3D打印修复战斗机起落架大梁业务爆发翻4倍，超卓航科拟科创板IPO(3)
时间：2021-07-30 16:28 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
航空器及航空器部件维修与再制造行业概况
航空器及航空器部件维修与再制造包括对飞机及其技术装备进行维护、修理和再制造，是飞机使用的前提和必要条件，是航空业的重要组成部分。
航空器及航空器部件维修与再制造的主要内容如下：
航空器及航空器部件维修与再制造行业中的市场规模占比情况如下：
机体大修及改装主要是对机体结构的维修及再制造。机体结构主要包括机身、机翼、尾翼、起落架等，上述结构件对于承受飞行载荷、地面载荷、增压载荷和操纵载荷具有重要作用。机体结构损伤主要为疲劳裂纹。疲劳裂纹是指机体结构在交变载荷持续作用下所引起的裂纹及其扩展。针对机体结构疲劳裂纹，维修企业需查明机体结构的疲劳裂纹情况，对飞机结构损伤部位进行抗疲劳耐久性修复，以延长飞机的使用寿命。
部件附件维修主要是对机载电子和机械设备等部附件的维修。通常由业主将拆下的部件送到部件维修单位或车间后，经过排故、换件、修理和测试等工作后重新成为可用件并取得适航放行证书，需要时即可装机使用。
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
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。公司主要通过冷喷涂增材制造技术进行航空机体结构损伤修复、加工靶材，通过热喷涂技术制造航空紧固件。
（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。
核心技术具体情况及其先进性表征
（1）低压冷喷涂增材制造技术公司通过自主研发，掌握了冷喷涂技术原理、关键设备设计思路、冷喷涂应用体系，并通过工程实践，开发了以低压冷喷涂增材制造技术为基础的航空零部件损伤再制造技术，实现了冷喷涂增材制造技术在航空器上的工程化应用。冷喷涂增材制造技术主要应用于失效零部件的腐蚀损伤修复再制造，相较于传统的焊接、电镀等修复工艺，具有喷涂体结合强度高、喷涂粒子尺寸可精准控制、修复速度快、对基体的热影响小等优势，可全面恢复零部件的使用性能，延长服役时间。
（2）高强铝合金高压冷喷涂增材制造技术2017 年，针对航空装备承力结构疲劳裂纹的修复参数要求，公司在低压冷喷涂增材制造技术基础上，自主研发了高强铝合金高压冷喷涂增材制造技术。高压冷喷涂通常指喷涂压力在 2-5MPa 范围的冷喷涂增材制造技术，相较于低压冷喷涂增材制造技术，高压冷喷涂增材制造技术集成了粉末预处理系统和高压高纯氦气动力源，突破微米级金属粒子短距离加速技术瓶颈，优化高速射流系统空气动力学特性，实现了高强铝合金高效、高致密沉积，制备的铝合金涂层可逐层堆叠生长，实现大尺寸结构的增材制造，喷涂体材质更致密，涂层强度提升至400MPa 的水平，满足了航空器机体结构疲劳裂纹的修复要求，实现了冷喷涂增材制造技术从零部件腐蚀损伤再制造向结构件疲劳裂纹修复再制造的跨越。
（3）可移动增材制造平台设计及制造技术为满足战机起落架大梁修复需求，公司自主研发了基于冷喷涂的移动增材制造平台，平台以战时移动方舱为模板，集成了高压动力气源、专用冷喷涂增材制造系统、长行程柱坐标进给系统、高精度工业机器人、局部环境控制系统、过程监控系统及随机检测工具等模块，实现了飞机结构件冷喷涂原位维修功能。冷喷涂移动增材制造平台具有以下特点：（1）环境适应能力强，大修厂车间、机库、场站甚至野外均能完成维修任务；（2）机动性高，平台以重型卡车作为移动单元，具备越野能力，切换为运输模式时具有高效的到达能力，满足航空装备应急抢修需求；（3）响应速度块，平台到达现场后，可快速由运输模式切换为作业模式，在半小时内可进入作业状态；（4）作业范围大、精度高，长行程柱坐标进给系统由顶升模块、旋转模块和给进模块组成，配合高精度工业机器人，实现高精度、长行程数控增材打印进给，可在 7 米半径 5 米高度范围内精准作业，位置重复精度可达 0.5mm；（5）增材速度快，作业模式下，增材制造速度可达到 100 cm3/h；（6）实验室级修复水平，通过模块化设计，充分利用维修方舱空间，通过小型化设计，集成高压动力气源、专用冷喷涂增材制造系统、长行程柱坐标进给系统、高精度工业机器人、局部环境控制系统、过程控制及监视系统、随机检测工具等模块，具备场站、机库、基地甚至野外简易条件下独立开展维修作业的能力，达到实验室级修复水平；（7）稳定性好，长行程柱坐标给进系统的机械结构加入了液压减震系统，并对结构件刚性与喷涂设备自重进行了匹配，能够有效消除喷涂过程中喷枪高频往复动作时的设备振动，保证喷涂稳定性；（8）喷涂能力强，飞机结构件维修部位一般在飞机内部，原位维修作业空间复杂，需在密布管路的狭小油箱附近喷涂，移动增材制造平台上的喷涂设备配备了自制短距离喷枪，对恒压差高速射流系统进一步优化，使其更加灵巧稳定，满足飞机机翼内腔复杂结构高精度增材补强修复需求，配合自主研发的短距离粉末加速技术，可满足飞机机翼内腔复杂结构高精度增材再制造；（9）无污染作业，局部环境控制系统配有自主研发的粉尘散逸回收技术，对喷涂过程金属粉尘散逸进行负压控制回收，在喷涂作业时回收飞机内部和外部散逸粉尘，避免金属粉尘对机载精密电子、液压传动设备等造成污染，从而具备飞机整机结构损伤原位增材修复能力。该设备的研制投产为航空结构件原位维修及战时抢修设备的技术革新打下了坚实的基础。
