內(nèi)燃機(jī)增材再制造修復(fù)技術(shù)綜述

作者：李方義  李振  王黎明  李劍峰  李燕樂  鹿海洋  商建通
山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，濟(jì)南,250061

激光熔覆技術(shù)
激光熔覆技術(shù)是指將熔覆材料在高能密度激光束作用下,，使其在基體表面迅速加熱并熔化，激光束移開后自激冷卻而形成修復(fù)層的技術(shù),，按其送粉方式的不同,，可分為同軸送粉式與預(yù)置式。激光熔覆因具有冷卻速度快,，熔覆層與基體呈冶金結(jié)合,，熔覆粉末選擇范圍廣（Fe基、Co基,、金屬陶瓷材料等）且熔覆層厚度范圍大等優(yōu)點(diǎn),，被用于重載、大尺寸損傷件的再制造修復(fù),。

合理的激光熔覆路徑及工藝參數(shù)可有效減少修復(fù)層內(nèi)部的氣孔,、裂紋等缺陷，提高表面平整度,。

圖1曲軸軸頸再制造修復(fù)圖

圖2灰鑄鐵缸蓋再制造修復(fù)圖

高性能的熔覆材料是提升再制造產(chǎn)品性能的關(guān)鍵,。目前通過研發(fā)自熔性合金粉末、高熵合金粉末,、復(fù)合材料粉末和陶瓷粉末不僅擴(kuò)大了激光熔覆的應(yīng)用范圍,，同時(shí)提升了再制造產(chǎn)品的性能。

新型冷焊技術(shù)
新型冷焊技術(shù)作為一種金屬表面修復(fù)技術(shù),，工作時(shí)采用斷續(xù)的高能電脈沖,，在電極和工件之間形成瞬時(shí)電弧，使修補(bǔ)材料（片材,、粉末,、焊絲或電焊條等）與修復(fù)部位瞬時(shí)熔結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)工件表面的再制造修復(fù),。相比于傳統(tǒng)的焊修技術(shù),，新型冷焊修復(fù)由于放電時(shí)間與間隔時(shí)間相比十分短,，產(chǎn)生熱量少，且修復(fù)區(qū)域的熱量可通過零件快速傳遞到外界,，因此修復(fù)區(qū)域不會(huì)產(chǎn)生熱集聚,，可保持基體無(wú)熱變形且修復(fù)層性能優(yōu)良，按其工作原理可分為微脈沖電阻焊技術(shù),、仿激光焊接技術(shù),、氬氣保護(hù)式電火花修復(fù)技術(shù)，三種技術(shù)的異同點(diǎn)如表1所示,。

表1新型冷焊修復(fù)技術(shù)的異同點(diǎn)

圖3 HT250缸體再制造修復(fù)圖

熱噴涂技術(shù)
1等離子噴涂技術(shù)

等離子噴涂技術(shù)是利用等離子焰的熱能將引入的噴涂粉末加熱到熔融或半熔融狀態(tài),，并在等離子焰的作用下，使粉末高速撞擊到經(jīng)處理的基體表面而沉積形成涂層的技術(shù),，由于其等離子弧焰流溫度可達(dá)10 000 K以上,，因此可用于制備陶瓷基復(fù)合涂層，提升再制造零部件的抗磨損,、抗高溫等性能,。

目前，人們通過研制新材料,、新工藝（如激光前處理制備織構(gòu),、激光后處理重熔）及優(yōu)化參數(shù)開發(fā)出了真空等離子噴涂技術(shù)、電磁加速等離子噴涂技術(shù),、超音速等離子噴涂技術(shù),，提高了涂層的結(jié)合強(qiáng)度，減少了孔隙率與微裂紋,，提升了再制造產(chǎn)品的服役性能,。但目前對(duì)等離子噴涂技術(shù)多以性能研究為主，尚未實(shí)現(xiàn)再制造修復(fù)的形性一體化調(diào)控,，在如何進(jìn)行減材加工方面尚需研究,。

2電弧噴涂技術(shù)
電弧噴涂是以電弧為熱源，將融化的金屬絲用高速氣流霧化,，并高速噴射到工件表面形成涂層的一種熱噴涂方法,。相比于其他熱噴涂技術(shù)，電弧噴涂的熱效率可達(dá)60%,，涂層結(jié)合強(qiáng)度高,，生產(chǎn)成本低，被廣泛應(yīng)用于曲軸,、缸套等零件的再制造修復(fù)與性能提升中

圖4自動(dòng)化電弧噴涂機(jī)器人噴涂發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸

自動(dòng)化高速電弧噴涂技術(shù)與噴涂路徑的規(guī)劃,，提高了損傷曲軸的再制造修復(fù)效率；高性能的非晶、高熵,、納米等新材料的研發(fā),，提高了修復(fù)層的性能，并降低了曲軸修復(fù)的成本,，但如何提升噴涂材料利用率,，改善噴涂環(huán)境，提高其智能化,、現(xiàn)場(chǎng)化水平,，開發(fā)新型體系化噴涂材料仍是電弧噴涂修復(fù)的研究重點(diǎn)。

