機(jī)械裝備再制造的重點(diǎn)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究綜述

張洪潮 李明政 劉偉嵬 原應(yīng)春

大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，大連，116024

0 引言

研究再制造的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)再制造核心技術(shù)的源頭創(chuàng)新，契合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的迫切需求，符合國(guó)家的重大戰(zhàn)略目標(biāo)。國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)“機(jī)械裝備再制造的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題”項(xiàng)目以具有高附加值的大型機(jī)械裝備，如大型壓縮機(jī)的核心部件為主要研究對(duì)象，深入研究再制造的重大關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，建立起再制造的理論體系。

項(xiàng)目圍繞再制造對(duì)象跨尺度損傷演變規(guī)律及可再制造性評(píng)價(jià)理論，再制造毛坯的鍵離/鍵合形狀、性能調(diào)控基礎(chǔ)，再制造產(chǎn)品的服役安全與再制造過(guò)程的綜合決策3個(gè)科學(xué)問(wèn)題開展以下6個(gè)課題的研究：①再制造對(duì)象的多強(qiáng)場(chǎng)、跨尺度損傷行為與機(jī)理,可再制造的臨界閾值；②再制造毛坯的鍵離/解離原理與性能調(diào)控；③再制造毛坯的鍵合/嵌合機(jī)理與實(shí)現(xiàn)；④再制造零件的表面/界面行為與機(jī)理；⑤再制造零件的壽命預(yù)測(cè)與再制造產(chǎn)品的服役安全驗(yàn)證；⑥再制造過(guò)程的決策支持與綜合評(píng)價(jià)理論。

通過(guò)本項(xiàng)目五年的研究，在再制造基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)方面取得了源頭創(chuàng)新成果，突破了制約再制造產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的基礎(chǔ)理論瓶頸，推動(dòng)了我國(guó)再制造產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。

1 再制造對(duì)象損傷機(jī)理與可再制造閾值

針對(duì)企業(yè)急需的技術(shù)，首次獲得葉輪部件材料FV520B和KMN的超高周S-N曲線[1]，為舊葉輪壽命的估算、甄別以及再制造臨界閾值的提出和新葉輪的設(shè)計(jì)奠定了明確的材料數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。采用球形空腔邊緣的圓周裂紋來(lái)逼近高強(qiáng)鋼內(nèi)部夾雜物處萌生的超高周疲勞裂紋，并將裂紋的起裂作為臨界條件，對(duì)廣泛用于高強(qiáng)鋼超高周疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)的Murakami模型進(jìn)行修正，建立了一種反映內(nèi)部夾雜物起裂特征的超高周疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型——球形空腔圓周裂紋模型，表達(dá)式為

(1)

式中，HV為維氏硬度 ，kgf/mm2(1 kgf/mm2=9.8 MPa)；a為夾雜物半徑，μm；σw為疲勞強(qiáng)度，MPa。

對(duì)主要從表面萌生疲勞裂紋的KMN材料，研究了表面缺陷對(duì)葉輪材料疲勞強(qiáng)度的影響。引入斷裂力學(xué)的思想，假設(shè)試樣有效試驗(yàn)段內(nèi)含有一條深度為Rz的表面裂紋，并以該裂紋的起裂為臨界條件，對(duì)Murakami疲勞強(qiáng)度模型進(jìn)行修正，表達(dá)式為

(2)

超高周疲勞壽命主要消耗在粒狀高面區(qū)(GBF)的形成上，而由于FV520B-I的超高周疲勞裂紋幾乎全部為內(nèi)部夾雜物起裂，因此在假設(shè)內(nèi)部夾雜物為球形空腔的前提下，嘗試通過(guò)球形空腔處腐蝕疲勞裂紋萌生壽命來(lái)預(yù)測(cè)FV520B-I超高周疲勞壽命，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。相較于基于GBF區(qū)內(nèi)疲勞裂紋擴(kuò)展的預(yù)測(cè)結(jié)果，所提新模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)符合更好(圖1)，間接證明了通過(guò)腐蝕疲勞裂紋萌生壽命對(duì)超高周疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)的可行性。由于該模型最終反映的僅是應(yīng)力與超高周疲勞壽命的關(guān)系，因此應(yīng)力判斷可能是影響超高周疲勞壽命的最主要因素。

