馬 瑞 ，劉書霞 ，燕 翔

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.哈爾濱飛機工業(yè)集團有限公司，哈爾濱 150066；3.湖北三江航天紅陽機電有限公司，湖北 宜昌 444200）

0 引言

我國的航空維修業(yè)起步于20 世紀50年代，隨著設(shè)計能力、制造技術(shù)、工藝、材料、設(shè)備等的不斷發(fā)展迭代，航空維修在理念、維修方法、維修技術(shù)、維修深度等方面均發(fā)生了較大的變化和進步，從傳統(tǒng)“預(yù)防為主”的維修思想，發(fā)展為“以可靠性為中心”的維修思想[1]。它是建立在綜合分析飛機及其部件的狀態(tài)、性能固有可靠性的基礎(chǔ)上，針對不同機體及不同的故障模式，采用相對應(yīng)的維修方法和工藝的預(yù)防性維修，它極大地帶動了部件深度修理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

本研究提到的航空部件深度修復(fù)技術(shù)，就是基于上述的維修思想，應(yīng)用于部附件維修過程中的綜合性修理技術(shù)。航空部件深度修復(fù)技術(shù)是針對部件的損傷模式、損傷部位、基體材料、涂層材料、工作環(huán)境、裝配需求等多維度信息開展的以可靠性為前提的維修工藝技術(shù)。它針對部附件的損傷情況及修復(fù)或改造需求，用先進的材料和制造技術(shù)進行維修、維護或再制造工作，使其至少滿足一個翻修周期的使用要求。

據(jù)統(tǒng)計，2017年我國從事部件維修的企業(yè)超過220 家，其中僅從事部件維修項目的有108 家[2]。原生產(chǎn)廠家（OEM）的修理技術(shù)的帶入和國內(nèi)民航維修市場的迅速崛起，對國內(nèi)航空維修技術(shù)特別是部件深度修復(fù)技術(shù)水平的提高起到了很好的推動作用[3]。

本研究介紹航空部件深度修復(fù)的基本思路，并給出深度修復(fù)的具體應(yīng)用，分析目前國內(nèi)在航空部件深度修復(fù)技術(shù)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討其技術(shù)發(fā)展趨勢。

1 航空部件深度修復(fù)的基本流程與思路

傳統(tǒng)的航空部件修理工作是針對部件的損傷、故障采用原制造工藝進行修補，按照設(shè)計和制造手冊、標準開展，這種方式雖然解決了工程上的使用問題，但對于損傷和故障的成因未開展分析，修理后的產(chǎn)品在后續(xù)的使用中會持續(xù)出現(xiàn)原來的損傷和故障[4]。

而深度修復(fù)技術(shù)的主要思路是以滿足至少一個翻修周期為前提，開展修理技術(shù)研發(fā)。將損傷與失效的原因分析、可修復(fù)性評估、修復(fù)工藝可靠性評估及修復(fù)后產(chǎn)品可靠性評估，與維修技術(shù)研發(fā)流程充分融合，針對設(shè)計、制造缺陷采用新技術(shù)進行改善，在修復(fù)產(chǎn)品基本性能的同時，避免損傷、故障的持續(xù)反復(fù)出現(xiàn)，滿足其安全服役的要求[5]。深度修復(fù)技術(shù)突破原有制造工藝，根據(jù)損傷評估、可靠性分析等結(jié)果，選擇新材料、新工藝、新技術(shù)，增加修理深度，修復(fù)原有零部件缺陷，并針對損傷的成因，通過修復(fù)技術(shù)和方法進行性能改善或防護，避免損傷反復(fù)發(fā)生對飛機運行產(chǎn)生影響。如伊爾76 飛機30CrMnSiNi2A 高強鋼起落架在我國服役后進入大修，關(guān)鍵部位的磨損及腐蝕損傷均已超過設(shè)計要求，采用耐腐蝕粉末加入硬質(zhì)顆粒，做修復(fù)可靠性評估與試驗?zāi)M后，用3D 打印技術(shù)進行了修復(fù)。修復(fù)后服役一個大修期后，磨損和腐蝕損傷很輕微，新的修復(fù)工藝具有明顯的改善效果。

