航空器損傷金屬微滴噴射3D打印原位快速修復(fù)方法與流程

本發(fā)明涉及一種航空器損傷修復(fù)方法，特別涉及一種航空器損傷金屬微滴噴射3D打印原位快速修復(fù)方法。

背景技術(shù)：

航空器是指通過機(jī)身與空氣的相對運(yùn)動(dòng)(不是由空氣對地面產(chǎn)生的反作用)而獲得空氣動(dòng)力升空飛行的任何機(jī)器，主要包括飛艇、飛機(jī)、滑翔機(jī)、旋翼機(jī)、直升機(jī)、撲翼機(jī)、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)等。航空器的應(yīng)用非常廣泛，在軍事上，可用于武器、反潛、運(yùn)輸兵員；在民用上，可用于貨運(yùn)、客運(yùn)、農(nóng)業(yè)、氣象、空中探測等。而航空器在長期服役過程中，其結(jié)構(gòu)件通常會(huì)發(fā)生腐蝕、磨損等不同形式的損傷,尤其是在沿海地區(qū)和海島地區(qū)高鹽、高濕環(huán)境下，航空器極易出現(xiàn)鹽蝕、疲勞裂紋、摩擦磨損等常規(guī)損傷以及撞傷、破孔等非常規(guī)損傷，當(dāng)此類情況發(fā)生時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)把航空器恢復(fù)到可執(zhí)行任務(wù)的最佳狀態(tài)，可以確保任務(wù)執(zhí)行的安全性和可靠性，因此對航空器結(jié)構(gòu)件快速修復(fù)技術(shù)的基本要求是快速高效并適合在外場條件下使用。

基于增材制造的再制造技術(shù)，如激光熔覆，可通過按需定域添加修復(fù)材料實(shí)現(xiàn)損傷處的直接修復(fù)，相比常規(guī)的受損區(qū)域整體切割再以膠接、鉚接等工藝輔助的“減強(qiáng)度”處理方式，具有修復(fù)強(qiáng)度高、柔性高等優(yōu)勢，是一種理想的零部件損傷快速修復(fù)方法。

文獻(xiàn)“Blown powder deposition of 4047aluminum on 2024aluminum substrates.Manufacturing Letters 7(2016):11-14.”公開了一種基于激光增材制造技術(shù)的2024鋁合金受損件修復(fù)方法，該方法使用對激光吸收率較高的特制4047鋁合金粉末作為修復(fù)原材料，首先通過專用送粉機(jī)構(gòu)將4047鋁合金粉末輸送至待修復(fù)區(qū)域的2024鋁合金基體表面并鋪覆均勻，再通過激光燒結(jié)可以在基體表面形成一個(gè)熔池，然后不斷重復(fù)鋪粉與激光燒結(jié)的步驟，可以實(shí)現(xiàn)修復(fù)材料與基體材料間的重熔冶金結(jié)合。然而，目前基于激光增材制造技術(shù)的修復(fù)方法均需要高功率激光器和大型高能源設(shè)備的支持，占用空間較大，對外場應(yīng)用環(huán)境的要求較為苛刻；另一方面，該方法需要以特制的金屬粉末作為修復(fù)原材料，故對補(bǔ)給的依靠較大，尤其是針對航空器中常用的鋁合金材料，其對激光反射率較高，且化學(xué)性質(zhì)活潑，在使用激光增材制造對其進(jìn)行修復(fù)時(shí)較困難，所以基于激光增材制造技術(shù)的修復(fù)方法在航空器外場快速修復(fù)的應(yīng)用中具有諸多局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有航空器損傷修復(fù)方法實(shí)用性差的不足，本發(fā)明提供一種航空器損傷金屬微滴噴射3D打印原位快速修復(fù)方法。該方法具體步驟是金屬熔體在其內(nèi)部壓力作用下，通過噴嘴噴射出單顆均勻的微米級金屬熔滴，并基于離散堆積原理，控制均勻金屬微熔滴按照指定軌跡的逐點(diǎn)、逐層定向堆積，進(jìn)而完成受損金屬零件的快速修復(fù)成型。該修復(fù)方法無需大型能源設(shè)備，無需專用原材料，可實(shí)現(xiàn)包括活潑金屬在內(nèi)的多材質(zhì)受損件原位修復(fù)，且修復(fù)設(shè)備便攜，工序簡單，成本低廉，可完成航空器損傷的原位柔性快速修復(fù)，實(shí)用性強(qiáng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種航空器損傷金屬微滴噴射3D打印原位快速修復(fù)方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一、采用噴砂工藝或酸堿腐蝕方法對航空器的待修復(fù)區(qū)域20進(jìn)行預(yù)處理，去除表面的氧化層和雜質(zhì)。

步驟二、通過真空吸盤2將金屬微滴噴射3D打印原位快速修復(fù)裝置吸附固定在航空器受損件1表面，調(diào)節(jié)快速鎖緊伸縮桿13、真空吸盤快速鎖緊萬向節(jié)3和伸縮桿快速鎖緊萬向節(jié)14，使得二維激光輪廓掃描儀19位于待修復(fù)區(qū)域20的正上方。