圖1 腐蝕疲勞萌生壽命模型預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig.1 Comparisons of predictions and experiments of the corrosion fatigue initiation model

獲得了試樣尺寸、表面粗糙度、焊接對(duì)FV520B超高周疲勞行為與機(jī)理的影響規(guī)律；揭示了粗糙度誘發(fā)的表面起裂與材料內(nèi)部缺陷起裂的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，為后續(xù)可再制造臨界閾值的判定提供了參考[2]。

首次研究了FV520B母材及焊接接頭在天然氣環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕行為和機(jī)理，獲得了材料的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)與環(huán)境參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式。獲得了高溫、高壓H2S/CO2環(huán)境中FV520B的臨界應(yīng)力腐蝕強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展速率并總結(jié)了不同狀態(tài)下裂紋擴(kuò)展速率的規(guī)律[3]。通過(guò)空分壓縮機(jī)二級(jí)葉輪流場(chǎng)建模仿真，確定了實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并基于可變形部件模型(DPM)研究了壓縮機(jī)葉輪沖蝕磨損規(guī)律[4]。根據(jù)變形磨損理論(總磨損量為變形磨損量和切削磨損量)，得到?jīng)_蝕率ε和沖蝕深度Yd表達(dá)式[5]：

(3)

(4)

式中，ρp為材料密度；α為充實(shí)角度；εc為臨界應(yīng)變；V為磨損量；dp為沖蝕顆粒直徑；S為沖蝕面積；g為重力加速度；ρ為實(shí)驗(yàn)材料密度；T為沖蝕溫度；Pt為沖蝕壓力；b、c為相關(guān)參數(shù)。

基于疲勞競(jìng)爭(zhēng)理論[6]提出疲勞損傷臨界閾值的定義，明確可再制造條件。建立針對(duì)FV520B-I的超高周疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，結(jié)合疲勞競(jìng)爭(zhēng)分析，確定引起疲勞失效的主要原因以及相應(yīng)的壽命預(yù)測(cè)模型[7]。

2 毛坯的鍵離/解離原理及性能調(diào)控

2.1 過(guò)盈配合拆解問(wèn)題研究

以長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的主軸與葉輪間的大過(guò)盈配合為研究對(duì)象，建立了如下溫差拆解松動(dòng)量模型[8]：

Δ(y)=G(y)-F(y)

(5)

式中，G(y) 為孔的徑向膨脹量沿軸向的分布曲線；F(y)為軸的徑向膨脹量沿軸向的分布曲線，其具體表達(dá)式及計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[8]。

根據(jù)該模型研究最優(yōu)的拆解操作參數(shù)并完成了相應(yīng)的熱力耦合分析[9]。界面拆解損傷與真實(shí)接觸面積密切相關(guān)，運(yùn)用分形理論，對(duì)過(guò)盈配合界面進(jìn)行微觀接觸分析，將真實(shí)接觸面積作為界面損傷的替代量，在界面接觸載荷、材料屬性、界面微觀結(jié)構(gòu)與真實(shí)接觸面積間建立了通用模型。通過(guò)過(guò)盈配合拆解模擬試驗(yàn)，從材料配對(duì)、加工紋理、界面污染物這三個(gè)損傷影響因素出發(fā)，對(duì)界面拆解損傷與拆解界面載荷間的關(guān)系進(jìn)行了量化描述。

2.2 再制造毛坯的綠色清洗

利用傅里葉變換紅外光譜、掃描電子顯微鏡、能量色散X射線光譜技術(shù)，分析了再制造毛坯表面污垢物化特性及形貌特征，計(jì)算并總結(jié)了毛坯表面污染物黏附力的演變規(guī)律，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)表面污染物的分布模型，提出了一種先弱化毛細(xì)力、再去除殘余黏附力的綠色清洗路線并搭建了基于超臨界CO2流體前處理的綠色清洗試驗(yàn)平臺(tái)[10]。