在修復(fù)中加入可靠性評估，可以判斷零件是否具有可修復(fù)性和修復(fù)可靠性?？尚迯?fù)性包括了技術(shù)和成本兩部分，評估修復(fù)部件的受損情況能否通過修復(fù)的手段使其重新滿足設(shè)計或使用要求。修復(fù)可靠性則主要針對零部件的修理質(zhì)量和壽命等開展評估[6]。

國外對于零部件的損傷和缺陷均采用類似的考核方式選擇修理工藝，即根據(jù)損傷形式、深度、工況要求等選擇焊接、噴涂、強化、熱處理等熱工藝進行深度修復(fù)工作。對于零部件的延壽通常會采用恢復(fù)性能熱處理或表面強化工藝開展修復(fù)。為確保經(jīng)過修復(fù)的部件性能達到或超過新品或滿足一個使用周期的要求，對損傷部件開展修復(fù)工作前、后都還需要進行組織、力學(xué)性能分析，以及可靠性評估和壽命預(yù)測等評價工作，使得被修復(fù)部件在服役期安全可靠。近年來，國內(nèi)在該領(lǐng)域也逐漸開展了相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用。目前通用的深度修復(fù)工藝流程如圖1 所示。

圖1 航空部件深度修復(fù)工藝典型流程圖Fig.1 Typical flow chart of aeronautical component repair process

深度修復(fù)技術(shù)的主要應(yīng)用對象包括服役后的損傷部件、到壽部件和新品超差部件。服役部件包括工作環(huán)境、裝配、外物、設(shè)計等因素導(dǎo)致的損傷待修復(fù)零部件。到壽部件包括日歷壽命、工作次數(shù)/小時、工藝次數(shù)、損傷程度等到壽的部件。新品超差部件包括在生產(chǎn)、制造、加工過程中產(chǎn)生的材料組織夾雜、疏松、孔隙以及外部磕碰、劃傷等導(dǎo)致的超差的產(chǎn)品部件。損傷模式和原因包括磨損、腐蝕、裂紋、打傷、劃傷和燒蝕等。

2 常用深度修復(fù)技術(shù)的特點和適用性

目前在部件的深度修復(fù)方面以焊接、噴涂、強化為主要技術(shù)方式，這些技術(shù)在國外的修理領(lǐng)域已應(yīng)用多年，相對比較成熟。在國內(nèi)的部件修復(fù)行業(yè)中，傳統(tǒng)熔焊和釬焊技術(shù)應(yīng)用普遍，熱噴涂、激光熔敷、強化技術(shù)近年來發(fā)展迅速，熱處理恢復(fù)性能和熱等靜壓技術(shù)在部件修復(fù)及其延壽上的應(yīng)用仍在研究中，尚未進入工程上的成熟應(yīng)用。國內(nèi)針對以上技術(shù)在拓展修理深度、增加可靠性分析、改善零部件性能并加強損傷防護等方面的研究和應(yīng)用時間較國外略短，因此深度修理技術(shù)在國內(nèi)仍有待大力發(fā)展，具有廣泛的應(yīng)用空間。

2.1 焊接修復(fù)

焊接是航空部件最主要的修復(fù)技術(shù)手段之一。它針對有一定深度的損傷、缺陷以及有強度要求的工況部件進行修復(fù)，解決損傷部位尺寸及性能恢復(fù)問題。用焊接技術(shù)開展深度修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)包括焊接材料的設(shè)計選擇、修復(fù)后基體組織和焊接缺陷的控制、焊后部件力學(xué)性能的調(diào)控、焊接變形的控制等[7]。

1）弧焊技術(shù)是航空部件的傳統(tǒng)修理技術(shù)手段，以操作靈活方便、修復(fù)成本低、修復(fù)可達性好、適用材料廣等優(yōu)點，在飛機、發(fā)動機、燃氣輪機部件修復(fù)中得以普遍使用。但在修復(fù)高Al、Ti 含量的鎳基鑄造高溫合金時，易產(chǎn)生焊接裂紋，其較大的熱應(yīng)力也會造成焊接變形。另外，微弧等離子焊的修復(fù)效率略低、自動化程度不高，在國內(nèi)修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用較少。

