航空装备增材再制造的挑战与机遇

刘志峰

（合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009）

0 前 言

航空装备再制造是指对飞机及其技术装备进行维护和修理的一系列工作，它是航空装备设计-制造-修理全寿命保障的重要一环，对于航空航天行业有着举足轻重的影响，是飞行安全必不可少的保障和基石。随着中国军队实战化训练的不断深入，对军用飞机的性能和质量提出了更高的要求，由此催生了极大的军用航空装备的保障需求。航空装备再制造可以有效避免旧的航空装备报废换新，大幅节约成本，并且保障航空装备的有效保有量与持续作战能力，具有显著的经济与军事效益。

1 航空装备损伤形式

飞机在长时间服役之后，机体的部分关键零件，如主起落架轴颈、火药推杆壳体与起落架活塞杆法兰盘等，可能出现疲劳裂纹、穿透损伤、腐蚀老化、粘着磨损等多种形式的损伤。航空装备的损伤具有多样化、复合化的特点，结构承载系统薄弱部分高耐久修复和动作执行部分累积损伤的高效修复是目前航空零件再制造亟待解决和攻克的难题。

2 航空装备再制造面临的挑战

航空装备零件再制造具有典型的少批量、多品种的特点，部分损伤位置与尺寸极端化。航空装备零件再制造相比于传统零件再制造更关注局部修复和局部再制造强化技术。目前以激光、电弧、等离子为基础的高能束再制造技术为解决航空零件控形控性再制造提供了可行途径，但仍然存在许多复杂的多维、多场、多尺度耦合的科学问题，同时也包括再制造材料集约化、异质异构零件再制造、现场快速响应再制造等许多工程实际需求带来的挑战。

3 航空装备再制造关键技术

3.1 适应性粉末的设计与开发

航空装备领域激光再制造适应性粉末设计与开发一直是研究的热点和难点之一。适应性粉末的设计与开发是实现高精度、高效率再制造的前提条件之一。现有的激光增材商用粉末大多沿用传统的热喷涂粉末，这种传统的修复用粉与基体间的成分、热物性差异大，形性调控存在一定的难度，难以匹配航空装备的服役性能需求。为了满足航空装备领域激光再制造的要求，可以对粉末进行高匹配应力适应多元合金设计，例如通过纳米改性元素掺杂、第二相诱导前驱体以及稀土元素性能调控等手段获得高匹配应力适应多元合金。此外，粉末设计与开发也需充分考虑粉末性能，特别是对材料的机械性能、耐高温性能、耐磨损性能等的要求，以适应不同热源增材再制造工艺的需求。

3.2 再制造零件疲劳性能一致性调控

表面质量、表面残余应力、加工硬化和晶粒细化是决定航空再制造零件疲劳性能的重要因素。增材再制造制造出的零件通常具有一定的微观缺陷，这些缺陷会导致航空再制造零件的疲劳性能变差且各向异性。此外，高能束再制造过程难以避免残余拉应力的形成，而拉应力导致裂纹萌生的周期更短，疲劳裂纹的扩展速率更快。为了实现再制造零件疲劳性能的一致性调控，一方面需控制再制造复杂零件的表面粗糙度，通过精细的表面处理可以提高再制造零件的疲劳性能；另一方面，需对工艺缺陷进行自适应调控，通过控制增材再制造加工参数减少内部缺陷，从而提高航空再制造零件的疲劳强度和寿命。

3.3 增材再制造形性协同调控技术

作为发展最迅速最突出的修复/恢复破损部件的技术之一，增材再制造因其热输入小、精度高、熔深小、成形质量高等优势正被快速地应用于航空零部件再制造中。但随着航空装备制造业对关键零部件的精度与性能要求日渐提高，增材再制造产品表面质量较差并可能存在尺寸缺陷的弊端日益凸显。为了能够对激光增材再制造过程中的形性指标进行调控，对再制造过的材料与基材的表/界面行为及其内部治金缺陷形成机理和控制方法的研究是很有必要的。

3.4 再制造零件考核与验证标准

由于航空零部件的服役环境复杂，仅使用标准力学性能试验很难建立准确的寿命预测模型。因此，对于再制造航空零部件，一般采用“积木式”方法对材料服役性能进行评价，但该方法验证周期长、经济成本高，这与增材再制造开发周期短，迭代频次快的优势相冲突。因此，通过自主研发，建立一套完整的航空装备再制造技术标准体系，建立相关材料规范、工艺标准、检测方法、产品技术标准，是当前政府、研究机构与各增材装备研发公司共同努力的方向。

4 航空装备再制造发展趋势

4.1 多能场复合再制造技术

航空装备的再制造修复通常面临热机械应力不平衡，局部翘曲变形，异质材料性能匹配度低等难题。通过在再制造过程中引入附加能场，例如电磁场，声场以及温度场等，可以有效细化晶粒，减小应力集中，提高界面结合性能，从而保证再制造修复质量。但是在引入附加能场的过程中，亟待探究多能场对再制造修复过程中的熔池凝固对流、传热与传质的影响机制；研究附加能场带来的晶粒尺寸微观细化规律；厘清附加能场诱导的移动熔池冶金动力学特性以及凝固方式；最终需要建立附加能场对于航空装备再制造修复质量的量化关系，从而实现针对航空装备再制造过程的多能场复合精准调控。

4.2 现场增减材复合加工技术

由于航空装备的复杂应用场景，如何实现相关零部件的现场增减材复合加工是未来再制造领域的关键问题。考虑工作环境和修复对象的多约束特性，以及再制造材料与待修复件的匹配关系，现场增减材复合加工技术在未来需要克服以下五点难题：

（1）从设计角度实现现场多约束条件下的再制造零件反演设计与评估；（2）从增减材一体化角度实现缺损零件高适应性的模型快速重构与路径规划；（3）从材料角度实现增减材复合加工的高性能合金集约化设计与制备；（4）从工艺角度实现现场增减材复合加工的形性协同调控与装备集成设计；（5）从质量控制角度完成针对现场增减材再制造技术与装备的质量验证与考核，保证复杂服役条件下的航空装备修复效果。

5 结 语

航空装备的增材再制造技术作为一种保障军用航空装备有效保有量与持续作战能力的关键技术，极具潜力及前沿性。随着高能束增材再制造工艺与装备技术的不断突破以及航空装备再制造技术行业标准体系的不断完善，航空装备再制造技术必将在助力军民产业融合和制造业的绿色转型升级上得到不断创新和高速发展，前景可待，未来可期。