利用分子動(dòng)力學(xué)仿真方法及應(yīng)力波的生成傳播，與試驗(yàn)相結(jié)合分析綠色復(fù)合解離過(guò)程操作參數(shù)的作用規(guī)律及污染物的形貌演變，確定了解離效果最佳的操作參數(shù)區(qū)間，并利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiment，DoE)方法對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行多因素研究[11]。針對(duì)真實(shí)毛坯件常見的兩種污染物進(jìn)行復(fù)合綠色解離方法與傳統(tǒng)方法清洗效果對(duì)比(圖2)，超臨界CO2流體前處理使污染層變得蓬松，減弱其結(jié)合力，綠色復(fù)合解離方法對(duì)毛坯的損傷更小，能夠保留更多原始制造過(guò)程中所賦予的附加價(jià)值[12]。

(a)光學(xué)顯微鏡下的污染物形貌

(b)超景深顯微鏡顯示下的污染物形貌圖2 綠色清洗前處理效果圖Fig.2 The effect of pre-treatment

2.3 變性層的去除

以長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)葉輪為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境制備變性層，研究了CH4-H2S、CO2-H2S-H2O兩種氣氛下的變性層形貌、成分與演化過(guò)程，明確了變性層的生成演化機(jī)理[13]；進(jìn)行了含變性層的等離子噴焊實(shí)驗(yàn)研究，分析了噴焊層缺陷的尺寸、數(shù)量、成分、硬度，進(jìn)行了焊接試樣的拉伸實(shí)驗(yàn)，闡述了變性層對(duì)等離子噴焊的排斥機(jī)制；通過(guò)元素掃描與劃痕實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了變性層對(duì)超音速等離子噴涂層的排斥研究；變性層的存在會(huì)大幅降低噴涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，若采用“激光去除+表面凹坑織構(gòu)激光微加工”預(yù)處理手段后再噴涂，則與傳統(tǒng)經(jīng)噴砂毛化處理的無(wú)變性層噴涂試樣的結(jié)合強(qiáng)度相當(dāng)；研究了變性層的低溫等離子去除方法，該方法能利用變性層與基體材料的電子逸出功差異，自動(dòng)選擇在變性層部位優(yōu)先形成等離子弧斑，去除變性層[14]；從能量角度出發(fā)，對(duì)變性層的低溫等離子去除機(jī)理進(jìn)行了闡述；研究了變性層的納秒激光去除方法，確定了變性層外層、內(nèi)層的去除能量密度閾值以及基體材料的損傷閾值。

2.4 再制造毛坯的裂紋止裂與愈合

基于復(fù)變函數(shù)理論和電場(chǎng)分析邊界條件，分析了含有貫穿橢圓切口的無(wú)限大薄板內(nèi)電流密度、溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)，仿照裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子概念，引入了電流密度因子、焦耳熱源功率強(qiáng)度因子、熱流密度因子和熱應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)描述裂紋尖端電、熱、應(yīng)力場(chǎng)，為一般形式裂紋的脈沖電流止裂研究奠定理論基礎(chǔ)[15]；基于電容器儲(chǔ)能脈沖電流發(fā)生技術(shù)，自行設(shè)計(jì)搭建了適用于裂紋止裂、愈合的強(qiáng)脈沖電流試驗(yàn)裝置；利用高能脈沖電流技術(shù)處理寬隙裂紋，研究了材料種類、試樣尺寸和工藝參數(shù)對(duì)裂紋尖端宏觀形貌、微觀組織和力學(xué)性能的作用規(guī)律，獲得了止裂效果最佳的熔化區(qū)尺寸區(qū)間，并揭示了基于脈沖電流寬隙裂紋的止裂機(jī)制[16]；采用鉆孔壓縮法預(yù)制內(nèi)部微裂紋，探索了脈沖電流用于裂紋愈合的可行性，分析了工藝參數(shù)和脈沖電流處理次數(shù)對(duì)裂紋愈合效果的作用規(guī)律，并從能量的角度探討脈沖電流作用對(duì)微裂紋愈合的機(jī)理；利用“三點(diǎn)彎曲-保壓”的方法預(yù)制深層裂紋損傷試樣，并利用脈沖電流與激光復(fù)合處理的方法對(duì)其愈合效果進(jìn)行了研究[17]。脈沖電流多次放電的愈合原理見圖3。對(duì)試樣首次施加脈沖電流處理時(shí)，脈沖電流因無(wú)法順利穿過(guò)裂紋面會(huì)匯聚在裂紋尖端(繞流效應(yīng))，電流密度在裂尖處達(dá)到極高的水平，同時(shí)裂尖處存在大量的位錯(cuò)、空位等缺陷使得電阻率增加，在焦耳熱效應(yīng)作用下，裂尖處的溫升會(huì)超過(guò)材料的熔點(diǎn)。