2）釬焊技術(shù)具有母材不熔化的特點，適用于工作溫度較高的部件修復(fù)，如發(fā)動機、燃氣輪機的熱端部件，但焊接區(qū)域的結(jié)合強度略弱于其他的焊接技術(shù)方法。真空釬焊技術(shù)可有效地避免產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，焊接變形小，殘余應(yīng)力小，適合高Al、Ti 鑄造高溫合金修復(fù)。它可同時修復(fù)零件不同位置的多條裂紋，或?qū)Χ鄠€零部件進行批量修復(fù)，效率較高。感應(yīng)釬焊加熱速率快，熱作用時間短，對部件基體材料損傷小，可以實現(xiàn)局部加熱，對非焊接區(qū)的影響小于真空釬焊。由于釬焊技術(shù)對于工作環(huán)境的限制要求，它不適用于大尺寸零部件的修復(fù)。

3）摩擦焊接是在壓力作用下摩擦產(chǎn)生熱量而形成焊縫。與熔焊相比，金屬是在熱塑性狀態(tài)下實現(xiàn)的類鍛態(tài)固相連接。摩擦焊接的焊縫強度與母材強度相當，其焊接質(zhì)量穩(wěn)定、一致性好，并可實現(xiàn)相異材料的焊接。此外，線性摩擦焊技術(shù)可處理結(jié)構(gòu)不對稱的焊接件，適用于針對非圓形截面的焊接。

4）高能束焊接技術(shù)在深度修復(fù)上的應(yīng)用近年來發(fā)展迅速，激光焊接（含激光熔敷）和電子束焊接被納入航空修理再制造范疇。相對于弧焊等傳統(tǒng)技術(shù)，高能束焊接的功率密度高、能量釋放快，極大地提升了焊接效率和精度。激光焊接技術(shù)可將熱輸入降低到需要量，從而減小熱影響區(qū)和焊接變形，并且不受操作空間限制，焊道深寬比可達10∶1。除鋁合金等高反射高導(dǎo)熱的材料以外，其他金屬類部件均可應(yīng)用。電子束焊接的總熱輸入量低、熱影響區(qū)和焊接變形小，真空環(huán)境的焊接質(zhì)量高，焊接可達性好，焊道最大深寬比為50∶1；但焊接件的尺寸和形狀會受到真空室的限制，不利于大尺寸零件的焊接，且更適合補焊規(guī)則的焊縫。

2.2 表面工程修復(fù)

表面工程修復(fù)技術(shù)是近年來發(fā)展和應(yīng)用迅速的深度修復(fù)方法之一，也被納入航空修理再制造技術(shù)范疇。表面工程技術(shù)是以恢復(fù)零部件原有尺寸為基礎(chǔ)，改善或恢復(fù)部件涂層性能的一種深度修復(fù)手段。它針對不同基體材料的輕微或淺表層損傷缺陷，以及耐磨、抗腐蝕、耐高溫、潤滑等功能性要求，選用熱噴涂、冷噴涂、強化等技術(shù)完成涂層的修復(fù)和性能改善。基體材料及修復(fù)需求常規(guī)選用的修復(fù)工藝如表1 所示。

熱噴涂包括超音速噴涂、爆炸噴涂、火焰噴涂和等離子噴涂等工藝，目前在生產(chǎn)制造中使用廣泛，但在國內(nèi)航空零部件深度修復(fù)中仍處于發(fā)展階段[8]。它通過選用不同的涂層材料，配合不同的噴涂工藝，制備形成耐磨、耐腐蝕、抗高溫氧化、熱障功能、電磁屏蔽吸收、導(dǎo)電等功能性涂層，在滿足零部件修復(fù)的同時，改變涂層性能，拓展了修理深度。它可使用的涂層材料涉及幾乎所有的金屬合金、陶瓷、金屬陶瓷及其他非金屬無機材料。

