激光增材技术在军用航空装备修理中的应用与展望

2023-11-24杨小军

金属加工(热加工) 2023年11期

杨小军

大连长丰实业总公司辽宁大连 116038

1 序言

增材制造技术是一种可以实现复杂结构精密“控形”和高性能“控性”相结合的高端制造方式，可通过对三维零件数模进行逐层切片，并基于切片文件实现逐层堆积、自下而上的成形制造或修复[1]。与传统制造技术相比，增材制造技术具有无需模具、材料利用率高、快速响应设计更改及成形性能优异等技术优势，按照能量输入的不同，可以分为激光增材、电子束增材、电弧增材等不同类型。当前，在国家航空航天重大需求和前沿科学探索的双重驱动下，金属构件的激光增材技术在装备、材料、工艺及标准等方面都呈现高效创新发展之势，在航空航天、汽车工业、生物医疗等领域得到了广泛应用，尤其是在航空航天等高端制造领域展示了极大的应用前景[2-4]。

军用航空装备大修作为国防保障力量的重要组成部分，大修产品的质量可靠性至关重要。军用航空装备大修时必须返厂彻底分解，逐一对每个零部件进行故障检查，然后根据故障的情况确定修理方案[5]。军用航空装备在恶劣环境中经过长期使用后，大量承力结构部件、武器挂梁系统和燃油系统的关键零部件因损伤或到达使用寿命期限而办理停用甚至报废。由于传统焊接修理技术无法保证零部件的服役可靠性，只能以新品替换，使大量价格高昂的航空零部件不能充分发挥使用效能，造成极大浪费。同时，新品采购周期较长，严重影响装备的大修周期。零部件失效模式常表现为裂纹、腐蚀、断裂及缺损等，必须采用焊接、激光增材等“成形”制造技术恢复其尺寸和形状。基于激光增材技术的高精度、高可靠性优点，将激光增材技术推广应用至航空装备大修生产过程，不仅可节省大量的新品购置资金，而且能够高效优质地完成零部件修复，具备十分重要的国防应用价值。

本文首先论述目前军用航空装备大修面临的挑战和发展趋势，其次从激光熔覆和激光3D打印再制造两个角度阐述了激光增材技术在航空装备修理中的应用现状，最后从技术研究、技术管理和技术应用等三个层面展望激光增材技术在军用航空装备修理中的发展方向。

2 军用航空装备修理面临的挑战和发展趋势

2.1 军用航空装备结构和材料发展

一代战机、一代材料[6]。第一代战机主要满足高亚音速飞行，强调结构件的屈服强度、抗拉强度、塑性和冲击韧度，主要使用钢骨架和木质材料；第二代战机主要满足高速高空、近距格斗需求，强调关键部位的疲劳性能，大量使用铝合金和钢制材料；第三代战机主要满足高亚音速机动性能，关键重要件的材料要求具备较高的损伤容限性能，材料需要有较高的断裂韧度和较低疲劳裂纹扩展速率，因此在铝合金和钢制材料的基础上大量增加了钛合金与复合材料等轻质高强材料的应用；第四代战机主要强调隐身性和长寿命周期，更加注重耐久性设计，主要材料与三代机相近，但钛合金和复合材料占比更大；第五代战机需要具备高智能、高协同和高速飞行的特性，对结构的要求更高，还需应用大量耐热材料和高温合金[7]。

2.2 军用航空装备修理面临的挑战

（1）逆向工程再延寿军用航空装备大修产品具有种类繁多、损伤特征不固定等特点，由于可靠性要求较高，修理技术的开发与应用难度不低于零件原始制造技术。装备大修生产的过程就是一项复杂的逆向再延寿工程，该工程是以核心修理技术为主体，以装备全寿命周期管理、价值流、系统工程、并行工程及组织行为学等管理理论为指导，融合其他相关技术和管理手段，与军用航空装备维修全过程、全型号、全寿命期的系统化管理有机集成，简而言之，就是专业化管理与系统化管理的有效结合。随着军用航空装备对大修质量要求的不断提升，该逆向再延寿工程需要经过长期的“实践→理论→实践”反复提炼和总结，以此不断完善[8]。

