再制造加工技术的研究进展*

刘文浩, 陈 燕, 周 睿, 徐 良, 韩 冰

(辽宁科技大学 机械工程与自动化学院， 辽宁 鞍山 114051)

21世纪以来，能源和资源紧缺、环境污染等问题日渐严重，对国内制造业尤其是机械加工制造行业提出了更加严格的要求。制造业作为实体支柱产业的同时，也是各行业中主要的资源消耗者和环境污染源，其每年产生的环境污染物约占总环境污染物总量的70%。为了提高资源利用率、降低环境污染，再制造加工技术应运而生[1]。

再制造是将已到达服役年限而无法继续使用的设备及其零部件等进行拆解清洗后，再使用一定的修复方法将其修复，最后组装成再制造新产品的过程。经再制造后获得的产品一般要达到甚至超过新品的使用标准，而其生产成本却仅仅只有新品的一半左右[2]。再制造加工技术是再制造流程中最为关键的技术之一，旨在将经检测后可再制造的零部件加工成符合相关技术参数的零部件。因此，加大力度推广再制造加工技术不仅可以有效减少资源浪费，而且在降低环境污染方面也具有重大意义[3]。

1 再制造加工技术的发展与分类

1.1 再制造加工技术的发展与应用

由于欧美等发达国家制造业起步较早，当其制造业发展到一定水平后，逐渐开始重视产品生产制造与环境和资源的矛盾问题，并最早提出了再制造的理念。早在21世纪初期，美国在汽车领域的再制造产值就已突破至500亿美元，约占其总产值的67%，使再制造产业成为美国支柱产业之一[4]。德国的再制造产业也早已取得长足发展，尤其是在民用汽车领域，其废弃汽车回收率高达96%，也早已建成较为健全的废品回收机制。

我国再制造产业起步稍晚于发达国家，再制造加工技术的概念是在20世纪90年代由徐滨院士率先提出的。在借鉴其他国家再制造产业发展模式的基础上，形成了以先进表面工程技术为支撑的中国特色再制造产业体系，并且在航空航天、医疗器械、石油化工、船舶等行业的零部件再制造中得到广泛应用。再制造加工技术也伴随着再制造产业的发展而不断进步与革新，传统的再制造加工方法以零件更换法和尺寸修理法为主，即将已失效的零件更换为新品或将无法装配的零件使用机加工的方法加工至符合装配条件的尺寸。传统上的加工方法比较简单，存在着再制造率低、互换性差和再制造成本高等诸多弊端。目前，新的再制造加工技术不断涌出，使再制造生产成本不断降低，资源利用率不断提高，再制造产品性能不断增强，质量不断提高，再制造加工技术已逐渐朝着智能化和高效化方向发展。

1.2 再制造加工技术工艺种类

再制造加工属于再制造流程中的一部分，再制造流程如图1所示。整个再制造流程包括废旧零部件初步检验、拆解、清洗、分类检测、评估、设计、再制造加工、性能检测等步骤，其中的零部件清洗和再制造加工是最为关键的步骤。再制造加工就是对有缺陷、部分损坏的零件进行修复、再加工的过程。

图1 再制造工艺流程图Fig. 1 Remanufacturing process flow chart

根据再制造加工零件的损伤形式，再制造加工技术可分为面向表面失效的再制造加工技术和面向结构损伤的再制造加工技术。其中，面向表面失效的再制造加工技术，是对因磨损和腐蚀等而发生表面失效的零部件进行喷涂、涂覆、电镀等操作的加工技术；面向结构损伤的再制造加工技术的加工对象主要是因零件结构改变而失效的零件，其加工方法可分为增材再制造加工和减材再制造加工。当零件表面堆积大量碳化物或金属氧化物时，零件的结构尺寸发生较大变化，需采用机加工、磁粒研磨加工等减材再制造加工方法；而当零件因高负荷或冲击发生断裂或变形时，需采用激光熔覆、焊接等增材再制造加工方法对零件进行修补。

2 面向表面失效的再制造加工技术

机械零部件表面失效的形式主要有表面磨损和表面腐蚀。随着表面工程技术的发展，涌现出一批用在机械零件再制造领域的表面工程技术。使用这些技术对表面失效的零部件进行再制造加工，使原本已经无法使用的零件可以重新投入使用，与重新生产的零部件相比，大幅度降低了生产成本。

