苛刻环境下材料装备维修与再制造技术
2022-05-07
在高温、高湿、辐射等苛刻环境和高速、重载、冲击等极端工况条件下，装备零件腐蚀、磨损、断裂等各类失效问题更加严重。要恢复装备功能、性能，保持装备持续作业能力，必须开展装备维修与再制造技术研究。表界面是装备零件服役过程中承担工作载荷、接触苛刻环境的重要部位，零部件的腐蚀从浅表开始，磨损发生在表面，疲劳裂纹大多源于表层[82]。在破坏应力持续作用下，表界面的局部损伤又慢慢演变为整个零件失效，最终导致装备严重损坏甚至报废。因此，装备维修与再制造的关键在于对关键零件局部损伤表面的高质量修复、强化和防护[83-84]。
维修在装备全寿命周期中具有重要作用，通过维修恢复装备的使用性能、延长装备服役寿命，可产生显著的军事、经济效益[85]。
随着装备更新换代速度越来越快，大量淘汰的老旧装备造成了极大的资源浪费和环境污染，以节约资源能源和保护环境为准则、以实现废旧产品性能提升和寿命延长为目标、以先进技术和产业化生产为手段的高技术维修快速发展，再制造工程应运而生[86-87]。美、欧、日的再制造产业已日趋成熟，但国外的再制造从技术标准到生产工艺都完全依托于现有制造业体系，再制造模式以“换件修理法和尺寸修理法”为主，对于损伤较重的零件直接更换新件；对于损伤较轻的零件，则利用车、磨、镗等减材加工手段恢复零件配合精度，但会改变零件的设计尺寸。这种再制造模式的旧件利用率低、浪费大，还会造成再制造产品零部件的非标化[88]。
针对上述不足，中国自1999年正式提出基于维修工程和表面工程的自主创新的再制造模式，将“通过表面局部增材修复实现整体服役性能提升”作为再制造的主要技术途径。近20年的实践证明，中国的再制造虽然起步较晚，但特色鲜明、技术先进，具有更为优异的综合效益，特别是节能环保效益突出。当前，我国在再制造的基础理论和关键技术研究中已取得重要突破，再制造的学科和人才培养体系已基本完善。形成了以再制造毛坯损伤评估和再制造产品寿命预测为主体的基础理论，突破了再制造毛坯无损拆解和绿色清洗技术、复杂约束下局部增材成形和减材加工技术等关键技术，构建了再制造过程质量控制和产品质量保证的系列标准规范。特别是在发改委、工信部先后组织的汽车、工程机械、矿采机械、机床、船舶等多个领域再制造试点企业和再制造产业集聚区的示范带动和引领下，全国已形成湖南长沙、上海临港、重庆九龙工业园等8个再制造产业聚集区和示范基地，培育出年再制造2.5万台重载汽车发动机，年再制造1万台自动变速箱、年再制造1万台矿山机械等代表性企业。在高端装备再制造领域，航空发动机再制造已成为保障空军高强度实战化训练的重要途径，再制造的盾构机已在北京地铁建设中推广应用，再制造高端医疗器械也已经进入临床应用[89-90]。
我国的装备维修与再制造始终围绕装备关键 零件局部表面的损伤修复和防护、强化展开，并 将无损检测理论与技术、表面工程理论与技术和 寿命评估理论与技术等引入再制造，形成了旧件 剩余寿命评估、局部损伤增材修复、再制造产品 安全评价等完整的技术体系。
