航空部件深度修复的技术及发展

马 瑞 ，刘书霞 ，燕 翔

（1.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2.哈尔滨飞机工业集团有限公司，哈尔滨 150066；3.湖北三江航天红阳机电有限公司，湖北 宜昌 444200）

0 引言

我国的航空维修业起步于20 世纪50年代，随着设计能力、制造技术、工艺、材料、设备等的不断发展迭代，航空维修在理念、维修方法、维修技术、维修深度等方面均发生了较大的变化和进步，从传统“预防为主”的维修思想，发展为“以可靠性为中心”的维修思想[1]。它是建立在综合分析飞机及其部件的状态、性能固有可靠性的基础上，针对不同机体及不同的故障模式，采用相对应的维修方法和工艺的预防性维修，它极大地带动了部件深度修理技术的发展和应用。

本研究提到的航空部件深度修复技术，就是基于上述的维修思想，应用于部附件维修过程中的综合性修理技术。航空部件深度修复技术是针对部件的损伤模式、损伤部位、基体材料、涂层材料、工作环境、装配需求等多维度信息开展的以可靠性为前提的维修工艺技术。它针对部附件的损伤情况及修复或改造需求，用先进的材料和制造技术进行维修、维护或再制造工作，使其至少满足一个翻修周期的使用要求。

据统计，2017年我国从事部件维修的企业超过220 家，其中仅从事部件维修项目的有108 家[2]。原生产厂家（OEM）的修理技术的带入和国内民航维修市场的迅速崛起，对国内航空维修技术特别是部件深度修复技术水平的提高起到了很好的推动作用[3]。

本研究介绍航空部件深度修复的基本思路，并给出深度修复的具体应用，分析目前国内在航空部件深度修复技术方面的应用现状，探讨其技术发展趋势。

1 航空部件深度修复的基本流程与思路

传统的航空部件修理工作是针对部件的损伤、故障采用原制造工艺进行修补，按照设计和制造手册、标准开展，这种方式虽然解决了工程上的使用问题，但对于损伤和故障的成因未开展分析，修理后的产品在后续的使用中会持续出现原来的损伤和故障[4]。

而深度修复技术的主要思路是以满足至少一个翻修周期为前提，开展修理技术研发。将损伤与失效的原因分析、可修复性评估、修复工艺可靠性评估及修复后产品可靠性评估，与维修技术研发流程充分融合，针对设计、制造缺陷采用新技术进行改善，在修复产品基本性能的同时，避免损伤、故障的持续反复出现，满足其安全服役的要求[5]。深度修复技术突破原有制造工艺，根据损伤评估、可靠性分析等结果，选择新材料、新工艺、新技术，增加修理深度，修复原有零部件缺陷，并针对损伤的成因，通过修复技术和方法进行性能改善或防护，避免损伤反复发生对飞机运行产生影响。如伊尔76 飞机30CrMnSiNi2A 高强钢起落架在我国服役后进入大修，关键部位的磨损及腐蚀损伤均已超过设计要求，采用耐腐蚀粉末加入硬质颗粒，做修复可靠性评估与试验模拟后，用3D 打印技术进行了修复。修复后服役一个大修期后，磨损和腐蚀损伤很轻微，新的修复工艺具有明显的改善效果。

在修复中加入可靠性评估，可以判断零件是否具有可修复性和修复可靠性。可修复性包括了技术和成本两部分，评估修复部件的受损情况能否通过修复的手段使其重新满足设计或使用要求。修复可靠性则主要针对零部件的修理质量和寿命等开展评估[6]。

国外对于零部件的损伤和缺陷均采用类似的考核方式选择修理工艺，即根据损伤形式、深度、工况要求等选择焊接、喷涂、强化、热处理等热工艺进行深度修复工作。对于零部件的延寿通常会采用恢复性能热处理或表面强化工艺开展修复。为确保经过修复的部件性能达到或超过新品或满足一个使用周期的要求，对损伤部件开展修复工作前、后都还需要进行组织、力学性能分析，以及可靠性评估和寿命预测等评价工作，使得被修复部件在服役期安全可靠。近年来，国内在该领域也逐渐开展了相关技术的研究与应用。目前通用的深度修复工艺流程如图1 所示。

图1 航空部件深度修复工艺典型流程图Fig.1 Typical flow chart of aeronautical component repair process

深度修复技术的主要应用对象包括服役后的损伤部件、到寿部件和新品超差部件。服役部件包括工作环境、装配、外物、设计等因素导致的损伤待修复零部件。到寿部件包括日历寿命、工作次数/小时、工艺次数、损伤程度等到寿的部件。新品超差部件包括在生产、制造、加工过程中产生的材料组织夹杂、疏松、孔隙以及外部磕碰、划伤等导致的超差的产品部件。损伤模式和原因包括磨损、腐蚀、裂纹、打伤、划伤和烧蚀等。