超音速火焰噴涂工作時，零件表面溫度為200～250 ℃，對于WC-Co 系硬質(zhì)合金可有效抑制WC 在噴涂過程中的分解，涂層結(jié)合強度高、致密，且耐磨損性能超過等離子噴涂層和電鍍硬鉻層，針對一般金屬、非金屬基體均可開展修復(fù)工作，對部件的形狀、尺寸不受限制，涂層適用廣泛。該工藝方法對基體影響小，不會造成基體變形、組織變化。目前，在航空修理中已成功使用超音速火焰噴涂替代了電鍍硬鉻工藝。

表1 表面工程修復(fù)工藝與應(yīng)用需求Table 1 Surface engineering repair technology and application requirements

爆炸噴涂的涂層粒子飛行速率高、動能大，是熱噴涂工藝中涂層結(jié)合強度最高、孔隙率最低的一種工藝方法，且零件表面溫度低于200 ℃，對基體的熱損傷小，不會產(chǎn)生形變和組織變化，涂層厚度容易控制，加工余量小?？蓢娡康牟牧蠌牡腿埸c鋁合金到高熔點的陶瓷均可。爆炸噴涂適用于小尺寸零件及精密零部件的深度修復(fù)使用。

冷噴涂技術(shù)是在低溫狀態(tài)下實現(xiàn)涂層沉積，涂層粒子速率快且不熔化，基體表面溫度不超過150 ℃，對基材的熱影響小，接近鍛造組織，涂層有明顯壓應(yīng)力，涂層致密且有較高的涂層厚度極限，厚度可達數(shù)毫米，耐蝕性優(yōu)于熱噴涂[9]。

表面強化技術(shù)可有效提高零部件表面的應(yīng)力腐蝕性能和疲勞斷裂結(jié)構(gòu)的安全性，也可提高破壞的容忍性和持久性，延長零部件壽命。傳統(tǒng)的表面強化包括噴丸、滾壓、擠壓工藝，高能束強化包括激光強化、電子束強化、離子束強化等。國內(nèi)雖多次使用強化工藝，但其仍處于研究和驗證過程中，因此針對二次強化和多次強化的工程化應(yīng)用仍具有局限性。激光強化工藝可以產(chǎn)生深度為1～2 mm 的殘余應(yīng)力層，是常規(guī)噴丸強化工藝應(yīng)力層的4～8 倍，目前已應(yīng)用于發(fā)動機風(fēng)扇葉片的制造和修理。

2.3 熱處理

熱處理是修復(fù)后性能改善和延壽的主要技術(shù)手段之一，用于消除在服役過程中或修復(fù)中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，調(diào)整、恢復(fù)材料的組織狀態(tài)。恢復(fù)性能熱處理或熱等靜壓處理針對壽部件，尤其是高溫合金的相變化，或微缺陷導(dǎo)致的拉伸、持久性能下降等問題，根據(jù)相析出、長大、溶解、擴散等原理，采用變形控制等技術(shù)進行組織恢復(fù)、缺陷閉合，使由于熱作用、機械作用而導(dǎo)致的力學(xué)性能衰減得以全部或部分恢復(fù)。

航空發(fā)動機渦輪葉片、擴壓器、燃燒室機匣、渦輪盤等熱端部件，多為鎳基、鈷基高溫合金，其在高溫下長期工作，合金中的析出相會發(fā)生變化，或者出現(xiàn)微缺陷，導(dǎo)致高溫拉伸性能、持久性能下降。由于高溫合金中析出相具有可逆特性，在不同的溫度下有析出和溶解特性，這種特性給延壽提供了可能。即采用以上方法調(diào)整到壽部件中的析出相，恢復(fù)材料的組織和性能、閉合缺陷，使構(gòu)件恢復(fù)達到服役所需要的性能，延長工作壽命。

3 各修理技術(shù)在航空部件上的應(yīng)用

目前，焊接技術(shù)在飛機以及發(fā)動機部件深度修理上的成熟應(yīng)用見圖2、圖3。

弧焊技術(shù)由于其便于操作的特點，更適合應(yīng)用于較大尺寸零件的原位焊接需求，可修復(fù)磨損、腐蝕、裂紋、劃傷和新品加工缺陷等損傷模式。

釬焊技術(shù)因為在操作上的限制因素，僅針對飛機機身導(dǎo)管、發(fā)動機和燃機的壓氣機葉片、渦輪葉片、封嚴結(jié)構(gòu)等小尺寸零部件開展了成熟的修復(fù)應(yīng)用，可修復(fù)磨損、裂紋、密集裂紋、燒蝕等損傷模式。