電刷鍍技術(shù)
激光熔覆,、熱噴涂等增材修復(fù)技術(shù)由于設(shè)備及工作原理的局限而不適用于內(nèi)孔類零件（連桿大頭,、氣缸體內(nèi)壁）的再制造修復(fù)工作。連桿,、氣缸體作為內(nèi)燃機(jī)的核心零部件,，造價(jià)高昂，加工不便,，利用電刷鍍技術(shù)可實(shí)現(xiàn)上述零件的再制造修復(fù)并提高其性能,。電刷鍍技術(shù)是借助電化學(xué)方法，以浸滿鍍液的鍍筆為陽(yáng)極,，使金屬離子在陰極（工件）表面上放電結(jié)晶，形成金屬覆蓋層的工藝過程,，具有沉積速度快,、鍍層厚度可控、殘余應(yīng)力及變形小等特點(diǎn),。

自動(dòng)化電刷鍍?cè)O(shè)備的應(yīng)用,、新型納米鍍液的研發(fā)、電刷鍍工藝參數(shù)的優(yōu)化,，均可有效提高鍍層的性能與再制造修復(fù)效率,，但目前仍難以控制鍍層表面粗糙度及尺寸精度，需對(duì)修復(fù)件進(jìn)行珩磨后處理加工,，且電刷鍍液常呈酸性,，甚至帶有毒性，需對(duì)廢棄鍍液回收后處理,，增加了再制造成本,。如何實(shí)現(xiàn)鍍液的綠色化、修復(fù)層的精確化及開發(fā)新型納米晶合金電刷鍍,，建立電刷鍍激光熔覆等復(fù)合技術(shù)與裝備,，實(shí)現(xiàn)損傷部件的精準(zhǔn)免后處理修復(fù)，提高電刷鍍修復(fù)質(zhì)量與效率,，是今后研究的方向,。

總結(jié)與展望
下表總結(jié)了目前增材修復(fù)技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)零部件再制造修復(fù)方面的應(yīng)用情況,。

增材修復(fù)技術(shù)雖初步形成體系，但隨著其他技術(shù)的發(fā)展,，未來(lái)增材修復(fù)技術(shù)會(huì)朝著智能化,、復(fù)合化和現(xiàn)場(chǎng)化的方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)損傷零部件的尺寸恢復(fù)與性能提升,�,；�于以上綜述，對(duì)增材制造技術(shù)作以下展望,。

(1)智能化,。將人工智能的相關(guān)理論和技術(shù)融入到再制造領(lǐng)域中，輔助再制造過程的推理,、判斷和決策,，可有效提高再制造成形過程中的質(zhì)量與效率。開發(fā)基于人工智能的再制造知識(shí)系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同損傷零部件修復(fù)工藝與路徑的定制化選擇,；基于先進(jìn)的傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)修復(fù)過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),，保證修復(fù)層形貌的均勻穩(wěn)定,。

(2)復(fù)合化。增材修復(fù)精度較低,，難以滿足零部件表面形貌要求,，開發(fā)增材修復(fù)與銑削復(fù)合技術(shù)、非光滑表面的精密低應(yīng)力電解加工技術(shù)對(duì)提高零部件再制造效率,，降低企業(yè)成本具有重要意義,。開展多能場(chǎng)復(fù)合增材修復(fù)工藝，如：激光熔覆冷噴涂復(fù)合,，熱噴涂與電鍍復(fù)合,，增材修復(fù)技術(shù)與電磁場(chǎng)復(fù)合等，可有效提高修復(fù)效率,，提升修復(fù)層性能,。

（3）現(xiàn)場(chǎng)化。重型內(nèi)燃機(jī)（如海工裝備,、艦艇用內(nèi)燃機(jī)等）附加值高,，停機(jī)成本高昂，拆卸不便,，不適合離線再制造修復(fù),，同時(shí)相關(guān)增材系統(tǒng)復(fù)雜且便攜性差，限制了損傷零件的現(xiàn)場(chǎng)再制造修復(fù)。開發(fā)基于機(jī)器人的柔性現(xiàn)場(chǎng)增減材修復(fù)設(shè)備,，建立面向損傷區(qū)域的三維掃描與修復(fù)路徑規(guī)劃集成軟件,，是實(shí)現(xiàn)重型內(nèi)燃機(jī)現(xiàn)場(chǎng)再制造修復(fù)的有效方式。

作者：李方義  李振  王黎明  李劍峰  李燕樂  鹿海洋  商建通
山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，濟(jì)南,250061