激光增材再制造在飞机维修中的应用

陈彩云

摘要：飞机在服役的过程中，为了保证飞机的飞行可靠性，确保飞机的飞行安全，需要对飞机进行日常的维护和修理，飞机维修也是我国航空业不可或缺的部分。激光增材再制造技術为飞机设备维修提供了新的可能，作为一种新的工艺技术，可有效地应对飞机维修过程中所需的新材料和新结构等。

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.

关键词：激光增材再制造技术;飞机维修;应用

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

中图分类号：V267+.41                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0046-02

0  引言

飞机在生产过程中，零件制造工艺和构件等的装配工艺较为复杂，成本很高，尤其是新型的战斗机，采用新技术，新工艺加工成型，这些飞机在服役的过程中，一些关键零部件（机翼机身蒙皮、起落架、发动机等）很大程度上在气动力或者外力冲击产生磨损或者疲劳损伤，在高温高湿环境下产生化学腐蚀，事故或者战伤等原因也会引起失效，从而影响飞机的飞行安全以及作战能力。如果将损伤损坏的零部件直接进行更换，或者直接报废飞机，将会造成不可估量的损失，故为了节约成本，对飞机损伤损坏零部件进行修理。而激光增材再制造作为比较先进的再加工再制造零件的修复方法，如图1所示。该修复技术由于热源的能量相对集中，可在对零件本身材料和力学性能影响较小的情况下，完成对零件的几何结构形状及基本力学性能的完全恢复，采用该技术对飞机损伤损坏零构建进行再制造修复，是飞机维修行业发展的趋势。

1  激光增材再制造技术的原理

激光增材制造技术是一种快速成型的技术，又称为3D打印技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[1]。通过此技术制造模型，被用在模具制造、工业设计等领域，后来，通过这种技术，直接打印出所需零部件，按照要求装配成成品。增材制造技术利用一台专用设备，快速精密地制造出任意复杂形状的零件，不需要传统的刀具和夹具以及复杂的加工工序，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期，而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著[2]。激光增材再制造技术原理与激光3D打印技术相近，但又有其自身的特点。

典型的激光增材再制造流程如图2所示。

首先，将待修理的零构件拆解下来，并对其进行表面清洗。接着按照零构建的功能、损伤的类型及损伤的尺寸进行分类。然后对待修理的零构件进行无损检测或者使用寿命和质量评估。若有修理的价值，则对其进行再制造修复。接着按照零构件本身的性能特点进行相应的热处理，然后对零部件后加工成型，恢复原零件的形状。最后对其进行性能检测，判定修理后的零构件合格与否。

2  飞机维修的发展及趋势

2.1 飞机维修的发展

由于战争的刺激、人类交通的需要，使航空技术不断取得突飞猛进的发展，它们带来的高速、大型、低成本飞机进一步扩大了人类对航空运输的需求，同时也推动着航空维修业的发展。

在20世纪80年代以前，我国的航空维修单位以军队各航空单位为主，没有独立的航空维修厂。到1985年后，我国开始引进先进的飞机，但是没有先进的维修能力。所以，很长一段时间，我国引进的新型飞机几乎都在国外基地完成深层次、高难度修理。后来，随着我国航空设备维修市场的逐渐发展，维修业逐渐好转。

2.2 飞机维修的趋势

目前，与国外的维修水平相比，我国维修行业的飞机零部件维修水平相对来说较为落后，深层次、高难度的零部件无法有效地修理。在一些精度要求比较高的飞机维修中，国内能够维修的飞机零部件比例较低。国内相关单位重复建设低层次的维修能力，集中建设飞机机体易维修的部位，像发动机等关键零部件的维修能力不足，因此国内目前的维修能力不足以满足维修的需求。

飞机维修的能力将很大程度上影响中国飞机的飞行安全和飞机制造成本，在航空产业链中意义非凡。目前国内飞机制造生产技术快速发展，我国飞机维修业需要快速提高关键零部件的维修水平，降低其维修成本，是当前急需解决的关键性问题。

激光增材再制造技术在飞机维修行业的应用解决了飞机零部件修复问题，推动航空维修不断提高自身的发展质量，为世界的飞机的飞行安全，创造了条件。未来的战争必然是信息化的，不论战场处在何地，只要出现需要替换的出故障或被损毁的零部件，军方都可以利用3D打印技术来生产前线需要的零部件，然后由专业人员进行组装，直接送往战场就可投入战斗，仿佛就是航空装备的快速“重生”，这种方法快速且高效[3]。虽然这种技术目前还没能完全投人战场使用，但是能够预测到的是，3D打印技术必然掀起一场制造业的新革命，将彻底改变以往的航空装备维修方式[3]。