圖2 焊接技術(shù)在飛機關(guān)鍵部件深度修復(fù)上的應(yīng)用分布Fig.2 Application of welding technology in repair of key aircraft parts

圖3 焊接技術(shù)在發(fā)動機關(guān)鍵部件深度修復(fù)上的應(yīng)用分布Fig.3 Application of welding technology in repair of key engine parts

摩擦焊技術(shù)其設(shè)備成本高，目前在航空部件深度維修中僅在發(fā)動機葉片修復(fù)上較少應(yīng)用。

激光焊接技術(shù)在不考慮修復(fù)成本的前提下，可以實現(xiàn)深度修復(fù)中最廣泛的應(yīng)用，它覆蓋除Al 合金等高反射高導(dǎo)熱的材料以外的全部金屬零部件，以及所有焊接技術(shù)可修復(fù)的全部損傷模式。由于電子束焊接技術(shù)的特點和限制，現(xiàn)僅在航空發(fā)動機葉片修復(fù)中有過成功應(yīng)用。

表面工程技術(shù)目前在飛機以及發(fā)動機部件深度修理上的成熟應(yīng)用見圖4、圖5。

圖4 表面工程技術(shù)在發(fā)動機部件上修復(fù)應(yīng)用Fig.4 Application of surface engineering technology in repair of key engine parts

圖5 表面工程技術(shù)在飛機關(guān)鍵部件深度修復(fù)上的應(yīng)用分布Fig.5 Application of surface engineering in repair of key aircraft parts

熱噴涂工藝相較于傳統(tǒng)電鍍技術(shù)，其涂層與基體的結(jié)合屬于物理結(jié)合，不能承受交變載荷和沖擊載荷。因此它對于零部件的使用工況需要綜合分析和評估，一般不能適用于高溫環(huán)境下的零部件修復(fù)，目前在飛機修復(fù)上的應(yīng)用有機身、起落架、平尾、垂尾等軸、活塞桿、各種筒類件等零部件。其可以修復(fù)的損傷模式包括磨損和功能性涂層的防護等。

冷噴涂技術(shù)在金屬、陶瓷、玻璃等材料表面都可以開展修復(fù)工作，在制備鋁合金、銅合金零部件時冷噴涂工藝的致密性更好[10]。國內(nèi)航空部件修復(fù)領(lǐng)域中對鋁合金、鎂合金零件的尺寸恢復(fù)和耐蝕防護處理已開展了成熟應(yīng)用[11]。

表面強化技術(shù)是擴展修理深度的一種方法，可提高零件疲勞強度，改善原有工藝和設(shè)計的不足。目前，在飛機發(fā)動機的轉(zhuǎn)動部件、傳動部件、連動部件和主承力部件的承力外表面、內(nèi)壁、孔、螺紋、圓角等應(yīng)力集中部位都得到了廣泛應(yīng)用。

恢復(fù)性能熱處理技術(shù)或者熱等靜壓技術(shù)不能影響構(gòu)件上其他不可拆卸材料的性能，也不能使構(gòu)件變形超過裝配精度要求，適用于渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤、擴散機匣、擴壓器等單一材料構(gòu)件。另外，對于沒有壽命要求的部件如導(dǎo)向葉片，對損傷的裂紋進行修復(fù)可與恢復(fù)性能熱處理同時進行，既修復(fù)了裂紋又改善了性能。此技術(shù)仍處于研究驗證階段，尚未得到成熟的工程應(yīng)用。

4 深度修復(fù)技術(shù)未來發(fā)展展望

隨著飛機的設(shè)計、制造技術(shù)以及材料、工藝等的不斷發(fā)展進步，新工藝、新技術(shù)，如智能制造、再制造等先進技術(shù)陸續(xù)進入了航空關(guān)鍵件修復(fù)領(lǐng)域[12]。修復(fù)技術(shù)體系也幾乎涵蓋了新品制造的全部材料、技術(shù)方法，但修復(fù)技術(shù)不同于新品設(shè)計制造技術(shù)，修理難度在一定程度上大于新品制造難度，修理與制造的評價準則也不相同。因此維修行業(yè)對于深度修復(fù)技術(shù)及可靠性評價準則的建立和發(fā)展需求越來越迫切。