步驟三、二維激光輪廓掃描儀19配合X軸10或Y軸11的一維直線運(yùn)動(dòng)，獲得待修復(fù)區(qū)域20的三維輪廓數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理，獲得金屬微熔滴的沉積路徑控制程序與液滴沉積位置的定位信息。

步驟四、通過導(dǎo)軌15、伺服電機(jī)16、絲杠17和滑塊18的匹配工作使得金屬熔滴發(fā)生器8移動(dòng)至航空器受損件1待修復(fù)區(qū)域20的正上方，完成工位的切換。

步驟五、通過X軸10與Y軸11的匹配運(yùn)動(dòng)，根據(jù)步驟三中獲得的液滴沉積位置定位信息，將噴嘴6對焦至初始液滴的沉積位置，通過Z軸12運(yùn)動(dòng)使得噴嘴6距離待修復(fù)區(qū)域20表面10-15mm。

步驟六、通過柔性密封罩7將金屬熔滴發(fā)生器8與待修復(fù)區(qū)域20進(jìn)行連通式包裹，再通過密封膠帶4對包裹的空間進(jìn)行密封處理。

步驟七、根據(jù)航空器受損件1的基體材質(zhì)，選擇金屬或者合金材料作為修復(fù)的原材料放入金屬熔滴發(fā)生器8中，并對金屬熔滴發(fā)生器8進(jìn)行密封處理。

步驟八、通過氣閥5對步驟六中完成的密封空間進(jìn)行抽氣處理，將其內(nèi)部氣體完全抽空，再充滿99.999％的高純氬氣，保證其內(nèi)部工作環(huán)境的氧氣含量和水汽含量均低于10PPM，即在噴嘴6與待修復(fù)區(qū)域20間形成一個(gè)局部密閉的低氧、低水工作環(huán)境，防止在修復(fù)過程中發(fā)生氧化現(xiàn)象，破壞修復(fù)精度。

步驟九、開啟金屬熔滴發(fā)生器8的內(nèi)部加熱裝置，控制工藝參數(shù)，通過金屬熔滴發(fā)生器8按需噴射出金屬熔滴21，再按照步驟三中獲得的金屬微熔滴沉積路徑控制程序，配合X軸10、Y軸11和Z軸12的協(xié)調(diào)匹配三維運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行逐點(diǎn)、逐層修復(fù)成型，直至修復(fù)結(jié)束。

所述二維激光輪廓掃描儀19在掃描的過程中激光掃描直線長度一直大于該掃描方向上的待修復(fù)區(qū)域20的截面長度。

所述柔性密封罩7根據(jù)待修復(fù)區(qū)域20的實(shí)際尺寸做相應(yīng)選取調(diào)整，且如果損傷已貫穿航空器受損件1，則需要同時(shí)對航空器受損件1的另一側(cè)做同樣的密封處理。

所述金屬熔滴發(fā)生器8內(nèi)部加熱溫度需要根據(jù)實(shí)際修復(fù)材料確定，一方面需要保證將原材料進(jìn)行完全熔化，另一方面仍需保證熔滴沉積過程中實(shí)現(xiàn)與基體材料間的微域重熔冶金結(jié)合。此外，金屬熔滴發(fā)生器噴8射出的熔滴尺寸需根據(jù)實(shí)際修復(fù)需要，進(jìn)行噴嘴尺寸選擇與工藝參數(shù)匹配調(diào)控。

本發(fā)明的有益效果是：該方法具體步驟是金屬熔體在其內(nèi)部壓力作用下，通過噴嘴噴射出單顆均勻的微米級金屬熔滴，并基于離散堆積原理，控制均勻金屬微熔滴按照指定軌跡的逐點(diǎn)、逐層定向堆積，進(jìn)而完成受損金屬零件的快速修復(fù)成型。該修復(fù)方法無需大型能源設(shè)備，無需專用原材料，可實(shí)現(xiàn)包括活潑金屬在內(nèi)的多材質(zhì)受損件原位修復(fù)，且修復(fù)設(shè)備便攜，工序簡單，成本低廉，可完成航空器損傷的原位柔性快速修復(fù)，實(shí)用性強(qiáng)。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明航空器損傷金屬微滴噴射3D打印原位快速修復(fù)方法用裝置示意圖。

圖2是本發(fā)明航空器損傷金屬微滴噴射3D打印原位快速修復(fù)方法快速修復(fù)過程示意圖。

圖中，1-航空器受損件；2-真空吸盤；3-真空吸盤快速鎖緊萬向節(jié)；4-密封膠帶；5-氣閥；6-噴嘴；7-柔性密封罩；8-金屬熔滴發(fā)生器；9-轉(zhuǎn)接支架；10-X軸；11-Y軸；12-Z軸；13-快速鎖緊伸縮桿；14-伸縮桿快速鎖緊萬向節(jié)；15-導(dǎo)軌；16-伺服電機(jī)；17-絲杠；18-滑塊；19-二維激光輪廓掃描儀；20-待修復(fù)區(qū)域；21-金屬熔滴。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例參照圖1-2。

