激光增材再制造在飛機維修中的應用

陳彩云

摘要：飛機在服役的過程中，為了保證飛機的飛行可靠性，確保飛機的飛行安全，需要對飛機進行日常的維護和修理，飛機維修也是我國航空業不可或缺的部分。激光增材再制造技術為飛機設備維修提供了新的可能，作為一種新的工藝技術，可有效地應對飛機維修過程中所需的新材料和新結構等。

Abstract： In the process of aircraft service， in order to ensure the flight reliability and flight safety of aircraft， it is necessary to carry out routine maintenance and repair of aircraft， and aircraft maintenance is also an indispensable part of China's aviation industry. Laser additive remanufacturing technology provides a new possibility for aircraft equipment maintenance. As a new technology， it can effectively deal with the new materials and structures needed in the process of aircraft maintenance.

關鍵詞：激光增材再制造技術;飛機維修;應用

Key words： laser additive remanufacturing technology;aircraft maintenance;application

中圖分類號：V267+.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0046-02

0? 引言

飛機在生產過程中，零件制造工藝和構件等的裝配工藝較為復雜，成本很高，尤其是新型的戰斗機，采用新技術，新工藝加工成型，這些飛機在服役的過程中，一些關鍵零部件（機翼機身蒙皮、起落架、發動機等）很大程度上在氣動力或者外力沖擊產生磨損或者疲勞損傷，在高溫高濕環境下產生化學腐蝕，事故或者戰傷等原因也會引起失效，從而影響飛機的飛行安全以及作戰能力。如果將損傷損壞的零部件直接進行更換，或者直接報廢飛機，將會造成不可估量的損失，故為了節約成本，對飛機損傷損壞零部件進行修理。而激光增材再制造作為比較先進的再加工再制造零件的修復方法，如圖1所示。該修復技術由于熱源的能量相對集中，可在對零件本身材料和力學性能影響較小的情況下，完成對零件的幾何結構形狀及基本力學性能的完全恢復，采用該技術對飛機損傷損壞零構建進行再制造修復，是飛機維修行業發展的趨勢。

1? 激光增材再制造技術的原理

激光增材制造技術是一種快速成型的技術，又稱為3D打印技術，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[1]。通過此技術制造模型，被用在模具制造、工業設計等領域，后來，通過這種技術，直接打印出所需零部件，按照要求裝配成成品。增材制造技術利用一臺專用設備，快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，不需要傳統的刀具和夾具以及復雜的加工工序，從而實現了零件“自由制造”，解決了許多復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期，而且產品結構越復雜，其制造速度的作用就越顯著[2]。激光增材再制造技術原理與激光3D打印技術相近，但又有其自身的特點。

典型的激光增材再制造流程如圖2所示。

首先，將待修理的零構件拆解下來，并對其進行表面清洗。接著按照零構建的功能、損傷的類型及損傷的尺寸進行分類。然后對待修理的零構件進行無損檢測或者使用壽命和質量評估。若有修理的價值，則對其進行再制造修復。接著按照零構件本身的性能特點進行相應的熱處理，然后對零部件后加工成型，恢復原零件的形狀。最后對其進行性能檢測，判定修理后的零構件合格與否。

2? 飛機維修的發展及趨勢

2.1 飛機維修的發展

由于戰爭的刺激、人類交通的需要，使航空技術不斷取得突飛猛進的發展，它們帶來的高速、大型、低成本飛機進一步擴大了人類對航空運輸的需求，同時也推動著航空維修業的發展。

在20世紀80年代以前，我國的航空維修單位以軍隊各航空單位為主，沒有獨立的航空維修廠。到1985年后，我國開始引進先進的飛機，但是沒有先進的維修能力。所以，很長一段時間，我國引進的新型飛機幾乎都在國外基地完成深層次、高難度修理。后來，隨著我國航空設備維修市場的逐漸發展，維修業逐漸好轉。

2.2 飛機維修的趨勢

目前，與國外的維修水平相比，我國維修行業的飛機零部件維修水平相對來說較為落后，深層次、高難度的零部件無法有效地修理。在一些精度要求比較高的飛機維修中，國內能夠維修的飛機零部件比例較低。國內相關單位重復建設低層次的維修能力，集中建設飛機機體易維修的部位，像發動機等關鍵零部件的維修能力不足，因此國內目前的維修能力不足以滿足維修的需求。

飛機維修的能力將很大程度上影響中國飛機的飛行安全和飛機制造成本，在航空產業鏈中意義非凡。目前國內飛機制造生產技術快速發展，我國飛機維修業需要快速提高關鍵零部件的維修水平，降低其維修成本，是當前急需解決的關鍵性問題。