2 常用深度修复技术的特点和适用性

目前在部件的深度修复方面以焊接、喷涂、强化为主要技术方式，这些技术在国外的修理领域已应用多年，相对比较成熟。在国内的部件修复行业中，传统熔焊和钎焊技术应用普遍，热喷涂、激光熔敷、强化技术近年来发展迅速，热处理恢复性能和热等静压技术在部件修复及其延寿上的应用仍在研究中，尚未进入工程上的成熟应用。国内针对以上技术在拓展修理深度、增加可靠性分析、改善零部件性能并加强损伤防护等方面的研究和应用时间较国外略短，因此深度修理技术在国内仍有待大力发展，具有广泛的应用空间。

2.1 焊接修复

焊接是航空部件最主要的修复技术手段之一。它针对有一定深度的损伤、缺陷以及有强度要求的工况部件进行修复，解决损伤部位尺寸及性能恢复问题。用焊接技术开展深度修复的关键技术包括焊接材料的设计选择、修复后基体组织和焊接缺陷的控制、焊后部件力学性能的调控、焊接变形的控制等[7]。

1）弧焊技术是航空部件的传统修理技术手段，以操作灵活方便、修复成本低、修复可达性好、适用材料广等优点，在飞机、发动机、燃气轮机部件修复中得以普遍使用。但在修复高Al、Ti 含量的镍基铸造高温合金时，易产生焊接裂纹，其较大的热应力也会造成焊接变形。另外，微弧等离子焊的修复效率略低、自动化程度不高，在国内修复领域应用较少。

2）钎焊技术具有母材不熔化的特点，适用于工作温度较高的部件修复，如发动机、燃气轮机的热端部件，但焊接区域的结合强度略弱于其他的焊接技术方法。真空钎焊技术可有效地避免产生结晶裂纹，焊接变形小，残余应力小，适合高Al、Ti 铸造高温合金修复。它可同时修复零件不同位置的多条裂纹，或对多个零部件进行批量修复，效率较高。感应钎焊加热速率快，热作用时间短，对部件基体材料损伤小，可以实现局部加热，对非焊接区的影响小于真空钎焊。由于钎焊技术对于工作环境的限制要求，它不适用于大尺寸零部件的修复。

3）摩擦焊接是在压力作用下摩擦产生热量而形成焊缝。与熔焊相比，金属是在热塑性状态下实现的类锻态固相连接。摩擦焊接的焊缝强度与母材强度相当，其焊接质量稳定、一致性好，并可实现相异材料的焊接。此外，线性摩擦焊技术可处理结构不对称的焊接件，适用于针对非圆形截面的焊接。

4）高能束焊接技术在深度修复上的应用近年来发展迅速，激光焊接（含激光熔敷）和电子束焊接被纳入航空修理再制造范畴。相对于弧焊等传统技术，高能束焊接的功率密度高、能量释放快，极大地提升了焊接效率和精度。激光焊接技术可将热输入降低到需要量，从而减小热影响区和焊接变形，并且不受操作空间限制，焊道深宽比可达10∶1。除铝合金等高反射高导热的材料以外，其他金属类部件均可应用。电子束焊接的总热输入量低、热影响区和焊接变形小，真空环境的焊接质量高，焊接可达性好，焊道最大深宽比为50∶1；但焊接件的尺寸和形状会受到真空室的限制，不利于大尺寸零件的焊接，且更适合补焊规则的焊缝。

2.2 表面工程修复

表面工程修复技术是近年来发展和应用迅速的深度修复方法之一，也被纳入航空修理再制造技术范畴。表面工程技术是以恢复零部件原有尺寸为基础，改善或恢复部件涂层性能的一种深度修复手段。它针对不同基体材料的轻微或浅表层损伤缺陷，以及耐磨、抗腐蚀、耐高温、润滑等功能性要求，选用热喷涂、冷喷涂、强化等技术完成涂层的修复和性能改善。基体材料及修复需求常规选用的修复工艺如表1 所示。

热喷涂包括超音速喷涂、爆炸喷涂、火焰喷涂和等离子喷涂等工艺，目前在生产制造中使用广泛，但在国内航空零部件深度修复中仍处于发展阶段[8]。它通过选用不同的涂层材料，配合不同的喷涂工艺，制备形成耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化、热障功能、电磁屏蔽吸收、导电等功能性涂层，在满足零部件修复的同时，改变涂层性能，拓展了修理深度。它可使用的涂层材料涉及几乎所有的金属合金、陶瓷、金属陶瓷及其他非金属无机材料。