3  激光增材再制造技术面临的挑战

虽然目前激光增材再制造已经逐渐应用在各个行业，但仍有很多亟待解决的问题。

残余应力是利用激光增材再制造技术进行飞机修理的第一大问题。在增材制造的过程中，材料温度控制不精准等原因，会导致零件增材部分的应力应变之间的关系，与飞机原构件存在明显差异。而这个残余应力会影响飞机修理后零件的机械性能、耐腐蚀性能和疲劳强度，从而影响飞机的飞行安全。

类比焊接工艺如图4，激光增材再制造技术热影响区如图3，激光增材再制造技术还可能会存在热影响区出的材料本身的性能发生改变，甚至变差。激光增材再制造过程，是长期循环加热的过程，加热的过程中会使材料微观组织发生改变，从而导致材料的机械性能发生改变。激光增材再制造生产制造常见的材料有镍合金、钛合金、高强度钢等，材料经过热处理后，状态不同（有铸态、锻造、时效、轧制、渗碳渗氮等），其性能将会千差万别，因此，热循环过程中材料所受的影响，需要根据具体材料，进行有针对性的探索研究。

飞机修理过程中，再制造材料与原构件之间的临界面的基体材料存在差异性，从而导致界面结合处的材料性能较差。修理后的结构，不能满足原构件的强度和刚度，修理后的飞机存在安全隐患。

4  激光增材再制造技术在飞机维修方面优势

在我国，在大型金属零部件上，已经实现了运用激光增材制造技术来满足零部件的成型要求，激光增材制造主要可以使用金属材料有钛合金、镍基高温合金、高强度钢等，这些金属材料不宜加工成型，加工成本高，所以激光增材再制造技术在工业生产上可以广泛应用。而且钛合金、镍基高温合金、高强度钢等是航空零部件常用的材料，到目前为止，激光增材再制造技术已经广泛应用在航空发动机、部队保障工作等领域。而激光增材再制造技术同样可以在飞机维修领域发挥至关重要作用。

激光增材再制造技术在飞机维修方面有以下优势：①航空材料储备问题。激光增材再制造技术，只需要零部件的三维模型储存在电脑上，当有再制造的需求时，直接调用三维模型，根据材料的参数等，打印出需要的零部件即可。随着激光增材再制造技术的发展，飞机维修所需的零部件，不再需要提前储备，从而解决了库存堆积，或者库存不足的问题，减少零件寿命的损耗成本和库房的管理成本。②减少材料浪费、缩短加工周期。在飞机维修的过程中，其中因为疲劳失效，或者其他损伤而需要修理的零部件，可以采用激光增材再制造技术，在原来零部件的基础上，恢复到原来的结构尺寸，以恢复原零部件的功能。在此过程中，需要使用的材料有限，而且生产的周期也短，则修理过程中所产生的经济效益和社会效益更加显著。可以实现无焊接、铆接等组装工艺，减少螺栓连接件，较传统的切削加工技术[4]。激光增材再制造将需要维修的零部件的设计方案通过三维数模，进行快速加工成型，从而生产出需求的零部件，这期间，减少了加工周期。

5  结束语

技术创新是我国飞机维修行业可持续发展的基础。虽然激光增材再制造技术仍然存在很多继续克服的问题，但激光增材再制造技术对飞机维修技术的提高起到了关键作用，打破了国内低层次维修能力的现状，推动飞机维修降低成本，提高飞机设备维修后的质量。

參考文献：

[1]曾杨帆，梁振华，黄海亮.浅谈3D打印技术在多功能电视机研制方面的应用[J].科技创业月刊，2014，27（11）：180-181.

[2]李涤尘，田小永，王永信，卢秉恒.增材制造技术的发展[J]. 电加工与模具，2012（S1）：20-22.

[3]莫伟东.3D打印技术及其在航空装备维修中的应用[J].产业与科技论坛，2017（24）.

[4]姜舟，任斌斌.3D打印技术在航空维修中的应用研究[J]. 中国设备工程，2017，09（下）：42-43.