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隨著航空等領域的快速發(fā)展,航空器構造也逐步向高性能、復雜結(jié)構方向邁進,對配套的機載設備、機體結(jié)構維修再制造技術提出了更高要求。
多年來,機體結(jié)構、機載設備的損傷維修主要通過焊接、鉚接加強塊、復合材料膠接等傳統(tǒng)技術來完成,由于該類技術對飛機復雜機體結(jié)構的可達性差,修復鋁鎂合金等易氧化、低熔點的材料時,極易產(chǎn)生焊接裂紋,其較大的熱應力也會對基體造成變形和熱損傷,修復后的抗疲勞性能、結(jié)合強度也不能滿足關鍵主承力結(jié)構的載荷要求。
因此,傳統(tǒng)維修技術無法滿足戰(zhàn)機核心結(jié)構件的維修需求。與傳統(tǒng)維修技術相比,被修復的結(jié)構件在冷噴涂增材制造過程中全程處于低溫狀態(tài),無氧化燒損、無打孔破壞,避免了焊接高溫等方式對基體材料的熱損傷、鉚接加強塊、打止裂孔等方式對基體造成的附加損傷,比復合材料膠接等方式具有更強的涂層強度。
冷噴涂增材制造技術在修復過程中不產(chǎn)生火花、高溫,可適應多種修復場景。增材制造技術主要包括冷噴涂成形、熱噴涂成形、高能束流(激光束與電子束)增材制造、氣相沉積等技術路線。
(1)冷噴涂增材制造技術
冷噴涂增材制造技術以高速氣體作為加速介質(zhì),將噴涂粉末經(jīng)送粉氣體送入噴槍,經(jīng)特殊設計的噴嘴加速后,形成氣、固兩相超音速射流,噴向基體表面,射流中金屬粒子在固態(tài)下碰撞基體,動能在撞擊瞬間轉(zhuǎn)化為顆粒高速應變的內(nèi)能,產(chǎn)生劇烈塑性變形,與界面上基體粗糙表面進行耦合作用,形成機械咬合、物理結(jié)合和冶金結(jié)合,最終形成沉積涂層。
冷噴涂技術在航空機體復雜結(jié)構件中的修復中具有領先的技術優(yōu)勢和廣泛的應用前景,主要基于以下顯著技術特點:
1)安全無損修復:冷噴涂增材制造技術通過低溫固態(tài)沉積方式對起落架大梁疲勞裂紋進行修復,無需進行鉆孔、鉚接,不會對起落架大梁造成熱損傷或二次破壞,也不存在高溫環(huán)境導致油箱爆炸的隱患,實現(xiàn)安全無損修復;
2)原位修復能力:冷噴涂增材制造技術實現(xiàn)了鋁合金涂層的逐層堆疊,在疲勞裂紋處原位生長出合金體,可在不拆卸主結(jié)構件的情況下,以原位修復的方式對起落架大梁疲勞裂紋完成修復;
3)涂層強度提升:冷噴涂增材制造技術可在裂紋部位原位制造出高致密性和原金屬材料力學性能相適配的合金體,分擔裂紋部位載荷、消除疲勞裂紋尖端張開應力,阻斷裂紋擴展,實現(xiàn)機體結(jié)構強度恢復和可靠性、壽命的提升。
近年來,冷噴涂增材制造技術在歐美等發(fā)達國家已得到專業(yè)化運用。美國科珀斯克里斯蒂市陸軍基地使用冷噴涂增材制造技術修復了 UH-60“黑鷹”、AH-64“阿帕奇”及西科斯基 H-53 等軍用飛機,使用冷噴涂增材制造技術對鋁鑄件及檢修面板進行維修,延長了美國空軍 F-18 戰(zhàn)斗機和 B1-B 轟炸機等飛機的使用壽命。
歐洲運用冷噴涂工藝進行狂風戰(zhàn)斗機的修復,歐洲航天局也資助愛爾蘭都柏林三一學院進行冷噴涂應用于金屬零部件的增材制造研究;澳大利亞 ASC 造船廠亦計劃與國防材料研究中心以及聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織合作采用冷噴涂增材制造技術維修“柯林斯”級潛艇。
(2)熱噴涂技術
熱噴涂技術是使基體或零件表面強化和防護的一門技術,它是利用熱源將噴涂材料加熱熔化或軟化,使之在熱源或外加的高速氣流的作用下霧化,形成熔滴,并以一定速度噴射到預處理過的基體表面,形成具有一定結(jié)合強度涂層的工藝方法。
目前,熱噴涂技術已廣泛應用于航空航天、機械制造、石油化工等領域,作為可顯著提升零部件表面性能的有效技術,具有較高的經(jīng)濟效益。熱噴涂技術的需求及應用端呈現(xiàn)快速擴展態(tài)勢,為其市場規(guī)模的持續(xù)增長提供了堅實的基礎。