圖3 電脈沖處理后的電子背散射衍射歐拉分布Fig.3 EBSD Euler distributions after electropulsing treatment

3 再制造毛坯的鍵合/嵌合機(jī)理與實(shí)現(xiàn)

3.1 異質(zhì)材料間的原子鍵合成形及控性

在熱作用下的溫度循環(huán)歷程中，復(fù)雜成分異質(zhì)熔體混合，發(fā)生元素冶金反應(yīng)、原子擴(kuò)散和互溶以及固態(tài)相變，晶胞結(jié)構(gòu)演化，形成化學(xué)鍵作用的“鍵合”成形。重點(diǎn)研究了激光增材再制造的鍵合機(jī)理與實(shí)現(xiàn)，探明了激光再制造“鍵合”機(jī)制，掌握了鋼鐵件鍵合成形再制造的缺陷和應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，以及熱作用下組織和性能演化行為。在再制造材料研究、應(yīng)力應(yīng)變控制、缺陷和性能控制、工藝方法研究等方面獲得了以下突破。

(1)再制造材料研究：研發(fā)出了灰鑄鐵缸蓋激光再制造適用的新型材料；研制了適用于FV520B再制造需要的電弧堆焊絲材及激光熔覆和等離子熔覆粉體材料等專用材料。

(2)應(yīng)力應(yīng)變控制:創(chuàng)新性考慮FV520B馬氏體相變對(duì)應(yīng)力的影響，建立熱-機(jī)-組織耦合的有限元模型，實(shí)現(xiàn)激光再制造成形應(yīng)力高精度計(jì)算和調(diào)控[18];建立了激光再制造成形溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)映射關(guān)系，為應(yīng)力應(yīng)變調(diào)控提供了理論指導(dǎo)；基于以上內(nèi)容，明確了模擬葉片激光增材再制造形變規(guī)律，建立了薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)葉輪葉片激光再制造控形方法，實(shí)施過(guò)程實(shí)現(xiàn)了量化控制。

(3)缺陷和性能控制：探明了灰鑄鐵激光再制造結(jié)合區(qū)域缺陷規(guī)律和形成機(jī)制，解決了熔合區(qū)白口、裂紋、氣孔、翹曲、變形等技術(shù)難題[19]；掌握了激光熔覆成形金屬的物性、組織特征，闡明了其強(qiáng)化機(jī)制(細(xì)晶強(qiáng)化、馬氏體強(qiáng)化和析出強(qiáng)化)，并在強(qiáng)碳化物形成元素Nb、Mo基礎(chǔ)上，添加稀土及適量Mn作為形核劑，使得晶粒細(xì)化且組織致密，無(wú)明顯偏析、無(wú)共晶脆化相；創(chuàng)新研究掌握了激光再制造熱損傷規(guī)律，獲得熱損傷控制理論與方法，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)鋼件的高性能激光再制造。