超音速火焰喷涂工作时，零件表面温度为200～250 ℃，对于WC-Co 系硬质合金可有效抑制WC 在喷涂过程中的分解，涂层结合强度高、致密，且耐磨损性能超过等离子喷涂层和电镀硬铬层，针对一般金属、非金属基体均可开展修复工作，对部件的形状、尺寸不受限制，涂层适用广泛。该工艺方法对基体影响小，不会造成基体变形、组织变化。目前，在航空修理中已成功使用超音速火焰喷涂替代了电镀硬铬工艺。

表1 表面工程修复工艺与应用需求Table 1 Surface engineering repair technology and application requirements

爆炸喷涂的涂层粒子飞行速率高、动能大，是热喷涂工艺中涂层结合强度最高、孔隙率最低的一种工艺方法，且零件表面温度低于200 ℃，对基体的热损伤小，不会产生形变和组织变化，涂层厚度容易控制，加工余量小。可喷涂的材料从低熔点铝合金到高熔点的陶瓷均可。爆炸喷涂适用于小尺寸零件及精密零部件的深度修复使用。

冷喷涂技术是在低温状态下实现涂层沉积，涂层粒子速率快且不熔化，基体表面温度不超过150 ℃，对基材的热影响小，接近锻造组织，涂层有明显压应力，涂层致密且有较高的涂层厚度极限，厚度可达数毫米，耐蚀性优于热喷涂[9]。

表面强化技术可有效提高零部件表面的应力腐蚀性能和疲劳断裂结构的安全性，也可提高破坏的容忍性和持久性，延长零部件寿命。传统的表面强化包括喷丸、滚压、挤压工艺，高能束强化包括激光强化、电子束强化、离子束强化等。国内虽多次使用强化工艺，但其仍处于研究和验证过程中，因此针对二次强化和多次强化的工程化应用仍具有局限性。激光强化工艺可以产生深度为1～2 mm 的残余应力层，是常规喷丸强化工艺应力层的4～8 倍，目前已应用于发动机风扇叶片的制造和修理。

2.3 热处理

热处理是修复后性能改善和延寿的主要技术手段之一，用于消除在服役过程中或修复中产生的残余应力，调整、恢复材料的组织状态。恢复性能热处理或热等静压处理针对寿部件，尤其是高温合金的相变化，或微缺陷导致的拉伸、持久性能下降等问题，根据相析出、长大、溶解、扩散等原理，采用变形控制等技术进行组织恢复、缺陷闭合，使由于热作用、机械作用而导致的力学性能衰减得以全部或部分恢复。

航空发动机涡轮叶片、扩压器、燃烧室机匣、涡轮盘等热端部件，多为镍基、钴基高温合金，其在高温下长期工作，合金中的析出相会发生变化，或者出现微缺陷，导致高温拉伸性能、持久性能下降。由于高温合金中析出相具有可逆特性，在不同的温度下有析出和溶解特性，这种特性给延寿提供了可能。即采用以上方法调整到寿部件中的析出相，恢复材料的组织和性能、闭合缺陷，使构件恢复达到服役所需要的性能，延长工作寿命。

3 各修理技术在航空部件上的应用

目前，焊接技术在飞机以及发动机部件深度修理上的成熟应用见图2、图3。

弧焊技术由于其便于操作的特点，更适合应用于较大尺寸零件的原位焊接需求，可修复磨损、腐蚀、裂纹、划伤和新品加工缺陷等损伤模式。

钎焊技术因为在操作上的限制因素，仅针对飞机机身导管、发动机和燃机的压气机叶片、涡轮叶片、封严结构等小尺寸零部件开展了成熟的修复应用，可修复磨损、裂纹、密集裂纹、烧蚀等损伤模式。

图2 焊接技术在飞机关键部件深度修复上的应用分布Fig.2 Application of welding technology in repair of key aircraft parts

图3 焊接技术在发动机关键部件深度修复上的应用分布Fig.3 Application of welding technology in repair of key engine parts

摩擦焊技术其设备成本高，目前在航空部件深度维修中仅在发动机叶片修复上较少应用。

激光焊接技术在不考虑修复成本的前提下，可以实现深度修复中最广泛的应用，它覆盖除Al 合金等高反射高导热的材料以外的全部金属零部件，以及所有焊接技术可修复的全部损伤模式。由于电子束焊接技术的特点和限制，现仅在航空发动机叶片修复中有过成功应用。

表面工程技术目前在飞机以及发动机部件深度修理上的成熟应用见图4、图5。

图4 表面工程技术在发动机部件上修复应用Fig.4 Application of surface engineering technology in repair of key engine parts

图5 表面工程技术在飞机关键部件深度修复上的应用分布Fig.5 Application of surface engineering in repair of key aircraft parts