2.1 离子镀复合涂层技术

离子镀膜技术是将气体放电技术引入薄膜制备过程，将膜层粒子离子化，从而使膜层粒子的整体能量有所提升。根据物质源膜层粒子的形成方式，可将离子镀膜分为蒸发型离子镀膜技术和磁控溅射离子镀膜技术。以蒸发型离子镀膜技术为例，其加工原理是将工件置于低真空度容器中，将金属膜料用蒸发镀实现其离子化，再将负偏压加到工件上，高能的电子将膜层粒子和气体电离为具有高能的离子和原子，并产生辉光放电现象，如图2所示；离子化且高能的金属膜料粒子移动到工件表面后会逐渐累积生长，最终在工件表层形成一层致密的晶体组织。工件表面施加负偏压后形成的膜层组织如图3所示[5]。

图2 离子镀膜原理图Fig. 2 Schematic diagram of ion plating

图3 工件施加负偏压前后膜层组织对比照片[5]Fig. 3 Comparative photos of film structure before andafter negative bias applied to the workpiece[5]

目前，为了使气体产生更多的等离子体，放电形式逐渐从辉光放电向电弧放电发展。将离子镀膜技术应用在再制造产品加工中，当带有高能量的粒子移动到工件表面时，会对工件表面的原子产生轰击效应，在表面原子脱离基体的瞬间，又被电离赋能，再次回到工件表面上[6]。在此过程中，残存在工件表面的污物会在高能粒子轰击下脱落，实现了工件表面边镀膜边净化的过程，最终在工件表面形成膜-基共混层，其结构如图4所示[5]。新形成的膜层具有更高的致密性，可大幅提高再制造零件表面的性能，使再制造后的零件具有更高的耐磨性和耐腐蚀性等。

图4 膜-基共混层示意图[5]Fig. 4 Schematic of the film-substrate mix layer[5]

2.2 高速电弧喷涂技术

传统的电弧喷涂技术是用电弧产生热量，用高速气流将金属丝熔化，再将瞬间形成的液态金属雾化，并喷射到工件表面上，在工件表面形成一层致密的涂层[7-9]。高速电弧喷涂技术是在传统电弧喷涂的基础上，应用空气动力学原理，将压缩空气通过特有的喷嘴后得到一个高速的气流，高速气流作用在液态金属上，能够使液态金属高速雾化且加速喷射到工件表面而形成电弧喷涂层。高速电弧喷涂原理如图5所示[10]。

图5 高速电弧喷涂原理示意图[10]Fig. 5 Schematic of high velocity arc spraying[10]

高速电弧喷涂具有成本低、效率高、操作容易、能耗低、涂层致密及结合力强等优点。将高速电弧喷涂技术应用在再制造领域能够发挥其技术优势，其在发动机再制造、装备防腐工程、电厂锅炉管道防护等领域有众多应用。通过采用电弧喷涂钢丝形成的膜层在发动机曲轴上应用，能满足其在腐蚀磨损环境下工作的条件，提高了发动机曲轴的使用寿命[11-12]。

2.3 超音速等离子喷涂技术

超音速等离子喷涂技术以非转移型等离子弧作热源，喷涂材料主要是金属粉体。将电源的正极接入喷嘴，负极接入喷枪，给喷枪供应压缩气体，再由高频火花引燃电弧，电弧产生的高温使金属粉体电离熔化，在压缩气体的作用下使雾化粉体形成高速等离子流；等离子流在遇到工件表面时，会逐渐地累积在其表面而形成涂层。超音速等离子喷涂具有高速的气流、致密的膜层等优势，在再制造领域得到了广泛应用[13]。

在超音速等离子喷涂技术中，运行参数的选择对工件表面膜层的生成具有很大的影响，其中最重要的参数有电弧功率和等离子气体。等离子气体需根据喷涂的工件进行选择，通常选择氮气。氮气具有运输容易、电离热量高、价格低廉、雾化效果好等优点。对容易产生硝化反应的材料，则可以选择氩气。电弧的功率需选择最佳时的加工功率，其功率高低直接影响膜层的性质，且直接影响等离子体温度上升的快慢，进而影响等离子体到达工件表面时的结合温度，以及工件表面膜层的性能和不同状态。超音速离子喷涂原理如图6所示[14]。

图6 超音速等离子喷涂原理[14]Fig. 6 Mechanism of supersonic plasma spraying[14]

