【飞机受损件激光喷丸修复研究现状的文献综述2900字】

飞机受损件激光喷丸修复研究现状的文献综述飞机结构零件在使用过程中将经历一种典型的“地面腐蚀+空中疲劳”[11]的交替过程，在疲劳载荷和腐蚀环境等因素的作用下，飞机结构零件将会产生疲劳、腐蚀等损伤，这是一个随着服役时间增加而不断发展和累积的损伤过程[12-14]，因此老龄飞机中的腐蚀损伤问题尤为常见，如图1-1所示[15]。腐蚀损伤发生后若不及时进行修复，则会造成经济损失甚至威胁飞机安全。目前飞机受损件的修复主要采用三种方案。第一种方案是直接更换零件，常用于结构件损伤严重到无法维修的情况；这种方案虽然简单直接，但是费用高耗时久。第二种方案为采用增材制造修补受损件缺失的材料并对增补的材料进行表面强化处理；这种方案主要用于损伤材料较多的情况。第三种方案为是去除腐蚀部分后采用表面强化技术对打磨区域进行强化，从而使零件的强度达到要求；这种方案主要用于初期腐蚀或轻微腐蚀的情况。上述三种飞机受损件修复方案中，直接更换零件不涉及研究问题，而增材制造+表面强化方案与除腐+表面强化方案均涉及表面强化技术。此外，采用增材制造+表面强化方案的情况通常是结构件已经受到较严重的腐蚀损伤，这种情况在频繁检查的情况下较少发生。而飞机维修讲究“早发现、早处理”，大量损伤在初期可被发现，因此除腐+表面强化方案更为常用且起到阻止损伤进一步扩展的重要作用。图1-1飞机结构腐蚀案例Fig.1-1Corrosioncasesofaircraftstructure在飞机服役期间，飞机结构件的检修往往需要面对一些早期的腐蚀或者擦伤。根据波音飞机机构维修手册51章[16]，腐蚀损伤分为轻度腐蚀、中度腐蚀和严重腐蚀三种。轻度腐蚀是指最大腐蚀深度约为0.001英寸（0.0254mm）的腐蚀损伤，通常使用手工打磨或温和的化学处理来除腐。中度腐蚀是指点蚀的深度可以达到0.010英寸（0.254mm）的腐蚀损伤，通常通过剧烈的手动打磨或使用机械打磨设备除腐。严重腐蚀是指点蚀深度超过0.010英寸（0.254mm）的腐蚀损伤，可通过机械打磨或研磨除腐。飞机受损件除腐后强度下降，可采用激光喷丸进行表面强化以确保修复件再次投入使用时的疲劳寿命。激光喷丸（Lasershockpeening[17,18]）又称激光冲击强化，其示意图如图1-2所示，是利用高功率密度(109W/cm2量级)、短脉冲(10-9s量级)的激光穿过透明约束层（水、玻璃、树脂等）作用于覆盖在金属零件表面能量吸收层上（黑漆、黑胶、铝箔等），被激光辐照的吸收层吸收能量而汽化，汽化后的蒸汽进一步吸收激光能量并形成等离子体而爆炸；爆炸冲击波在约束层的限制下形成应力波向金属靶材内部传播。应力波数值超过金属靶材的动态屈服极限，引起金属靶材塑性变形[19]。冲击区域材料通过与周围材料的相互作用，在冲击区域表面形成残余压应力并在材料内部形成与之平衡的残余拉应力[20,21]。作为一种创新性的表面处理技术，激光喷丸已被大量用于引入残余压应力[22]和提高金属材料疲劳寿命[23]。此外，激光喷丸具有比常规机械喷丸更好的强化效果，在航天航空领域具有广阔应用前景[24-26]。图1-2激光喷丸过程示意图Fig.1-2Schematicdiagramoflasershockpeeningprocess激光喷丸技术作为一种新型的表面处理技术具有非接触、无热影响区和强化效果显著等优势，已被大量应用于无受损件的成形及强化，并且逐渐有少量研究者开展了激光喷丸修复飞机受损件的相关研究。英国克兰菲尔德大学的Smyth等[27,28]利用激光喷丸对铝板进行疲劳寿命恢复研究。通过金刚石刀具将深度为50μm和150μm的划痕引入2㎜厚的2024-T351铝合金板材试样当中。