實(shí)施例1：大型運(yùn)輸機(jī)7075鋁合金結(jié)構(gòu)件表面腐蝕坑類損傷修復(fù)。

本實(shí)施例在應(yīng)用時(shí)，首先使用噴砂工藝(或酸堿腐蝕方法)對大型運(yùn)輸機(jī)航空器受損件1上的待修復(fù)區(qū)域20腐蝕坑進(jìn)行預(yù)處理，去除其表面的氧化層與雜質(zhì)，通過真空吸盤2將金屬微滴噴射3D打印原位快速修復(fù)裝置吸附固定在航空器受損件1表面，通過調(diào)節(jié)快速鎖緊伸縮桿13和相應(yīng)的真空吸盤快速鎖緊萬向節(jié)3和伸縮桿快速鎖緊萬向節(jié)14，使得二維激光輪廓掃描儀19位于待修復(fù)區(qū)域20的正上方，然后采用二維激光輪廓掃描儀19配合X軸10或Y軸11的一維直線運(yùn)動(dòng)獲得待修復(fù)區(qū)域20腐蝕坑的三維輪廓數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理，獲得7075鋁合金微熔滴的沉積路徑控制程序，同時(shí)獲取初始金屬熔滴的沉積位置定位信息，然后通過伺服電機(jī)16控制絲杠17帶動(dòng)滑塊18在導(dǎo)軌15上做線性運(yùn)動(dòng)，由于金屬熔滴發(fā)生器8與二維激光輪廓掃描儀19均安裝至轉(zhuǎn)接支架9上，且在安裝過程中保證兩者在導(dǎo)軌15軸線方向上具有具體的相對位置關(guān)系，故很容易通過導(dǎo)軌15、伺服電機(jī)16、絲杠17和滑塊18的匹配工作使得金屬熔滴發(fā)生器8移動(dòng)至二維激光輪廓掃描儀19完成掃描工作時(shí)的原位置，便于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工位的切換，通過控制X軸10與Y軸11的協(xié)調(diào)匹配運(yùn)動(dòng)，使得噴嘴6定位對焦至控制程序設(shè)定的初始金屬熔滴沉積位置處，控制Z軸12運(yùn)動(dòng)使得噴嘴6移動(dòng)至待修復(fù)區(qū)域20腐蝕坑表面上方10-15mm處，然后將市場供應(yīng)態(tài)的7075鋁合金棒料進(jìn)行適當(dāng)切割處理，使其能夠放入金屬熔滴發(fā)生器8中，再對表面的氧化層和雜質(zhì)進(jìn)行處理，放入金屬熔滴發(fā)生器8中進(jìn)行密封處理，使用柔性密封罩7和密封膠帶4將金屬熔滴發(fā)生器8與待修復(fù)表面20進(jìn)行局部密封，通過氣閥5首先對此密封空間進(jìn)行抽氣處理，并將其內(nèi)部氣體完全抽空，然后通入99.999％的高純氬氣，開啟金屬熔滴發(fā)生器8的內(nèi)部加熱，控制加熱溫度達(dá)到800℃至850℃，采用直徑400μm的噴嘴6進(jìn)行噴射液滴，控制工藝參數(shù)使得噴射出的金屬熔滴21直徑在500±20μm，結(jié)合X軸10、Y軸11與Z軸12的協(xié)調(diào)匹配，完成待修復(fù)區(qū)域20腐蝕坑的金屬熔滴填充原位修復(fù)成型。

實(shí)施例2：小型無人機(jī)2024鋁合金蒙皮表面劃痕裂紋類損傷修復(fù)。

本實(shí)施例在應(yīng)用時(shí)與實(shí)施例1的工藝過程基本相同，不同之處主要是由于應(yīng)用對象是小型無人機(jī)，其體積較小，故無法使用真空吸盤2將整個(gè)金屬微滴噴射3D打印原位快速修復(fù)裝置吸附固定在小型無人機(jī)航空器受損件1的表面，此時(shí)可以將真空吸盤2更換為支撐座，然后通過快速鎖緊伸縮桿13的調(diào)節(jié)，使得整個(gè)修復(fù)裝置架空在小型無人機(jī)上方，其次在本實(shí)施例中采用的原材料為2024鋁合金，故需要對熔滴發(fā)生器內(nèi)部的加熱溫度做出相應(yīng)調(diào)整，對于2024鋁合金，通常需要控制加熱溫度達(dá)到750℃至800℃，此外，由于損傷的形式是表面劃痕裂紋類損傷，而該類損傷的特征尺寸通常較小，故需要使用分辨率更高的二維激光輪廓掃描儀19，同時(shí)需要使用尺寸更小的(200μm直徑)噴嘴6進(jìn)行噴射沉積，控制工藝參數(shù)使得噴射出的液滴直徑在300±10μm，進(jìn)而完成小型無人機(jī)2024鋁合金蒙皮表面劃痕裂紋類損傷修復(fù)。