(4)工藝方法研究：研究建立了灰鑄鐵缸蓋激光再制造工藝和實(shí)施方法。構(gòu)建的激光再制造系統(tǒng)見圖4，缸蓋樣件再制造效果見圖5。

圖4 全固態(tài)激光再制造系統(tǒng)Fig.4 Solid state laser remanufacturing system

圖5 缸蓋樣件再制造過(guò)程Fig.5 Remanufacturing of a cylinder head sample

經(jīng)過(guò)以上研究，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)灰鑄鐵缸蓋激光增材再制造，并通過(guò)了一汽無(wú)錫大豪動(dòng)力有限公司的質(zhì)量檢測(cè)；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)高韌復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)鐵基零件——壓縮機(jī)葉輪再制造，并通過(guò)了相控陣超聲、著色等無(wú)損檢測(cè)，動(dòng)平衡臺(tái)架試驗(yàn)、超轉(zhuǎn)臺(tái)架考核驗(yàn)證等。

培訓(xùn)方式是工科新教師培訓(xùn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的“橋”與“船”。培訓(xùn)內(nèi)容不同，培訓(xùn)方式各異。不同的培訓(xùn)方式，培訓(xùn)效果各不相同。

3.2 機(jī)械嵌合成形及控性理論與方法

“嵌合成形”是在“熱能+動(dòng)能”作用下，由原子微擴(kuò)散、嚙合而形成的嵌合結(jié)合。針對(duì)重載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件——缸體、曲軸、連桿等再制造需求，研究了高速電弧噴涂技術(shù)、等離子噴涂技術(shù)和納米電刷鍍技術(shù)。

(1)噴涂沉積再制造嵌合成形理論與技術(shù)。探明了噴涂金屬沉積層的“涂層/基體嵌合結(jié)合”和“層間嵌合成形”特征和機(jī)理，掌握了噴涂層成形過(guò)程及其質(zhì)量影響因素；研制出高速電弧噴涂專用材料，建立了曲軸噴涂再制造工藝，獲得了嵌合結(jié)合良好、組織致密的噴涂層；研制出曲軸自動(dòng)化高速電弧噴涂再制造技術(shù)及設(shè)備系統(tǒng)，再制造曲軸通過(guò)了疲勞測(cè)試和臺(tái)架考核。

(2)納米復(fù)合電沉積鍍層嵌合成形理論與技術(shù)。闡明了納米顆粒在金屬鹽溶液和鍍層中的存在行為,以及納米顆粒與金屬離子共沉積機(jī)制及其對(duì)金屬離子電化學(xué)結(jié)晶行為影響；研發(fā)了重載發(fā)動(dòng)機(jī)連桿納米電刷鍍專用設(shè)備、納米復(fù)合鍍液和工藝，再制造了多套連桿，質(zhì)量檢驗(yàn)合格，并通過(guò)了200 h臺(tái)架考核試驗(yàn)；研制出自動(dòng)化納米電刷鍍技術(shù)及再制造生產(chǎn)專機(jī)，并應(yīng)用在濟(jì)南復(fù)強(qiáng)動(dòng)力公司等多家企業(yè)。

3.3 非光滑表面精密低應(yīng)力加工理論與方法

闡明了熔覆層材料切削加工特性和材料去除機(jī)理，提出了基于銑削應(yīng)力與激光熔覆應(yīng)力耦合的再制造成形層應(yīng)力主動(dòng)控制方法和球形陰極低應(yīng)力電解加工方法，建立了電流與涂層材料去除率之間的關(guān)系，掌握了電流強(qiáng)度等加工參數(shù)對(duì)加工精度的影響，研制出四軸數(shù)控電解加工機(jī)床，見圖6。采用球形陰極及其運(yùn)動(dòng)軌跡控制，實(shí)現(xiàn)了熔覆層復(fù)雜曲面高精度低應(yīng)力電解加工。

圖6 四軸數(shù)控電解加工機(jī)床Fig.6 The four-axis CNC electrochemical machining tool

研發(fā)了多種再制造技術(shù)、專用材料及工藝設(shè)備系統(tǒng)，解決發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件再制造技術(shù)難題，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展；突破高強(qiáng)鋼激光再制造熱損傷控制、應(yīng)力應(yīng)變控制和再制造涂層低應(yīng)力精密加工等理論和技術(shù)難題。激光再制造等技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，將可以進(jìn)一步解決冶金、石化、礦采、武器等國(guó)家重大工程裝備再制造難題。