（4）高性能涂层界面污染控制技术冷喷涂增材制造技术应用于航空机体结构再制造时，增材体与基体之间的界面结合强度是保证产品可靠性的关键。公司针对界面强度需求，研究基体界面喷砂活化质量多参数表征体系，研发取得高性能涂层界面污染控制技术。在喷涂过程中，通过喷涂过程参数设置、原料质量控制、增加表面二次清理等工艺手段，对喷涂前处理工序进行精细化控制，实现对基体表面粗糙度、表面污染夹杂全面控制。公司成功将增材体与基材的界面结合强度提升到 100MPa 级别，确保了结构件疲劳损伤修复的安全裕度，实现了我国多型号战斗机起落架大梁裂纹的再制造。
（5）疲劳损伤自动化修复技术航空机体结构的传统维修主要为半自动化或人工手动控制，维修人员的经验、技术能力对维修结果存在较大影响。公司自主研发疲劳损伤自动化修复技术，根据疲劳裂纹的裂纹长度，对每种长度的疲劳裂纹进行大量再制造试验、检测，从而确定每种长度疲劳裂纹的喷涂参数、喷涂体形状以及喷涂体厚度等，并依托计算机辅助技术，对上述数据进行记录、储存。航空机体结构疲劳裂纹再制造过程中，公司移动增材制造平台依托疲劳损伤自动化修复技术，根据裂纹长度自动确定喷涂参数，进行疲劳裂纹再制造。该技术实现了不同疲劳裂纹的自动化修复，消除了因维修人员的经验、技术能力差异造成的影响，提升了再制造的一致性、稳定性以及精准度。疲劳损伤自动化修复技术，提升了修理质量稳定性，有效消除增材体疲劳源区缺陷。此外，公司疲劳损伤自动化修复技术可实现精确控制，避免过度喷涂，进一步提升了再制造效率。
（6）超硬超韧碳化钨涂层技术为满足航空零部件对耐磨性、耐腐蚀性的性能要求，公司自主研发了超韧超硬碳化钨涂层技术。超韧超硬碳化钨涂层技术是基于超音速空气火焰喷涂技术（HVAF）制备高致密碳化钨的涂层工艺，在耐磨性、耐腐蚀性方面均显著超过传统电镀硬铬涂层。相较于超音速氧气火焰喷涂（HVOF），公司使用压缩空气代替氧气做助燃气体，喷枪采用气冷方式，大幅度降低成本，喷涂温度控制在较低范围，公司制备的碳化钨涂层致密度更高，可以在同等耐腐蚀、耐磨性要求的前提下，将涂层厚度减小到传统技术的 1/10。目前，公司超硬超韧碳化钨涂层技术已成功应用于高温高压卡箍等产品。
（7）基于冷喷涂成形的粉末冶金技术针对传统热压粉末冶金制品存在较多孔隙、内氧化、夹杂等组织性能缺陷，公司研发了基于冷喷涂成形的粉末冶金技术，实现了粉末无模具低温成形。粉末颗粒通过冷喷涂增材制造技术，高速逐层塑性物理沉积，减少粉末间孔隙产生概率，获得了致密金属组织。由于成形温度低，粉末在成形全过程不易与空气中氧化性杂质发生氧化反应，制件内氧化及有害物得到有效控制，具有更好的细微粒度和更高的材料密度，制件性能水平显著优于传统粉末冶金。目前，基于冷喷涂成形的粉末冶金技术已应用于溅射沉积用旋转靶材生产。
（8）气动涡轮动平衡与调试技术涡轮冷却器作为空调系统的重要组成部分，通过叶轮等部件的高速转动，将气体压入涡轮内部，实现对引自飞机发动机的高温压缩空气降温，进而为客舱、驾驶舱提供冷却空气的功能。叶轮与涡轮内腔的间隙是决定涡轮运行效率与寿命长短的重要因素，间隙过大，压缩功率不足，影响降温效率；间隙过小，叶轮等部件将与涡轮内腔发生摩擦、碰撞，造成叶轮损坏、涡轮卡滞，减少涡轮使用寿命。涡轮叶轮的平衡调试是高速转动部件与内腔间隙控制的关键技术难点。公司通过大量实验、调试、验证平衡程序的各项参数指标，优化程序，调整涡轮内腔刚性转子质量分配，以实现对叶轮等高速转动部件的残余不平衡量的精准控制，达到其与涡轮内腔间隙的最佳状态，并通过涡轮测试系统验证涡轮各项功能指标，实现涡轮在 40,000~80,000rpm 的高转速条件下长时间、高效率运转，满足了产品的延寿要求。
（9）液压机载设备精密装配技术航空发动机液压机载设备结构复杂，具有精密耦合件多、附件尺寸小，精密度高等特点。公司经过多年摸索积累，设计研发出一系列专用工装夹具，通过对专用工装夹具的针对性调试、优化、取得了多项相关专利。通过对专用工装夹具的运用，公司实现了对液压机载设备的尺寸精度、形位公差、配合间隙等参数的精准控制，进而达到液压泵、液压控制器、活门等附件的精密装配。凭借液压机载设备精密装配技术，公司液压机载设备维修过程中，避免了因维修人员手工操作不稳定，导致液压机载设备维修一致性不足的缺陷，提升了装配精度与稳定性，增强了密封组件可靠性，满足了液压附件流量、压力压差、增益、反馈、渗漏等各项性能指标要求，保障了液压机载设备的安全稳定运行。
(责任编辑：admin)
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