增材制造技术在航空器及航空器部件维修再制造中的应用情况
思瀚产业研究院 超卓航空    2024-03-04

随着航空等领域的快速发展，航空器构造也逐步向高性能、复杂结构方向迈进，对配套的机载设备、机体结构维修再制造技术提出了更高要求。

多年来，机体结构、机载设备的损伤维修主要通过焊接、铆接加强块、复合材料胶接等传统技术来完成，由于该类技术对飞机复杂机体结构的可达性差，修复铝镁合金等易氧化、低熔点的材料时，极易产生焊接裂纹，其较大的热应力也会对基体造成变形和热损伤，修复后的抗疲劳性能、结合强度也不能满足关键主承力结构的载荷要求。

因此，传统维修技术无法满足战机核心结构件的维修需求。与传统维修技术相比，被修复的结构件在冷喷涂增材制造过程中全程处于低温状态，无氧化烧损、无打孔破坏，避免了焊接高温等方式对基体材料的热损伤、铆接加强块、打止裂孔等方式对基体造成的附加损伤，比复合材料胶接等方式具有更强的涂层强度。

冷喷涂增材制造技术在修复过程中不产生火花、高温，可适应多种修复场景。增材制造技术主要包括冷喷涂成形、热喷涂成形、高能束流（激光束与电子束）增材制造、气相沉积等技术路线。

（1）冷喷涂增材制造技术

冷喷涂增材制造技术以高速气体作为加速介质，将喷涂粉末经送粉气体送入喷枪，经特殊设计的喷嘴加速后，形成气、固两相超音速射流，喷向基体表面，射流中金属粒子在固态下碰撞基体，动能在撞击瞬间转化为颗粒高速应变的内能，产生剧烈塑性变形，与界面上基体粗糙表面进行耦合作用，形成机械咬合、物理结合和冶金结合，最终形成沉积涂层。

冷喷涂技术在航空机体复杂结构件中的修复中具有领先的技术优势和广泛的应用前景，主要基于以下显著技术特点：

1）安全无损修复：冷喷涂增材制造技术通过低温固态沉积方式对起落架大梁疲劳裂纹进行修复，无需进行钻孔、铆接，不会对起落架大梁造成热损伤或二次破坏，也不存在高温环境导致油箱爆炸的隐患，实现安全无损修复；

2）原位修复能力：冷喷涂增材制造技术实现了铝合金涂层的逐层堆叠，在疲劳裂纹处原位生长出合金体，可在不拆卸主结构件的情况下，以原位修复的方式对起落架大梁疲劳裂纹完成修复；

3）涂层强度提升：冷喷涂增材制造技术可在裂纹部位原位制造出高致密性和原金属材料力学性能相适配的合金体，分担裂纹部位载荷、消除疲劳裂纹尖端张开应力，阻断裂纹扩展，实现机体结构强度恢复和可靠性、寿命的提升。

近年来，冷喷涂增材制造技术在欧美等发达国家已得到专业化运用。美国科珀斯克里斯蒂市陆军基地使用冷喷涂增材制造技术修复了 UH-60“黑鹰”、AH-64“阿帕奇”及西科斯基 H-53 等军用飞机，使用冷喷涂增材制造技术对铝铸件及检修面板进行维修，延长了美国空军 F-18 战斗机和 B1-B 轰炸机等飞机的使用寿命。

欧洲运用冷喷涂工艺进行狂风战斗机的修复，欧洲航天局也资助爱尔兰都柏林三一学院进行冷喷涂应用于金属零部件的增材制造研究；澳大利亚 ASC 造船厂亦计划与国防材料研究中心以及联邦科学与工业研究组织合作采用冷喷涂增材制造技术维修“柯林斯”级潜艇。

（2）热喷涂技术

热喷涂技术是使基体或零件表面强化和防护的一门技术，它是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，使之在热源或外加的高速气流的作用下雾化，形成熔滴，并以一定速度喷射到预处理过的基体表面，形成具有一定结合强度涂层的工艺方法。

目前，热喷涂技术已广泛应用于航空航天、机械制造、石油化工等领域，作为可显著提升零部件表面性能的有效技术，具有较高的经济效益。热喷涂技术的需求及应用端呈现快速扩展态势，为其市场规模的持续增长提供了坚实的基础。