超音速等离子喷涂技术形成的膜层具有组织致密、性能优良等优点。将超音速等离子喷涂技术与其他表面处理技术结合，能够制备出更加优质的复合涂层，制备的复合涂层在零件表面磨损、失效修复等再制造领域有着重要的应用。在机械零件表面磨损修复方面，超音速等离子喷涂技术形成的膜层显著提高了零件的使用寿命和性能，且其再制造符合环保、节能减排、高效的要求，达到了修旧利废的目的，能得到较好的经济效益。

2.4 电刷镀技术

电刷镀技术是电镀技术中的一个重要分支，是表面维修技术中的一种，主要偏重于工件的应用修复和中小批量工件的功能性表面强化[15]。其原理是镀液中的金属离子在直流电源作用下逐渐在工件表面放电结晶，从而在工件表面形成一层金属镀层。形成的镀层可以强化和提高工件表面性能，修复因磨损而报废的工件，因而电刷镀技术近些年在再制造领域得到广泛应用。电刷镀技术原理如图7所示。

图7 电刷镀技术原理图 Fig. 7 Schematic diagram of brush plating technology

张伟等[16]用电刷镀法制得含纳米金刚石的复合镀层，用其再制造的工件在高负荷下仍具有良好的抗磨损和抗疲劳性能。张玉峰[17]利用电刷镀技术对多元复合材料的制备进行了研究，制得的镍基纳米复合镀层在高温条件下仍具有良好的耐磨性，较好地解决了再制造零件在高温条件下易磨损的难题。电刷镀技术的使用设备简单，可适用于各种形状尺寸的工件表面修复[18]。目前，电刷镀技术常常与其他表面加工技术复合使用，以求能达到更好的再制造加工效果，如将热喷涂技术与电刷镀技术相结合，利用热喷涂技术在零件表面喷覆一层涂层使零件尺寸快速修复，然后在生成的涂层上进行电刷镀，减小热喷涂涂层的孔隙率，从而达到增强涂层性能和提高表面光洁度的作用[19-20]。

3 面向结构损伤的再制造加工技术

3.1 磁粒研磨技术

磁粒研磨技术是一种属于微量切削的减材再制造加工技术，在航空零部件再制造加工中得到广泛应用[21]。以航空发动机中的燃烧室零件为例，在飞行器飞行过程中，燃油喷嘴和涡轮轴零件表面会产生大量的积碳，零件表面积碳如图8所示。积碳在燃油喷嘴处积累时会显著降低燃油喷出的均匀性，对燃油的利用率和发动机运行的安全稳定性均会造成影响。涡轮轴内外表面发生碳积累时，会使其转轴转动的平稳性降低，燃油不易得到充分燃烧。因此，去除发动机零部件表面积碳对于保持发动机的稳定运行具有重要意义[22-24]。

图8 积碳微观形貌图Fig. 8 Micro topography of carbon deposition

陈燕等[25]使用磁针磁力研磨技术对涡轮轴内表面进行了去积碳加工，其加工原理如图9所示，成功将磁力研磨加工技术应用于涡轮轴的再制造中。徐会等[26]使用交变旋转磁场对燃油喷嘴表面进行磁力研磨加工，喷嘴表面积碳的去除率达到98%，实现了对燃油喷嘴零件的再制造加工。

图9 去除涡轮轴内壁积碳原理图Fig. 9 Principal diagram of removing carbondeposition from inner wall of turbine shaft

3.2 激光熔覆技术

激光熔覆是指在基体表面放置涂层材料后，利用激光束辐照，使涂层材料熔化、扩展、凝固后在基体表面形成一层具有一定性能的涂覆材料的技术，其加工原理如图10所示。通过激光熔覆技术，涂覆材料与基体结合在一起，形成具有特殊力学性能的表面复合层。工业燃气轮机中的进气机匣、叶片、涡轮盘等部件，在高温高压等极端环境下服役一段时间后，容易出现工件疲劳和损伤，采用激光熔覆技术对受损端部进行修复，可以极大地降低成本。目前，利用激光熔覆技术对受损工件进行修复已然成了再制造领域重要的修复技术之一。

