特種加工技術在再制造領域中的應用與發展*

牛梓源, 陳 燕, 張澤群, 韓 冰

(遼寧科技大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 鞍山 114051)

所謂再制造，是將達到一定服役年限的高成本零部件，進行拆解、清洗后，檢測零部件基體的缺陷、損傷，并對其進行處理、修復及改造，使零部件的技術參數能夠重新達到或接近新品的標準，最后對經過試車檢驗符合使用標準的零件進行再利用的過程。

早在20世紀70年代中期，美國PW公司最先將發動機渦輪葉片的修理技術商業化[1]，之后英法等發達國家也對發動機零件修理技術進行了大量基礎研究。目前，再制造相關技術正在為航空等領域創造巨大的經濟價值。以航空發動機的修復再制造為例，發動機葉片在航空發動機各零部件中的要求最為苛刻，受氣動應力、振動應力、離心應力、熱應力等多種應力及高溫氧化和熱腐蝕的綜合作用，是故障最多的零件。如民航發動機葉片在運轉3 500 h后需要進行修復，如果方法科學合理，在花費新葉片成本20%的費用后，葉片可繼續工作3 000 h以上[2]。由于渦輪葉片是用性能優異、價格昂貴的鎳基和鈷基高溫合金材料以及復雜的制造工藝制造，所以葉片的修復再制造技術可轉化為巨大的經濟效益。隨著我國飛機更新換代加快，對其維修的需求將大大提升，航空維修市場潛力巨大[3-5]。

再制造技術具有優質、高效、節能、節材、環保等優點[6]，在諸多工業生產領域所占的比重日益增大，尤其是在對產品周期要求短、產品質量要求高、制造成本高的軍工領域。近年來隨著我國制造水平的不斷提升，我國再制造產業正在興起，并逐步轉向規范化、規模化[7-8]。

本文概括再制造的工藝流程，詳細介紹磁力研磨、等離子噴涂等特種加工技術在再制造領域的應用。同時，指出目前我國再制造技術領域存在的問題，并對其發展方向進行展望。

1 再制造工藝流程

再制造的出發點是維修，但其最終目的不只是簡單地停留在“修復”上，而是要使再制造對象的質量、性能接近甚至達到新品水平?；谶@樣的定位，再制造的實現依賴于較高的制造工藝水平。因此，再制造技術首先在制造技術較為發達的國家興起[9]。

再制造技術的工藝流程并不簡單，雖然再制造的對象是廢舊的零部件，但并不是所有廢舊的零件都可以進行再制造加工?？紤]到經濟性因素，零部件損傷到一定程度，無法修復或者修復成本大于生產新件的成本時，零件直接報廢。圖1是再制造的工藝流程圖。如圖1所示：廢舊的零部件被拆解成零件之后，經初步檢測，會報廢掉易損件，其他零件則經過清洗、分類、再制造評估、設計、加工及檢驗等步驟，最終實現零件的再制造。雖然再制造工藝目前已經形成比較完善、系統的體系，但是由于加工方法不斷更新，具體到某一零部件的再制造方法時仍處于持續的探究中。

圖1 再制造工藝流程圖

2 特種加工與再制造技術

廢舊的零部件往往是由于其局部失效而失去使用價值，運用傳統的車、銑、刨、磨、焊等加工方法，難以有針對性地全面實現廢舊零部件的再制造加工。所以，再制造的目光逐漸轉移到特種加工技術上，涌現出越來越多與特種加工技術相結合的再制造方法。

區別于傳統加工技術的特種加工技術是在傳統加工技術的基礎上，或者完全另辟蹊徑而產生的新的加工方法。近年來，隨著制造業的產業升級和技術革新，特種加工技術逐漸走在制造行業的前列。特種加工技術與傳統加工方法優勢互補，可以實現難度較高的加工需求。經過特種加工后的零件，與傳統加工的比較，其精度、強度、性能等方面有較大的優勢[10-14]。

2.1 磁力研磨技術在再制造領域的應用

磁力研磨是利用磁場對導磁性研磨介質的吸引而產生的切削力來進行加工的[15]，其研磨介質是經過特殊工藝處理的不銹鋼磁針等。圖2為磁針磁力研磨機工作原理圖。

圖2 磁針磁力研磨機工作原理

如圖2所示：將磁針與工件按照一定比例放置于容器中，通過旋轉磁極盤產生的旋轉磁場帶動容器中的磁針高速旋轉，大量細小磁針無規律撞向工件表面，對其進行高頻地劃擦、碰撞、滾壓等，完成對細小再制造零件表面的積碳、污垢、氧化皮、漆等的去除。