4 再制造零件的表界面行為與機(jī)理

由于再制造零件的成形層工藝的特殊性，導(dǎo)致大多數(shù)再制造成形層為亞穩(wěn)態(tài)，因此關(guān)于再制造零件表界面行為的研究，可認(rèn)為是對(duì)再制造前后表層材料特征的針對(duì)性研究。

該研究采用原子尺度第一性原理計(jì)算、微觀尺度的透射電子顯微鏡原位拉伸試驗(yàn)觀察等方式，從微觀尺度揭示了典型涂層的結(jié)構(gòu)特征研究，明確典型亞穩(wěn)涂層的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及主要失穩(wěn)形式，建立涂層結(jié)構(gòu)及能量狀態(tài)的模型[20]，明確涂層狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的關(guān)鍵可測(cè)量特征參量[21]。該內(nèi)容的開展對(duì)揭示復(fù)雜亞穩(wěn)涂層的微觀失效機(jī)制、明確多元涂層的高性能設(shè)計(jì)原則及亞穩(wěn)涂層的科學(xué)應(yīng)用具有重要的意義。

在再制造零件表界面強(qiáng)度的形成機(jī)理方面，溫度特征、垂直方向組織與性能變化、界面強(qiáng)度及失效機(jī)理的映射關(guān)系，是揭示界面性能形成的關(guān)鍵，需要建立完整的研究流程。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)葉輪材料這種高強(qiáng)鋼的界面演變研究還比較分散，沒(méi)有形成系統(tǒng)的成果。開展了熔覆溫度三維分布測(cè)量、馬氏體時(shí)效鋼逆變奧氏體轉(zhuǎn)變、垂直界面方向的組織演變等研究(圖7)[22]，解釋了界面強(qiáng)度形成機(jī)理，進(jìn)而提出界面性能優(yōu)化的思路與方法，形成了溫度-組織-性能-失效-優(yōu)化等完整研究體系[23]。該研究為再制造微觀尺度理論分析、工藝定量表征建模等提供了的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

圖7 堆積層板條狀馬氏體組織Fig.7 Lath-shaped martensitic structure of cladding layers

葉輪再制造過(guò)程中，修復(fù)層與基體間形成的界面微觀形態(tài)復(fù)雜，且直接影響再制造后服役性能。針對(duì)葉輪激光熱絲熔覆再制造過(guò)程的界面問(wèn)題展開研究，深入分析激光快速循環(huán)溫變下界面(包括熔覆層、基體-熔覆層分界面、熱影響區(qū)等)范圍微觀組織的變化規(guī)律與形成機(jī)理，并提出一種拉應(yīng)力作用下強(qiáng)結(jié)合界面力學(xué)性能測(cè)試方法[24]，對(duì)葉片材料再制造修復(fù)后的界面微觀組織與力學(xué)性能進(jìn)行全面表征。

再制造過(guò)程的數(shù)字化建模與定量表征是提升再制造工藝精確性的重要手段，熔池內(nèi)微流動(dòng)導(dǎo)致熔池形狀、溫度與元素分布出現(xiàn)顯著變化，大體積熔覆存在材料反復(fù)加熱、應(yīng)力變形嚴(yán)重、開裂等等問(wèn)題，且熔覆過(guò)程質(zhì)量需定量評(píng)價(jià)，這些問(wèn)題亟需數(shù)字化、定量化的手段進(jìn)行精確分析。針對(duì)上述問(wèn)題，研究了表面張力變化與氣液自由表面，建立了Marangoni流動(dòng)驅(qū)動(dòng)的熔池微流動(dòng)模型[25]，自主開發(fā)了高效算法進(jìn)行大體積堆積過(guò)程的溫度-應(yīng)力-變形耦合分析，并提出“體積缺陷率”的定義，準(zhǔn)確描述了頂絲過(guò)渡、熔斷過(guò)渡及穩(wěn)定過(guò)渡的幾何特征[26]，利用上述數(shù)字化模型與方法，給出實(shí)現(xiàn)熱絲穩(wěn)定過(guò)渡的工藝窗口，為實(shí)際工藝提供定量指導(dǎo)。

