yīng)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(diào)控

表面質(zhì)量、表面殘余應(yīng)力、加工硬化和晶粒細(xì)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(huì)導(dǎo)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(guò)程難以避免殘余拉應(yīng)力的形成，而拉應(yīng)力導(dǎo)致裂紋萌生的周期更短，疲勞裂紋的擴(kuò)展速率更快。為了實(shí)現(xiàn)再制造零件疲勞性能的一致性調(diào)控，一方面需控制再制造復(fù)雜零件的表面粗糙度，通過(guò)精細(xì)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(duì)工藝缺陷進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控，通過(guò)控制增材再制造加工參數(shù)減少內(nèi)部缺陷，從而提高航空再制造零件的疲勞強(qiáng)度和壽命。

3.3 增材再制造形性協(xié)同調(diào)控技術(shù)

作為發(fā)展最迅速最突出的修復(fù)/恢復(fù)破損部件的技術(shù)之一，增材再制造因其熱輸入小、精度高、熔深小、成形質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)正被快速地應(yīng)用于航空零部件再制造中。但隨著航空裝備制造業(yè)對(duì)關(guān)鍵零部件的精度與性能要求日漸提高，增材再制造產(chǎn)品表面質(zhì)量較差并可能存在尺寸缺陷的弊端日益凸顯。為了能夠?qū)す庠霾脑僦圃爝^(guò)程中的形性指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控，對(duì)再制造過(guò)的材料與基材的表/界面行為及其內(nèi)部治金缺陷形成機(jī)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(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)

由于航空零部件的服役環(huán)境復(fù)雜，僅使用標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能試驗(yàn)很難建立準(zhǔn)確的壽命預(yù)測(cè)模型。因此，對(duì)于再制造航空零部件，一般采用“積木式”方法對(duì)材料服役性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，但該方法驗(yàn)證周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)成本高，這與增材再制造開發(fā)周期短，迭代頻次快的優(yōu)勢(shì)相沖突。因此，通過(guò)自主研發(fā)，建立一套完整的航空裝備再制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，建立相關(guān)材料規(guī)范、工藝標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)方法、產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)前政府、研究機(jī)構(gòu)與各增材裝備研發(fā)公司共同努力的方向。

4 航空裝備再制造發(fā)展趨勢(shì)

4.1 多能場(chǎng)復(fù)合再制造技術(shù)

航空裝備的再制造修復(fù)通常面臨熱機(jī)械應(yīng)力不平衡，局部翹曲變形，異質(zhì)材料性能匹配度低等難題。通過(guò)在再制造過(guò)程中引入附加能場(chǎng)，例如電磁場(chǎng)，聲場(chǎng)以及溫度場(chǎng)等，可以有效細(xì)化晶粒，減小應(yīng)力集中，提高界面結(jié)合性能，從而保證再制造修復(fù)質(zhì)量。但是在引入附加能場(chǎng)的過(guò)程中，亟待探究多能場(chǎng)對(duì)再制造修復(fù)過(guò)程中的熔池凝固對(duì)流、傳熱與傳質(zhì)的影響機(jī)制；研究附加能場(chǎng)帶來(lái)的晶粒尺寸微觀細(xì)化規(guī)律；厘清附加能場(chǎng)誘導(dǎo)的移動(dòng)熔池冶金動(dòng)力學(xué)特性以及凝固方式；最終需要建立附加能場(chǎng)對(duì)于航空裝備再制造修復(fù)質(zhì)量的量化關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)航空裝備再制造過(guò)程的多能場(chǎng)復(fù)合精準(zhǔn)調(diào)控。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)增減材復(fù)合加工技術(shù)

由于航空裝備的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景，如何實(shí)現(xiàn)相關(guān)零部件的現(xiàn)場(chǎng)增減材復(fù)合加工是未來(lái)再制造領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。考慮工作環(huán)境和修復(fù)對(duì)象的多約束特性，以及再制造材料與待修復(fù)件的匹配關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)增減材復(fù)合加工技術(shù)在未來(lái)需要克服以下五點(diǎn)難題：

（1）從設(shè)計(jì)角度實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)多約束條件下的再制造零件反演設(shè)計(jì)與評(píng)估；（2）從增減材一體化角度實(shí)現(xiàn)缺損零件高適應(yīng)性的模型快速重構(gòu)與路徑規(guī)劃；（3）從材料角度實(shí)現(xiàn)增減材復(fù)合加工的高性能合金集約化設(shè)計(jì)與制備；（4）從工藝角度實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)增減材復(fù)合加工的形性協(xié)同調(diào)控與裝備集成設(shè)計(jì)；（5）從質(zhì)量控制角度完成針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)增減材再制造技術(shù)與裝備的質(zhì)量驗(yàn)證與考核，保證復(fù)雜服役條件下的航空裝備修復(fù)效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

航空裝備的增材再制造技術(shù)作為一種保障軍用航空裝備有效保有量與持續(xù)作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵技術(shù)，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(shù)的不斷突破以及航空裝備再制造技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷完善，航空裝備再制造技術(shù)必將在助力軍民產(chǎn)業(yè)融合和制造業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)上得到不斷創(chuàng)新和高速發(fā)展，前景可待，未來(lái)可期。