磁力研磨具有不受零件形狀限制的突出優勢，現已成功應用在某企業燃油噴嘴的除積碳工作中。燃油噴嘴工作于高溫高壓的環境下，負責噴出燃油，經點火裝置引燃，瞬間膨脹的氣體為發動機提供動力；然而工作一段時間后，未充分燃燒的燃油混合物會在噴嘴處結焦，最終形成積碳，堵塞噴嘴，使發動機燃燒效率下降，尾氣排放增加，且影響發動機的平穩運行。燃油噴嘴加工前后的宏觀和微觀形貌對比如圖3、圖4所示。通過圖3、圖4對比可以看出：磁力研磨可以有效去除噴嘴表面和孔內附著的積碳，使噴嘴滿足二次服役的要求[16]。

圖3 噴嘴加工前后對比

(a)加工前 Before processing

在使用一段時間后，航空發動機在其內部的長軸類管件表面上會形成一層硬脆的物質(即“積碳”)。積碳的產生會影響長軸類管件的轉動平穩性，降低其燃油效率，使尾氣排放中的污染物增加，因此及時去除有利于維持發動機的穩定運行、節約能源和保護環境。陳燕等[17]將磁力研磨技術應用在航空發動機的長軸類零件的內表面除積碳試驗中，其去除示意圖如圖5所示。圖5中，磁針置于管件內部，在外部對應位置設置可以沿管件軸線方向運動的旋轉磁場。在旋轉磁場作用下，管件內部的磁針不斷與內壁上的積碳發生碰撞，逐漸將其剝落。圖6為長軸類零件內表面加工前后的微觀形貌對比。如圖6所示：加工后的內表面積碳基本上已經被去除，裸露出管件基體，實現了對航空發動機的長軸類管件的再制造，從而延長了長軸類管件的服役壽命，節約了制造成本。

圖5 磁針磁力研磨去除管件內表面積碳

(a)加工前 Before processing

2.2 增材制造技術在再制造領域的應用

被譽為“第三次工業技術革命”的增材制造技術憑借其優良的加工特性，突破了傳統減材制造技術對復雜形狀零部件的限制而達到了復雜形狀零部件的整體成形，相較于傳統粉末冶金制造技術，將制造周期由數年縮短至數周[18]，大大降低了從模具制造到材料加工去除而產生的生產成本。經過30多年的相關研究，增材制造技術在不同領域取得了長足的發展。

增材制造技術引入到再制造技術，為再制造產業賦予了巨大能量，使再制造產業邁向了一個新的臺階。增材再制造技術能夠實現對零件的不同損傷部位的個性化修復、還原，且修復后的強度甚至比新品還高[19-22]。對船舶行業的艉軸、軸套、曲軸、聯軸器內孔和增壓轉子，鋼鐵行業中的軋輥，電力行業的汽輪機軸，軌道交通領域中的鐵軌及模具行業的失效模具，航空領域的渦輪葉片，機械裝置的核心零部件等的再制造技術修復，都達到了很好的質量標準，創造了巨大的經濟效益、社會效益[23-25]。2018年全球航空發動機的維修支出占航空總維修支出的29%，預計未來10年航空發動機維修市場增長將達50%，總金額超過370億美元，增材再制造在航空領域產生的經濟潛力巨大。

國外多家航空公司已經在增材再制造領域進行了持續多年的研究。在發動機使用維護中，將到壽件、易損件、必換件等替換為由增材再制造技術制造的工件，極大地解決了維修成本高昂和維修周期過長的問題。但損傷模式復雜、損傷率高、報廢量大的零部件，如壓氣機葉片、渦輪葉片等航空發動機關鍵核心部件的再制造技術攻克難度高，而其市場規模、經濟潛力大。該項技術屬于關鍵核心技術，目前被掌握此技術的發達國家嚴密封鎖，屬于國內前沿研究方向之一。

適用于再制造的增材制造技術主要有焊接、熱噴涂、激光熔覆等[26-32]。

2.2.1 焊接技術

隨著航空航天設備性能不斷提升，相關的生產要求也不斷提高，生產技術不斷進步。其中，不斷發展的焊接技術，逐步為復雜航空構件的設計、制造提供了越來越有力的技術支撐，已經從原來的輔助工藝變為現在設備加工中不可或缺的關鍵技術[33]。除傳統的電弧焊技術、釬焊技術外，目前還出現了線性摩擦焊、攪拌摩擦焊、激光焊、線性束流焊、擴散焊等諸多新興焊接技術。在航空部件的制造加工過程中，不同焊接技術都有各自獨特的優點，可針對不同工件的材料、缺陷、工況及性能等多種因素綜合選擇。

不僅是在航空航天設備的生產領域，在航空航天再制造領域，焊接技術同樣也發揮著極為重要的作用。表1為飛機不同部件的再制造過程中所應用的焊接技術[34]。

表1 飛機各部位的焊接再制造方法[34]

表1的結果顯示，焊接技術被廣泛應用于飛機的再制造中，這與其自身的優異性能密不可分。以近年來國內外在航空領域廣泛使用的釬焊技術為例，已將釬焊技術應用于飛機鈦合金導管斷裂、磨損等的原位修復上[35]。美國GE公司采用一種活性釬焊方法，已成功修復了燃氣渦輪部件，包括各種第 1級、第2級的高、低壓渦輪導向器裂紋及磨損。加拿大Liburdi公司采用粉末釬焊技術修復的航空發動機葉片已達到與新葉片同等壽命[36]。