在摩擦自修復(fù)領(lǐng)域，在對(duì)滑動(dòng)軸承自修復(fù)膜形成過(guò)程的研究中首次提出不靠基體可以生長(zhǎng)的自修復(fù)膜應(yīng)為無(wú)機(jī)膜這一理論[27]。

5 再制造零件的壽命預(yù)測(cè)與服役安全驗(yàn)證

在準(zhǔn)確甄別廢舊產(chǎn)品能否再制造并完成再制造修復(fù)之后，必須重點(diǎn)研究再制造零件的壽命預(yù)測(cè)與再制造產(chǎn)品的服役安全驗(yàn)證，以確保再制造機(jī)械裝備的服役安全性和可靠性。

對(duì)于再制造壓縮機(jī)葉輪的壽命，分別從材料、葉片、葉輪三個(gè)層次的疲勞壽命進(jìn)行研究。在材料層面，通過(guò)葉片材料FV520B和KMN基材與再制造試塊的高周和超高周疲勞失效行為及壽命的研究發(fā)現(xiàn)[28]，材料同時(shí)承受拉壓疲勞和彎曲疲勞，特別時(shí)存在著彎曲微動(dòng)疲勞，基于位錯(cuò)理論建立的材料疲勞壽命預(yù)測(cè)模型精度最高，更符合實(shí)際的情況?？焖兕A(yù)測(cè)再制造后的疲勞極限意義重大，可以采用紅外熱像法、聲發(fā)射法和基于應(yīng)變?cè)隽糠ǖ确椒▉?lái)快速預(yù)測(cè)[29]。

在葉片層面，對(duì)再制造修復(fù)后的葉片進(jìn)行有限元建模仿真，得到有效的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)，葉片與蓋板鏈接處存在應(yīng)力集中，針對(duì)該危險(xiǎn)區(qū)存在的離心力和兩種扭矩，將該區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化建立有限元模型，并采用一種綜合試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)研究葉片的疲勞失效行為和壽命[30]，平臺(tái)見圖8。在此基礎(chǔ)上，得到了基于修正后Mises屈服理論的激光熔覆葉片的多主軸等效應(yīng)變疲勞壽命模型：

圖8 危險(xiǎn)區(qū)域簡(jiǎn)化模型和綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Schematic for dangerous areas and experiment rig

(6)

結(jié)果證明，在平均應(yīng)力為760 MPa下，基體葉片和再制造葉片在應(yīng)力幅值為50 MPa和30 MPa時(shí)，疲勞壽命達(dá)到了107周次。

在葉輪層面，根據(jù)再制造葉輪與新品葉輪之間的差異性，使用三維建模和基于拓?fù)涞挠邢拊７椒▉?lái)建立再制造葉輪服役壽命特征模型[31]，模擬獲得區(qū)別于新品的再制造葉輪修復(fù)區(qū)殘余應(yīng)力、裝配應(yīng)力等特征，以及服役特征載荷分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，基于模糊理論建立疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，并對(duì)再制造葉輪安全服役壽命進(jìn)行評(píng)估，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差在10%以內(nèi)。

為了對(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證激光熔覆再制造后葉輪的服役安全性，必須進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)驗(yàn)證和臺(tái)架考核。根據(jù)ISO5406低速動(dòng)平衡試驗(yàn)方法對(duì)再制造特征葉輪進(jìn)行了動(dòng)平衡測(cè)試[32]，證明了再制造葉輪動(dòng)平衡性能優(yōu)良，滿足要求。

對(duì)于再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命預(yù)測(cè)，分別從材料、曲軸、發(fā)動(dòng)機(jī)三個(gè)層面疲勞壽命進(jìn)行研究，其主要的疲勞失效形式是接觸疲勞，因此主要針對(duì)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)涂層結(jié)構(gòu)完整性、負(fù)載條件以及磨損、接觸疲勞壽命進(jìn)行研究，然后進(jìn)行服役安全驗(yàn)證[33-34]。

6 再制造過(guò)程的決策支持與綜合評(píng)價(jià)