為了確保航空飛機維修保障工作的順利開展、完成，確保飛機的安全運行和服役，深度修復(fù)技術(shù)應(yīng)開展全面、系統(tǒng)的研究，針對零部件的材料、修理工藝、延壽技術(shù)、評估評價等幾個方面開展的技術(shù)研發(fā)和驗證，建立相應(yīng)的技術(shù)體系和標準，對深度修理的應(yīng)用起到準則和指導(dǎo)作用。

在深度修復(fù)流程和思想中應(yīng)將可靠性評估作為重要組成部分，重點關(guān)注和發(fā)展。可靠性評估是根據(jù)修復(fù)工藝試驗過程中獲得的各性能、組織、缺陷和殘余應(yīng)力等數(shù)據(jù)，結(jié)合修復(fù)部件、模擬件關(guān)鍵性能驗證考核結(jié)果所進行的綜合性安全評估，并預(yù)測修復(fù)后的使用壽命的綜合性評價技術(shù)。在深度修復(fù)流程中，可靠性評估尤為關(guān)鍵。目前國內(nèi)深度修理行業(yè)正在逐步地認識可靠性評估的重要性和必要性，但與國外相比，無論是重視程度、數(shù)據(jù)收集、評估評價體系建立等方面均還有較大差距。

深度修復(fù)技術(shù)應(yīng)突破現(xiàn)有的制造技術(shù)，更多的采用高自動化、智能化的技術(shù)工藝，如激光3D 打印技術(shù)、電子束熔絲沉積、等離子噴涂、激光強化等技術(shù)。用新技術(shù)、新工藝盡可能的替代原有制造工藝，由于進入維修期飛機的原有制造工藝和維修手冊已落后于現(xiàn)有技術(shù)至少10年的發(fā)展水平，因此更多的采用新工藝，不但可以改善原有設(shè)計、工藝的不足，提高可靠性和服役安全周期，還可以提高修理的效率。但相對于傳統(tǒng)工藝，有時會提升修理成本。

深度修復(fù)技術(shù)還應(yīng)拓展現(xiàn)有單一工藝開展修理的局面，對深度修復(fù)技術(shù)、工藝進行組合，開展復(fù)合式修理技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。由于深度修復(fù)要根據(jù)零件材料、缺陷類型、工作環(huán)境、性能要求等選擇工藝方法和材料修復(fù)，不同的修復(fù)種類和方法，其技術(shù)優(yōu)點各有所異，適應(yīng)對象也不完全相同。因此沒有哪種工藝方法能夠適用于所有的缺陷，復(fù)合修理工藝可以針對零部件的損傷、工況、性能等多維度要求，選擇焊接、噴涂、強化、防腐等跨領(lǐng)域的應(yīng)用組合，突破原有單一修理工藝的技術(shù)和應(yīng)用局限性，實現(xiàn)甚至超越原有零部件的設(shè)計和使用需求。

隨著我國航空市場的活躍和拓展以及航空產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域技術(shù)能力的提升，深度維修技術(shù)迎來了高速發(fā)展階段?；谀壳皣饧夹g(shù)封鎖等現(xiàn)狀，國內(nèi)對于航空領(lǐng)域的自主維護保障、制造維修技術(shù)的自主創(chuàng)新、突破關(guān)鍵技術(shù)封鎖的需求也越來越迫切。借助國家大力發(fā)展民航飛行事業(yè)，以及軍民融合的發(fā)展政策和趨勢，我國航空零部件深度維修市場會更加開放，技術(shù)融合和技術(shù)創(chuàng)新及新技術(shù)應(yīng)用的機遇和接受度的提升，也將為航空深度維修技術(shù)發(fā)展提供最佳時機，并最終實現(xiàn)我國深度維修技術(shù)和知識的自主保障。