2.2.2 等離子噴涂技術

等離子噴涂技術是熱噴涂技術的一種，通過等離子噴槍來實現噴涂。噴槍的噴嘴(陽極)和電極(陰極)分別接電源的正、負極，噴嘴和電極之間通入工作氣體，借助高頻火花引燃電弧，將氣體加熱并使之電離，產生等離子??；氣體熱膨脹后由噴嘴噴出，高速等離子射流送粉器將粉末從噴嘴內或外部送入等離子射流中；粉末被加熱到熔融或半熔融狀態，被射流加速后以一定的速度噴射到經預處理后的基體表面形成涂層。圖7為等離子噴涂原理圖。

圖7 等離子噴涂原理

運用等離子噴涂技術獲得的涂層雜質含量少，涂層表面平整光滑，噴涂厚度易于控制，工件的熱變形小，噴涂效率高。因此，等離子噴涂技術越來越多地被應用在航空零部件的制造與再制造等重要場合。在對航空發動機進行再制造修復過程中，進行等離子噴涂的零件已經占到航空發動機所有噴涂零件的80%以上[37]。

蕪湖天航裝備技術有限公司將熱噴涂技術應用到航空彈射裝置燃氣推進器的重要部件—活塞桿的增材再制造修復中。由于導彈發射后，燃氣推進器內剩余的火藥殘渣未及時清除，會對活塞桿的鍍鉻層造成腐蝕，嚴重時甚至透過鍍層對基體產生腐蝕[38]。傳統修復工藝不僅對環境有污染，而且無法解決基體的深度腐蝕問題。而熱噴涂再制造工藝，僅需工件表面鍍層被全部去除，并車削掉基體表面的腐蝕凹坑這2個前處理步驟，再進行熱噴涂使新鍍層達到所需厚度，最后將工件磨削至要求的尺寸及表面粗糙度后即可再利用。

2.2.3 激光熔覆技術

激光熔覆技術是利用激光束產生的高溫將金屬粉末加熱熔化，使其與基體表面充分結合的一項技術[39]。激光熔覆技術原理如圖8所示。圖9為激光熔覆與氬弧焊的熱影響區比較。激光熔覆技術具有結合部位浸潤性好、結合強度高，易于實現自動化控制等特點，并且激光熔覆的熱影響區遠小于氬弧焊的熱影響區(圖9所示)，對基體材料影響更小[40-42]。激光熔覆層與基體的結合強度不低于原基體材料強度的90%，熔覆之后的零件性能與新件的性能較為接近。近年來，激光熔覆技術已逐漸活躍在再制造加工中[43-47]。

圖8 激光熔覆技術原理

圖9 激光熔覆與氬弧焊的熱影響區比較

激光熔覆技術可以針對零部件的局部損傷進行修復，現已成功應用在整體滲氮齒輪泵軸軸頸的修復上，且其裝回之后運行平穩[48]；用在螺桿壓縮機修復上，修復后的配件熔覆層與基體界面達到了冶金結合，熔覆層未發現微裂紋、氣孔、夾雜等缺陷[49]；用在進口SO2風機齒輪軸的修復上，修復后的齒輪軸經一段時間使用，其振動值及其他各項指標與損傷前基本相同，達到了預期修復效果[50]。

激光熔覆技術自被引進到再制造領域以來，憑借強力、無需接觸、能源環保的絕對優勢，解決了許多傳統方法無法解決的加工難題，在降低制造企業維修費用，提高設備快速修復能力，保障生產力等方面起到了重要作用。

3 再制造技術總結及展望

再制造技術起源于國外，近年來隨著國內制造業不斷發展進步，這項技術越來越被重視，相關研究也日益豐富起來。再制造技術在工業領域，尤其是尖端制造領域，如航空航天領域逐漸顯露出其優越性。

本文介紹了一些融合特種加工技術的再制造技術，特種加工技術在再制造領域的應用使得許多不可能變成了可能。傳統加工的方法與思維得到改變，眾多成功應用案例為再制造技術發展指明了方向。

但也應該認識到，部分行業所需的關鍵零部件(如航空發動機的燃燒室噴油環等)因生產技術尚未突破國外壟斷，部件的損傷機理、容限等修復性研究案例過少，導致其再制造的相關經驗及基礎研究嚴重不足[51]。同時，許多特種加工技術因其設備軟件及核心硬件的制造技術被國外嚴密壟斷并封鎖，我國尚不具備自主制造能力，使再制造領域的許多方面還落后于西方發達國家。因此，未來的發展方向可從以下幾方面重點突破：

(1)再制造技術高端原料及器件的生產，如大功率激光發射器的激光頭等核心硬件的制造。

(2)再制造技術所需軟件的國產化開發。

(3)防止再制造產生缺陷的再制造技術工藝流程優化。

(4)完善再制造相關技術標準，大力推廣再制造產業。