（2）修理标准的提升随着军用航空装备的迭代升级，用于装备制造的材料种类和性能也在不断变化，经过几十年的发展，从第一代战机的钢骨架和木质材料已经发展为第五代战机的钛合金、超高强度钢和特殊耐热材料，从第一代战机的亚音速飞行已经发展为第五代高智能战机的空天超音速巡航，这种变化不仅代表着作战性能的提升，而且意味着军用航空装备的修理难度和修理标准的不断提升。

（3）快速修复战场抢修通过运用战场损伤评估和修复技术，在战场上快速修复损伤装备；战场抢修能够为军队补充战损、保持持续作战能力提供重要的支撑，战场抢修在控制高昂的装备采购费用、增强战时装备保障效益方面扮演着至关重要的角色。战场抢修是指在战场上运用应急诊断与修复技术，迅速地对装备进行评估并根据需要快速修复损伤部位，使装备能够完成某项预定任务或实施自救的活动[9，10]。自第四次中东战争以来，各军事强国都十分重视本国军队战场抢修能力建设，战场抢修也在战场上充分发挥了重要作用，在1991年的海湾战争中，美国三军的装备完好率都达到了90%以上，伊拉克战争期间，美军各类损伤装备通常都能在24h内完成修复，最快的只需要几十分钟[11]。当前，全军按照新大纲施训，开展实战化训练，“聚力战训，备战打仗”成为装备保障的新常态[12]，我国对军用航空装备的战场抢修也提出了“综合化、野战化、快速响应”的要求，外场条件下完成装备的快速、高可靠性修理既是大势所趋，也是职责所在。

2.3 军用航空装备修理发展趋势

（1）修理产品模块化目前，军机的结构系统和功能系统是独立的，随着装备制造技术的发展，未来军机会将功能系统融入结构中，取消功能系统的冗余，功能结构一体化，诸如防热材料、微结构与结构构型融合，既能达到耐热防热的目的，又可进一步实现减重效果[13]。军机模块化产品结构损伤缺陷的修理也必然要采取新的增材修复技术，如定向激光熔覆或有机器人带动的激光3D打印修复技术。

（2）修理过程数字化目前，军用航空装备修理行业仍处于主要依靠手工操作来完成产品修理工作的阶段，相比于自动化程度较高的汽车、高速列车和微电子制造等行业，在数字化生产的进程上已经落后。随着军用航空装备修理标准的提高和修理技术数字化进程的推进，数字化分解、装配、检测、修磨和增材修理等过程必然会成为一种发展趋势。

3 激光增材技术在军用航空装备修理中的应用现状

3.1 激光熔覆增材修复技术

激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，从而在基材表面形成冶金结合的熔覆层[14]。它不仅可以用来恢复被磨损和腐蚀后废旧零件的表面尺寸和性能，而且还能通过适当选择合金粉末来改善和提高零件的耐磨性和耐蚀性。激光熔覆技术在军用航空装备修复中的优势主要有以下两点：一是激光熔覆工艺简单、效率高，容易实现自动化和机械化，符合航空装备数字化修理线建设的发展趋势；二是激光能量可控，熔覆层的组织致密、晶粒细小，熔覆层硬度高、耐磨性好、耐蚀性强，可以显著提高大修零件表面性能，其激光熔覆层与母材硬度对比曲线如图1所示。激光熔覆修复技术相比航空装备修理企业传统焊接修复手段具备明显自动化和数字化优势如图2所示。我厂采用激光熔覆修复的产品有起落架外筒、活塞杆扭力臂、发动机端轴颈等产品，如图3所示。

