Технология ремонта обшивки самолёта холодным напылением

Многие отрасли промышленности рассматривают изготовление листового металла как сложную смесь искусства и науки, требующую тонкости для достижения желаемых результатов. При ремонте конкретного выделенного места обшивки самолёта получается нежелательное сжатие и растяжение там, где этого не должно быть. Эта ошибка является очень дорогостоящей и трудоёмкой.

На сегодняшний день актуальным для исследования является конкретный ремонт панели обшивки самолета, который Mid-America Aerotech выполнила для ВВС США на B-1B, и то, как может использоваться этот метод ремонта на коммерческом рынке. Mid-America Aerotech – сертифицированная ремонтная станция FAA, расположенная в Вест-Фарго, Северная Дакота. Команда Mid-America Aerotech обслуживает военную, аэрокосмическую и коммерческую отрасли, а также частные самолеты и вертолеты [4].

Конструкционный ремонт компонентов самолета может быть очень сложным. Для надлежащего ремонта компонентов требуется значительная командная работа, тщательный контроль и эффективное общение между всеми участниками.

Обшивка самолета – оболочка, формирующая оперение и внешнюю поверхность корпуса воздушного судна. Панели обшивки являются важными компонентами самолета. Они держат самолет под давлением. Они придают форму и контур планеру. В некоторых случаях панели обшивки помогают нести полетные и наземные нагрузки. Некоторые из них закреплены на постоянной основе (пока планер не прибудет на осмотр). Другие должны быть удалены после каждого полета. Независимо от функции, эти панели постоянно подвергаются воздействию окружающей среды.

Со временем коррозия или износ могут повредить эти важные компоненты. Независимо от причины, поврежденные панели необходимо отремонтировать или заменить. Поскольку эти панели бывают разных форм и размеров, они могут иметь широкий диапазон затрат. На некоторых планерах эти панели могут стоить сотни тысяч долларов. В дополнение к расходам, многие более важные и более сложные панели могут быть труднодоступными. Они могут иметь сроки выполнения заказа, которые препятствуют доступности планера. Это отсутствие доступности может привести к потере доходов или снижению организационных возможностей. Крайне важно и тактически выгодно своевременно ремонтировать, и переустанавливать эти панели [2].

Для определения ремонтопригодности конструкции из листового металла можно использовать следующие критерии:

• тип повреждения;
• размер ущерба;
• тип исходного материала;
• место повреждения;
• требуемый вид ремонта;
• имеющиеся инструменты и оборудование для ремонта.

Холодный спрей является одним из многих названий для описания процесса нанесения твердотельного покрытия, в котором используется высокоскоростная газовая струя для ускорения частиц порошка к поверхности, благодаря чему металлические частицы пластически деформируются и консолидируются. Термин «холодный спрей» относится к понятию низкой температуры процесса, который обычно значительно ниже, чем температура плавления напыляемого материала.

Понятие холодного напыления металлических частиц на поверхность восходит к началу 1900-х годов, только в 1980-х гг. применимость этой технологии была продемонстрирована в Институте теоретической и прикладной механики Российской академии наук в Новосибирске. Поскольку адгезия металлических порошков на поверхность и осажденный материал достигается в твердом состоянии, особенности холодного напыления весьма уникальны [5].

Еще в 1980-х годах, при практической разработке технологии холодного напыления, были предложены два метода впрыскивания материала.

Первый – холодное напыление под высоким давлением. Гелий или азот при высоком давлении предварительно нагревается, а затем принудительно через сужающееся-расширяющееся сопло ДеЛаваля. У сопла газ производит конверсию в кинетическую энергию, которая разгоняет газовый поток до сверхзвукового режима (1000 м/с) при снижении его температуры. Исходный порошок вводится аксиально в поток газа перед соплом горла. Ускоренные твердые частицы ударяются о поверхность с достаточно кинетической энергией, чтобы вызвать механические или металлургическое склеивание.

Второй – холодное распыление низкого давления. Состоит в следующем:

• сжатый воздух давлением 0,5-1,0 МПа подаётся в нагреватель, нагревается там до 400-600 градусов
• поступает в сверхзвуковое сопло;
• порошковый материал, представляющий собой механическую смесь металлических и керамических частиц, подаётся в сверхзвуковой поток воздуха за критическим сечением сопла, в ту его часть, где давление в потоке несколько ниже атмосферного давления;
• частицы ускоряются воздушным потоком до скорости 300-600 м/с;
• частицы взаимодействуют с поверхностью преграды, формируя на ней металлокерамическое покрытие [4].

Холодное газодинамическое напыление (ХГН) металлических покрытий – это процесс формирования металлических покрытий при столкновении холодных металлических частиц, ускоренных сверхзвуковым потоком газа до скорости несколько сот метров в секунду, с поверхностью обрабатываемой детали. При ударах металлических частиц о поверхность происходит их пластическая деформация и кинетическая энергия частиц преобразуется в тепло, обеспечивая формирование сплошного слоя из плотно упакованных металлических частиц [3].

Технические специалисты используют технологию холодного напыления для эффективного и безопасного ремонта многих авиационных компонентов, в том числе панелей обшивки самолета. Использование холодного распыления в этом типе ремонта снижает затраты на техническое обслуживание и сокращает время ремонта труднодоступного оборудования.

Технология обладает рядом особенностей, отличающих её от наиболее близких к ней газотермических технологий нанесения металлов, в частности:

• для работы необходим только сжатый воздух и электроэнергия;
• нет нагрева и окисления металла частиц и поверхности, деформаций, изменения структуры металлов (температура подложки меньше 100–150 град С) ;
• нет вредных и агрессивных газов, веществ, излучений и др. опасных факторов;
• технологическая простота нанесения покрытий.

Применение холодного спрея для восстановления широкого спектра традиционных и передовых материалов и поверхностей, особенно актуально в нетрадиционных областях применения, которые чувствительны к температуре процесса. Некоторые характеристики холодного спрея включают способность образовывать плотные отложения с крайне низким количеством кислорода, без остаточных растягивающих напряжений, роста зерен, зон рекристаллизации и фазовых переходов. Некоторые материалы могут даже подвергаться измельчению зерна в нанометровый масштаб. Эти особенности делают холодный спрей уникально подходящим для ремонта ряда передовых материалов, чувствительных к температуре.

Например, передняя панель отсека оборудования B1 представляет собой панель доступа в носовой части самолета. Эти панели снимаются и переустанавливаются очень часто. Таким образом, это многократное удаление и замена крепежных элементов вызывает износ отверстий для крепежных элементов. Эти панели являются дорогостоящими, и их изготовление может занять очень много времени. При помощи ХГН возможно удешевить процесс ремонта этих панелей без их замены.

К сожалению, холодное напыление – это технически сложный способ восстановления деталей или обшивки самолёта, требующий определённых знаний и умений у специалистов, поэтому оно не всегда используется в качестве основного метода ремонта. Но несмотря на объективные трудности можно сэкономить на техническом обслуживании, когда возможно сотрудничество с отраслевым экспертом.