劉志峰

（合肥工業(yè)大學機械工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前 言

航空裝備再制造是指對飛機及其技術(shù)裝備進行維護和修理的一系列工作，它是航空裝備設(shè)計-制造-修理全壽命保障的重要一環(huán)，對于航空航天行業(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。隨著中國軍隊實戰(zhàn)化訓練的不斷深入，對軍用飛機的性能和質(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)濟與軍事效益。

1 航空裝備損傷形式

飛機在長時間服役之后，機體的部分關(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、復合化的特點，結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)薄弱部分高耐久修復和動作執(zhí)行部分累積損傷的高效修復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，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)注局部修復和局部再制造強化技術(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，但仍然存在許多復雜的多維、多場、多尺度耦合的科學問題，同時也包括再制造材料集約化、異質(zhì)異構(gòu)零件再制造、現(xiàn)場快速響應(yīng)再制造等許多工程實際需求帶來的挑戰(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)計與開發(fā)一直是研究的熱點和難點之一。適應(yīng)性粉末的設(shè)計與開發(fā)是實現(xiàn)高精度、高效率再制造的前提條件之一。現(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，可以對粉末進行高匹配應(yīng)力適應(yīng)多元合金設(shè)計，例如通過納米改性元素摻雜、第二相誘導前驅(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)計與開發(fā)也需充分考慮粉末性能，特別是對材料的機械性能、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，這些缺陷會導致航空再制造零件的疲勞性能變差且各向異性。此外，高能束再制造過程難以避免殘余拉應(yīng)力的形成，而拉應(yīng)力導致裂紋萌生的周期更短，疲勞裂紋的擴展速率更快。為了實現(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雜零件的表面粗糙度，通過精細的表面處理可以提高再制造零件的疲勞性能；另一方面，需對工藝缺陷進行自適應(yīng)調(diào)控，通過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/恢復破損部件的技術(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^程中的形性指標進行調(diào)控，對再制造過的材料與基材的表/界面行為及其內(nèi)部治金缺陷形成機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證標準

由于航空零部件的服役環(huán)境復雜，僅使用標準力學性能試驗很難建立準確的壽命預測模型。因此，對于再制造航空零部件，一般采用“積木式”方法對材料服役性能進行評價，但該方法驗證周期長、經(jīng)濟成本高，這與增材再制造開發(fā)周期短，迭代頻次快的優(yōu)勢相沖突。因此，通過自主研發(fā)，建立一套完整的航空裝備再制造技術(shù)標準體系，建立相關(guān)材料規(guī)范、工藝標準、檢測方法、產(chǎn)品技術(shù)標準，是當前政府、研究機構(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

4.1 多能場復合再制造技術(shù)

航空裝備的再制造修復通常面臨熱機械應(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。通過在再制造過程中引入附加能場，例如電磁場，聲場以及溫度場等，可以有效細化晶粒，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質(zhì)量。但是在引入附加能場的過程中，亟待探究多能場對再制造修復過程中的熔池凝固對流、傳熱與傳質(zhì)的影響機制；研究附加能場帶來的晶粒尺寸微觀細化規(guī)律；厘清附加能場誘導的移動熔池冶金動力學特性以及凝固方式；最終需要建立附加能場對于航空裝備再制造修復質(zhì)量的量化關(guān)系，從而實現(xiàn)針對航空裝備再制造過程的多能場復合精準調(diào)控。

4.2 現(xiàn)場增減材復合加工技術(shù)

由于航空裝備的復雜應(yīng)用場景，如何實現(xiàn)相關(guān)零部件的現(xiàn)場增減材復合加工是未來再制造領(lǐng)域的關(guān)鍵問題?？紤]工作環(huán)境和修復對象的多約束特性，以及再制造材料與待修復件的匹配關(guān)系，現(xiàn)場增減材復合加工技術(shù)在未來需要克服以下五點難題：

（1）從設(shè)計角度實現(xiàn)現(xiàn)場多約束條件下的再制造零件反演設(shè)計與評估；（2）從增減材一體化角度實現(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）從材料角度實現(xiàn)增減材復合加工的高性能合金集約化設(shè)計與制備；（4）從工藝角度實現(xiàn)現(xiàn)場增減材復合加工的形性協(xié)同調(diào)控與裝備集成設(shè)計；（5）從質(zhì)量控制角度完成針對現(xiàn)場增減材再制造技術(shù)與裝備的質(zhì)量驗證與考核，保證復雜服役條件下的航空裝備修復效果。

5 結(jié) 語

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)標準體系的不斷完善，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)型升級上得到不斷創(chuàng)新和高速發(fā)展，前景可待，未來可期。