對(duì)再制造技術(shù)與產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響進(jìn)行了研究，利用生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法，分別對(duì)新型與成熟清洗技術(shù)、4種典型修復(fù)技術(shù)進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)分析與比較性研究[35]；綜合采用過(guò)程LCA、投入產(chǎn)出LCA和混合清單LCA，分別以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，對(duì)它們的原始制造和再制造的環(huán)境影響進(jìn)行了定量分析與評(píng)估。

對(duì)再制造企業(yè)質(zhì)量控制與成本-收益決策模型與方法進(jìn)行了研究。以再制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)再制造裝配不確定性“界定、測(cè)度、優(yōu)化”機(jī)理進(jìn)行了研究[36-37]，建立了再制造裝配過(guò)程中的在線質(zhì)量控制理論模型[38]，設(shè)計(jì)和開發(fā)了再制造發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量控制平臺(tái)。

對(duì)再制造產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)再制造產(chǎn)品供應(yīng)鏈、再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析及再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展障礙因素的識(shí)別[39]，基于博弈論、投入產(chǎn)出法、決策試驗(yàn)和評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室方法、多元統(tǒng)計(jì)分析等基礎(chǔ)理論分析[40]，建立相關(guān)模型，分別評(píng)價(jià)了機(jī)電產(chǎn)品再制造產(chǎn)業(yè)對(duì)宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境的影響及其他產(chǎn)業(yè)的關(guān)聯(lián)影響，為中國(guó)再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供決策支持。

對(duì)主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)選擇與設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)進(jìn)行了研究?；贚CA及生命周期成本(LCC)分析，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)生命周期中的不確定因素，從環(huán)境與技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度，建立了再制造最佳時(shí)機(jī)選擇模型，獲取了發(fā)動(dòng)機(jī)再制造最佳時(shí)機(jī)點(diǎn)及其分布規(guī)律；基于發(fā)動(dòng)機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的“設(shè)計(jì)-損傷-服役特性”映射規(guī)律，以能耗為目標(biāo)，結(jié)合再制造技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法，提出了產(chǎn)品主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的選擇方法；針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零部件，結(jié)合其疲勞壽命分析及其壽命與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的耦合關(guān)系，提出了產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的壽命匹配方法。

7 結(jié)論

隨著越來(lái)越多的再制造機(jī)械裝備進(jìn)入服役周期，促進(jìn)了對(duì)其基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的研究，使得機(jī)械裝備再制造研究走向機(jī)電集成化、計(jì)算機(jī)仿真化、跨學(xué)科化和全生命周期化，形成了專門應(yīng)用于機(jī)械裝備再制造的理論與方法。 該項(xiàng)目圍繞機(jī)械裝備再制造過(guò)程中確定能否再制造、再制造的預(yù)處理工藝技術(shù)、再制造工藝技術(shù)、再制造零件的(表面)工藝特性表征、再制造產(chǎn)品的服役安全驗(yàn)證、再制造產(chǎn)業(yè)的全生命周期評(píng)價(jià)模型等技術(shù)問(wèn)題，對(duì)再制造毛坯的損傷容限與臨界閾值、綠色清洗、微裂紋止裂愈合、熔覆與成形、表/界面結(jié)構(gòu)、壽命預(yù)測(cè)與服役安全、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)與主動(dòng)再制造等六方面的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了探討和研究。目前，隨著增材制造、特種材料、智能加工、無(wú)損檢測(cè)等綠色基礎(chǔ)共性技術(shù)在再制造領(lǐng)域的應(yīng)用，推進(jìn)了高端智能再制造關(guān)鍵工藝技術(shù)裝備研發(fā)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化推廣，推動(dòng)了形成再制造生產(chǎn)與新品設(shè)計(jì)制造間的有效反哺互動(dòng)機(jī)制，逐步完善了產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展體系，加強(qiáng)了標(biāo)準(zhǔn)研制和評(píng)價(jià)機(jī)制建設(shè)，促進(jìn)了再制造產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大。展望未來(lái)，新材料、新工藝、新技術(shù)以及人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)也必將重塑機(jī)械裝備高端智能再制造行業(yè)的新格局。