旧件剩余寿命评估是在对再制造毛坯进行全面的损伤检测的基础上，通过对磨损、腐蚀和疲劳裂纹扩展速率等的计算，实现再制造对象损伤程度的定量评估和剩余寿命预测。针对量大面广的铁磁特性再制造毛坯损伤检测难题，Dong等[91]开展了基于自发弱磁信号的铁磁性再制造毛坯隐性损伤检测技术研究，实现了以应力集中特征为参量的再制造毛坯隐性损伤识别与检测，极大提高了毛坯可再制造性的检测精度，已批量用于大型离心式压缩机叶轮、重载发动机再制造毛坯检测。再制造零件局部损伤增材修复是再制造的核心环节，存在新旧材料相容性差、空间遮蔽可达性差、缺少定位基准等多重限制。以发动机废旧缸体再制造为例，国外一直采用镗缸恢复表面精度的方法，不仅改变了原始设计尺寸、破坏配副零件互换性，可修复的次数也有限。王海斗等[92]研制了内孔旋转等离子喷涂技术，并解决了半封闭空间有限距离内喷涂热量累积、粉尘聚集等核心难题，目前已用于航空活塞发动机缸体，舰船柴油机缸体和石油装备泥浆泵缸体等内孔类零件的高质量再制造，平均寿命延长3倍。废旧零件经过表面增材修复再制造技术恢复原始尺寸的同时，也引入了复杂的表界面结构和微观缺陷。开展再制造产品寿命预测和服役状态监测是确保再制造产品安全完成下一轮服役的重要措施。Xing等[93]采用等离子喷涂技术在再制造零件表面制备兼具耐磨抗疲劳和压电传感功能的陶瓷涂层，克服了传统外置传感器不能接近承载界面、破坏构件完整性等不足，目前已在实验室条件下实现了再制造发动机曲轴、压缩机主轴等运行中磨损和疲劳状态的在线监测。
我国已成为全球制造大国，但是发展模式仍比较粗放，进一步发展面临能源、资源和环境的诸多压力。中国特色的装备维修与再制造始终以产品全寿命周期理论为指导，以恢复产品功能、提升装备性能为目标，以表面增材修复和性能强化为主要技术手段，以为经济和国防建设服务为主线，是延长装备使用寿命、提升装备服役性能、实现资源高效循环利用的最佳途径之一，具有显著的军民融合特色和突出的节能环保效益。
在政策支持、市场需求和社会责任等多因素推动和产、学、研、用各主体的共同努力下，装备维修与再制造的相关基础理论、技术标准、生产工艺和产业化推广均取得了显著成效。但我国的再制造产业尚处于起步阶段，从事高端装备再制造的大型企业数量较少，企业中推广应用绿色清洗、无损检测、表面增材、寿命评估等关键技术的范围还有限，涉及再制造旧件回收、质量检测和产品流通的政策法规尚需完善[94]。
在新时期，为推进我国装备维修和再制造工程的持续创新发展，以期为装备维修保障和经济、社会建设作出更大贡献，建议重点开展如下工作：
(1)重视基础科学研究的支撑和引领作用，为再制造技术创新提供不竭动力。深入开展再制造全流程的基础科学问题研究。例如再制造毛坯和产品剩余寿命精准预测理论与方法，再制造微纳涂层材料宏微观构性关系，缺损零件局部增材区域嵌合键合机制和应力分布规律等等。
(2)攻克高端智能装备再制造核心技术，进一步做大做强再制造产业。通过关键共性技术攻关，推动新一代信息技术、新生物学和再生学技术与现有再制造技术的深度融合，不仅实现再制造工艺过程及流程管理的信息化、智能化，还要赋予再制造产品结构健康智能管理能力，实现航空发动机、医疗影像设备等高端装备高质量再制造。
(3)实施在役装备现场、主动、升级再制造，促进装备战斗力再生、降低装备全寿命周期费用。在军事领域，面向未来一体化联合作战，需大力提升复杂武器装备现场(战场)快速再制造和精确伴随保障能力。在民用领域，面向制造业转型升级，通过对在役老旧机电装备主动再制造，改善其信息化、智能化和环保水平，提升服役性能、降低运维成本。
(4)着眼长远发展，全面协调推进技术创新、商业模式创新和人力资源贮备。坚持创新引领，坚持绿色发展，坚持生产-服务并重，进一步释放中国特色再制造模式的节能环保潜能，推动服务型再制造快速发展。坚持学科的龙头地位，将再制造学科建设和人才培养放在首要位置，既要培养能把握规划再制造发展方向的领军人才，也要培养具有大国工匠素养的产业工人。