图1 超高强钢激光熔覆与母材硬度对比曲线

图2 激光熔覆和传统焊接修复过程对比

图3 激光熔覆修复产品

3.2 激光3D打印再制造技术

再制造是指以装备全寿命周期理论为指导，以实现废旧装备性能提升为目标，以优质、高效、节能、节材及环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，进行修复、改造废旧装备或零件的一系列技术措施或工程活动的总称。激光3D打印原理是利用激光在材料成形区域进行扫描熔化，或者利用激光在沉积区域产生熔池，熔化送入熔池的粉末材料，通过逐层堆叠最终成形三维零件的过程[15]。军用航空装备的激光3D打印再制造主要是指利用激光3D打印技术对损伤的零部件开展局部3D增材修复，或通过实物测绘技术还原零件尺寸，利用激光3D打印技术重新制造出所需的零件，进而完成修复，实现延长军用航空装备全寿命的目的。

激光3D打印技术相比传统制造技术更加适用于制造或修复结构复杂零件，可以实现对具备多孔、点阵和微流道等结构特征的产品进行再制造，如图4所示。通用GE公司采用激光3D打印技术制造出的航空发动机燃油喷嘴（见图5），将20个零件集成为一个部件进行打印，不但实现减重25%，而且实现了数万个部件的批量制造。

图4 激光3D打印结构复杂零件

图5 通用电气公司航空发动机燃油喷嘴及设备

4 激光增材技术在军用航空装备修理行业中的应用展望

激光增材以自身的技术优势，在军用航空装备修理领域中的应用潜力越加明显。随着激光增材技术在我国军用航空装备修理中的推广应用，在技术研究、技术管理和技术应用层面依然存在严峻挑战，需要进一步完善和发展，提升激光增材修复能力竞争力。

4.1 技术研究层面

军用航空装备涉及的材料体系庞大，既有传统的铝合金、钢制材料，又有轻质高强度钛合金、镁合金和高温合金，同时由于装备长期在复杂环境和过载条件下服役，损伤缺陷种类和损伤部位迥异，且修复可靠性技术标准要求较高。为解决上述瓶颈问题，在技术层面，需要在军用航空装备激光增材修复质量控制基础技术研究和激光增材修复关键技术两个方面实现重点突破。

（1）开展基础技术研究寿命评估是激光增材修复质量控制的核心研究内容，建立准确的激光增材修复寿命预测模型，需要深入研究探索以产品全寿命周期理论、废旧零件和激光增材修复零件的寿命评估预测理论等为代表的基础理论，以揭示产品寿命演变规律的科学本质。为解决装备寿命评估这一难题，必须探索研究更多更有效的无损检测及寿命预测理论与技术。

（2）突破关键技术需要不断创新研发用于激光增材修复的先进表面工程技术群，使激光增材修复零件修复部位的强度更高、寿命更长，确保激光增材修复产品的质量不低于新品。

4.2 技术管理层面

（1）培养激光增材修复技术专门人才人才是学科发展的根本。目前，激光增材修复虽然已经列入了国家学科目录，但是，由于我国军用航空装备激光增材修复技术发展起步晚，激光增材修复技术是多学科、多领域科技知识的交叉融合，我国还未能有计划地培养出足够数量的激光增材修复工程学科人才。为此，航空装备修理行业在开展激光修复技术研究的同时，应加强高校、研究院所和企业之间的产学研联合，加强人才联合培养力度。

（2）加快引进先进激光增材设备，建立激光增材修复技术研究实验室借助军民融合平台，与国内激光增材强势院所（如北京航空航天大学、西北工业大学、中国科学院自动化研究所、北京航空材料研究院等）积极开展技术合作，学习先进的设备操作技术和管理经验，深入调研各单位激光增材设备，根据工厂实际情况，开展相关设备与技术的引进，加快军用航空装备修理工厂激光实验室的建设步伐。

（3）推进激光增材金属材料的研发体系建设目前，全球范围内限制激光增材技术发展的两大因素，一是工艺；二是材料。增材金属材料包括丝材和粉末两种，金属粉末是装备修理的主要材料。为加快装备修理工厂自主技术能力的形成，从管理角度推进激光增材金属粉末研发体系建设，既是装备大修生产的迫切需求，也是增材技术未来发展的大势所趋。