图10 激光熔覆再制造加工原理图Fig. 10 Schematic diagram of laser cladding remanufacturing

樊昌杰[27]将激光熔覆技术应用在薄壁螺纹的快速修复当中，在保留现有高强度螺牙的基础上，选择一种硬度略低于零件基体的熔覆材料，对螺槽进行激光焊补，修复后的螺纹尺寸、形位公差合格，表明激光熔覆技术是一种低成本、可靠的再制造修复技术。姚喆赫等[28]以V型槽为研究对象，开展修复试验探究，在修复过程中引入超声振动，有效地改善了镍基高温合金V形槽激光修复区的微观形貌，提高了其力学性能。

3.3 焊接技术

在航空再制造领域，对服役后的损伤零件进行再制造修复中，焊接技术同样发挥着重要的作用。飞机和发动机部件常见缺陷类型和焊接修复方法如表1所示。由表1可知：现在常用的焊接方法有氩弧焊、激光焊、电子束焊、等离子焊等。其中，氩弧焊就是以钨棒为电极，氩气为保护气体，在焊接过程中不断从焊枪的喷嘴喷出氩气，在电弧周围形成保护层而隔离空气，以防止电弧对熔池和邻近热影响区产生不利影响，从而获得高质量的焊接效果；激光焊是指对加工表面进行激光辐射加热，使表面热量逐渐扩散到工件内部，通过控制激光参数，使工件表面形成特定的熔池[29]，激光焊可以采用脉冲或连续激光束加以实现。航空发动机部件尤其是叶片与热端部件等往往由于受到磨损、冲击、高温等极端环境影响，产生裂纹、腐蚀等问题。在飞机服役过程中，零件的损坏会严重影响其整体的安全性及使用寿命，因此常常使用焊接技术对航空发动机的各个损坏的部件进行修复。

表1 飞机和发动机部件常见缺陷类型和焊接修复方法Tab. 1 Common defect types and welding repairmethods of aircraft and engine components

陈柳池等[30]采用埋弧焊对鞍钢轧机主传动轴进行磨损修复，探究了焊接对母材本身的力学性能影响，发现当母材本身碳含量很高时的焊接性很差，焊接区容易产生冷裂纹，且堆焊产生的残余应力较大，但成本较低。戴士杰等[31]针对截面形状复杂、焊接修复精度高的航空发动机叶片，采用基于有理B样条曲线的方法进行轨迹规划，再利用NURBS曲线分别表示叶片截面的前缘、尾缘、叶盆和叶背的4部分曲线，并验证了该算法在焊接修补精度上的可行性。

4 再制造加工技术的总结与展望

国内再制造产业目前处于发展阶段，面临行业标准不规范，再制造加工技术不成熟，再制造产品质量良莠不齐等诸多问题。但随着未来技术的革新，再制造加工技术仍具有良好的发展前景，其发展趋势展望如下：

(1)加工技术多样化、复合化。伴随着再制造产业的蓬勃发展，新的再制造加工技术的不断涌出，再制造加工技术已不再局限于早期的换件法和尺寸修理法，新的热喷涂、冷喷涂、激光熔覆、激光焊接等加工方法已成功应用于再制造加工领域，并取得了良好加工效果。每一种加工技术都有其独特的优势与局限性，未来，集多种再制造加工技术优势于一身的复合加工工艺必会使再制造工艺稳定性和再制造产品质量进一步提高。

(2)加工装备的智能化、自动化、集成化。随着工业自动化和智能机器人产业的发展，产品的再制造加工设备也逐渐趋向于智能化和集成化。以智能化装备为载体，将各种再制造加工技术与工业自动化相结合，不仅可以有效提高加工效率，而且还可以大大降低再制造成本。诸如零部件清洗检测生产线，加工过程中材料的自动填充和无人操作的加工平台等，必将使整个再制造加工过程变得更高效和简单。

(3)高性能涂覆材料的研究。使用的修补材料的性能往往决定再制造产品的质量，尤其是在喷涂和激光熔覆加工过程中。涂层和熔覆层的原材料是性能优良的合金或非金属粉末，往往要求金属粉末具有高耐磨性、高耐腐蚀性、高球形和高稳定性，而目前国内使用的高性能合金粉末多数依赖进口。因此，打破高性能涂覆材料的技术壁垒，对于降低再制造加工成本和提高再制造产品质量具有重要意义。

(4)数值仿真建模优化。加工过程中的经验判断向定量分析的方向发展是再制造加工中的重要趋势，将数值仿真建模技术与再制造加工技术相结合，通过使用数值建模仿真软件对加工过程进行模拟分析，可以减少基础试验的次数，有效避免不必要的资源浪费。