热喷涂工艺相较于传统电镀技术，其涂层与基体的结合属于物理结合，不能承受交变载荷和冲击载荷。因此它对于零部件的使用工况需要综合分析和评估，一般不能适用于高温环境下的零部件修复，目前在飞机修复上的应用有机身、起落架、平尾、垂尾等轴、活塞杆、各种筒类件等零部件。其可以修复的损伤模式包括磨损和功能性涂层的防护等。

冷喷涂技术在金属、陶瓷、玻璃等材料表面都可以开展修复工作，在制备铝合金、铜合金零部件时冷喷涂工艺的致密性更好[10]。国内航空部件修复领域中对铝合金、镁合金零件的尺寸恢复和耐蚀防护处理已开展了成熟应用[11]。

表面强化技术是扩展修理深度的一种方法，可提高零件疲劳强度，改善原有工艺和设计的不足。目前，在飞机发动机的转动部件、传动部件、连动部件和主承力部件的承力外表面、内壁、孔、螺纹、圆角等应力集中部位都得到了广泛应用。

恢复性能热处理技术或者热等静压技术不能影响构件上其他不可拆卸材料的性能，也不能使构件变形超过装配精度要求，适用于涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、扩散机匣、扩压器等单一材料构件。另外，对于没有寿命要求的部件如导向叶片，对损伤的裂纹进行修复可与恢复性能热处理同时进行，既修复了裂纹又改善了性能。此技术仍处于研究验证阶段，尚未得到成熟的工程应用。

4 深度修复技术未来发展展望

随着飞机的设计、制造技术以及材料、工艺等的不断发展进步，新工艺、新技术，如智能制造、再制造等先进技术陆续进入了航空关键件修复领域[12]。修复技术体系也几乎涵盖了新品制造的全部材料、技术方法，但修复技术不同于新品设计制造技术，修理难度在一定程度上大于新品制造难度，修理与制造的评价准则也不相同。因此维修行业对于深度修复技术及可靠性评价准则的建立和发展需求越来越迫切。

为了确保航空飞机维修保障工作的顺利开展、完成，确保飞机的安全运行和服役，深度修复技术应开展全面、系统的研究，针对零部件的材料、修理工艺、延寿技术、评估评价等几个方面开展的技术研发和验证，建立相应的技术体系和标准，对深度修理的应用起到准则和指导作用。

在深度修复流程和思想中应将可靠性评估作为重要组成部分，重点关注和发展。可靠性评估是根据修复工艺试验过程中获得的各性能、组织、缺陷和残余应力等数据，结合修复部件、模拟件关键性能验证考核结果所进行的综合性安全评估，并预测修复后的使用寿命的综合性评价技术。在深度修复流程中，可靠性评估尤为关键。目前国内深度修理行业正在逐步地认识可靠性评估的重要性和必要性，但与国外相比，无论是重视程度、数据收集、评估评价体系建立等方面均还有较大差距。

深度修复技术应突破现有的制造技术，更多的采用高自动化、智能化的技术工艺，如激光3D 打印技术、电子束熔丝沉积、等离子喷涂、激光强化等技术。用新技术、新工艺尽可能的替代原有制造工艺，由于进入维修期飞机的原有制造工艺和维修手册已落后于现有技术至少10年的发展水平，因此更多的采用新工艺，不但可以改善原有设计、工艺的不足，提高可靠性和服役安全周期，还可以提高修理的效率。但相对于传统工艺，有时会提升修理成本。

深度修复技术还应拓展现有单一工艺开展修理的局面，对深度修复技术、工艺进行组合，开展复合式修理技术研发和应用。由于深度修复要根据零件材料、缺陷类型、工作环境、性能要求等选择工艺方法和材料修复，不同的修复种类和方法，其技术优点各有所异，适应对象也不完全相同。因此没有哪种工艺方法能够适用于所有的缺陷，复合修理工艺可以针对零部件的损伤、工况、性能等多维度要求，选择焊接、喷涂、强化、防腐等跨领域的应用组合，突破原有单一修理工艺的技术和应用局限性，实现甚至超越原有零部件的设计和使用需求。

随着我国航空市场的活跃和拓展以及航空产业各领域技术能力的提升，深度维修技术迎来了高速发展阶段。基于目前国外技术封锁等现状，国内对于航空领域的自主维护保障、制造维修技术的自主创新、突破关键技术封锁的需求也越来越迫切。借助国家大力发展民航飞行事业，以及军民融合的发展政策和趋势，我国航空零部件深度维修市场会更加开放，技术融合和技术创新及新技术应用的机遇和接受度的提升，也将为航空深度维修技术发展提供最佳时机，并最终实现我国深度维修技术和知识的自主保障。