结果表明，引入划痕后，试样疲劳寿命大幅下降（无划痕试样的疲劳寿命为带划痕试样疲劳寿命的22倍）；通过激光喷丸处理后，带划痕试样恢复了74%的原始疲劳寿命；这项研究表明，轻微损伤对零件疲劳寿命的影响是巨大的，如不进行修复，则将引起疲劳寿命大幅下降的问题。另一方面，这项研究证实了激光喷丸技术在飞机受损件修复轻微损伤方面的实际可行性。该项研究指出，在疲劳试验中，带划痕未激光喷丸试样在划痕处断裂，而带划痕激光喷丸试样的断裂位置位于试样背面。带划痕激光喷丸试样由于只进行了单面激光喷丸，因此背面呈现数值较小的残余拉应力状态，容易成为疲劳危险点。这说明，在实际修复过程中，应考虑对试样进行残余应力调控（该研究仅是简单地进行了激光喷丸处理证实了激光喷丸技术的有效性），使试样正面和背面疲劳寿命趋于一致，即通过残余应力调控实现试样正面背面乃至所有位置的等疲劳强度设计。北京工业大学的Liu等[29]采用激光喷丸技术对多晶铜膜进行疲劳损伤修复。结果表明，激光喷丸导致的加工硬化有利于修复带损伤的铜膜试样。但该研究的对象为25μm厚的铜膜，与实际修复中的零件尺寸差距较大。俄罗斯科学院的Sakhvadze等[30]对受损Ti-6Al-4V合金发动机叶片进行激光喷丸处理并研究其裂纹扩展规律。结果表明材料疲劳特性的提高与显微硬度的提高以及残余压应力的产生相关，高压缩应力可以阻碍材料表层裂纹的萌生和扩展。法国空中客车公司的Furfari等[31]和印度英迪拉甘地原子研究中心的Sundar等[32]概述了激光喷丸在航天航空工业维修方面的潜在价值。近年来，国内喷丸技术在飞机维修领域的认可度和应用逐渐增加。华南理工大学盛湘飞[33]采用机械喷丸强化技术对7075铝合金飞机受损件的修复工艺进行了研究，并对受损件打磨得到的几何表面进行分类。上海飞机设计研究院范耀宇[34]对民用飞机零件再制造进行了综述，指出了激光喷丸在民用飞机维修中的作用，提出了民用飞机结构再制造工程总体框架，如图1-3所示。该框架将激光喷丸技术列入再制造工艺当中，说明激光喷丸技术目前已具备应用于飞机受损件修复的前景；此外，框架给出民用飞机结构再制造工程的考虑事项，如修复前的评估、修复时的工艺选择、设定修复指标等，可为民用飞机结构件修复的研究提供借鉴。华南理工大学吴江等[35]对飞机受损件在线激光喷丸进行了研究，设计出适用于在线修复的激光喷丸约束层和吸收层，如图1-4所示。华南理工大学帅高鹏等[36]对飞机受损件激光喷丸残余应力进行研究，得到了单点激光喷丸参数对残余应力的影响规律。华南理工大学这两项研究为民用飞机受损件在线激光喷丸修复奠定了基础。山东理工大学李丹阳等[37]综述了镍基高温合金修复强化技术，支持激光喷丸可用于镍基高温合金的修复。对于现存的飞机机构件修复方法，增材制造+表面强化修复受损件应对的是结构件损坏的情况，对于在线修复不友好，零件需拆卸后进行增材制造。增材制造后受损件尺寸恢复到出产指标，随后进行表面强化处理。此时的表面强化处理与无受损件出厂前进行表面强化处理作用类似。此时的表面强化处理类似与辅助作用，而非依靠表面强化处理去修复受损件的疲劳寿命。因此在这种修复手段中，表面处理的设计较为简单，主要依靠增材制造部分进行修复。因此不在本文研究范围内。图1-3民用飞机维修工程框架图Fig.1-3Civilaircraftmaintenanceengineeringframework图1-4在线激光喷丸修复的约束层和吸收层Fig.1-4Constraintlayerandabsorptionlayerofonlinelasershockpeening表面强化修复受损件方法应对的是结构件损伤的情况。其对在线修复的适用性已在文献[36]和[37]进行过论证。采用该方法对受损件进行修复时，主要是靠表面强化技术引入残余应力以及强化层的作用，抑制裂纹萌