激光增材再制造技術在飛機維修行業的應用解決了飛機零部件修復問題，推動航空維修不斷提高自身的發展質量，為世界的飛機的飛行安全，創造了條件。未來的戰爭必然是信息化的，不論戰場處在何地，只要出現需要替換的出故障或被損毀的零部件，軍方都可以利用3D打印技術來生產前線需要的零部件，然后由專業人員進行組裝，直接送往戰場就可投入戰斗，仿佛就是航空裝備的快速“重生”，這種方法快速且高效[3]。雖然這種技術目前還沒能完全投人戰場使用，但是能夠預測到的是，3D打印技術必然掀起一場制造業的新革命，將徹底改變以往的航空裝備維修方式[3]。

3? 激光增材再制造技術面臨的挑戰

雖然目前激光增材再制造已經逐漸應用在各個行業，但仍有很多亟待解決的問題。

殘余應力是利用激光增材再制造技術進行飛機修理的第一大問題。在增材制造的過程中，材料溫度控制不精準等原因，會導致零件增材部分的應力應變之間的關系，與飛機原構件存在明顯差異。而這個殘余應力會影響飛機修理后零件的機械性能、耐腐蝕性能和疲勞強度，從而影響飛機的飛行安全。

類比焊接工藝如圖4，激光增材再制造技術熱影響區如圖3，激光增材再制造技術還可能會存在熱影響區出的材料本身的性能發生改變，甚至變差。激光增材再制造過程，是長期循環加熱的過程，加熱的過程中會使材料微觀組織發生改變，從而導致材料的機械性能發生改變。激光增材再制造生產制造常見的材料有鎳合金、鈦合金、高強度鋼等，材料經過熱處理后，狀態不同（有鑄態、鍛造、時效、軋制、滲碳滲氮等），其性能將會千差萬別，因此，熱循環過程中材料所受的影響，需要根據具體材料，進行有針對性的探索研究。

飛機修理過程中，再制造材料與原構件之間的臨界面的基體材料存在差異性，從而導致界面結合處的材料性能較差。修理后的結構，不能滿足原構件的強度和剛度，修理后的飛機存在安全隱患。

4? 激光增材再制造技術在飛機維修方面優勢

在我國，在大型金屬零部件上，已經實現了運用激光增材制造技術來滿足零部件的成型要求，激光增材制造主要可以使用金屬材料有鈦合金、鎳基高溫合金、高強度鋼等，這些金屬材料不宜加工成型，加工成本高，所以激光增材再制造技術在工業生產上可以廣泛應用。而且鈦合金、鎳基高溫合金、高強度鋼等是航空零部件常用的材料，到目前為止，激光增材再制造技術已經廣泛應用在航空發動機、部隊保障工作等領域。而激光增材再制造技術同樣可以在飛機維修領域發揮至關重要作用。

激光增材再制造技術在飛機維修方面有以下優勢：①航空材料儲備問題。激光增材再制造技術，只需要零部件的三維模型儲存在電腦上，當有再制造的需求時，直接調用三維模型，根據材料的參數等，打印出需要的零部件即可。隨著激光增材再制造技術的發展，飛機維修所需的零部件，不再需要提前儲備，從而解決了庫存堆積，或者庫存不足的問題，減少零件壽命的損耗成本和庫房的管理成本。②減少材料浪費、縮短加工周期。在飛機維修的過程中，其中因為疲勞失效，或者其他損傷而需要修理的零部件，可以采用激光增材再制造技術，在原來零部件的基礎上，恢復到原來的結構尺寸，以恢復原零部件的功能。在此過程中，需要使用的材料有限，而且生產的周期也短，則修理過程中所產生的經濟效益和社會效益更加顯著。可以實現無焊接、鉚接等組裝工藝，減少螺栓連接件，較傳統的切削加工技術[4]。激光增材再制造將需要維修的零部件的設計方案通過三維數模，進行快速加工成型，從而生產出需求的零部件，這期間，減少了加工周期。

5? 結束語

技術創新是我國飛機維修行業可持續發展的基礎。雖然激光增材再制造技術仍然存在很多繼續克服的問題，但激光增材再制造技術對飛機維修技術的提高起到了關鍵作用，打破了國內低層次維修能力的現狀，推動飛機維修降低成本，提高飛機設備維修后的質量。

參考文獻：

[1]曾楊帆，梁振華，黃海亮.淺談3D打印技術在多功能電視機研制方面的應用[J].科技創業月刊，2014，27（11）：180-181.

[2]李滌塵，田小永，王永信，盧秉恒.增材制造技術的發展[J]. 電加工與模具，2012（S1）：20-22.

[3]莫偉東.3D打印技術及其在航空裝備維修中的應用[J].產業與科技論壇，2017（24）.

[4]姜舟，任斌斌.3D打印技術在航空維修中的應用研究[J]. 中國設備工程，2017，09（下）：42-43.