增材再制造技术特点及军工应用

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  1增材再制造技术的特征和优势
  1.1增材再制造的基本内涵
  数字化、智能化是当今再制造业的发展方向。增材再制造是再制造技术的前沿方向。增材再制造技术是在缺损三维数据模型驱动下,通过对缺损零件进行反求建模、离散分层、填充路径规划,进而逐层叠加、累积成形,即采用智能控制软件和适当的激光、电弧、等离子等载能束增材工艺逐层堆积,用电场、磁场、超声波、火焰、电化学能等能量实现尺寸恢复和性能提升的数字化快速成形方法,从而实现机械零部件的再制造过程。增材再制造技术可最大限度地挖掘损伤零件所蕴含的附加值,避免废旧零件的直接回炉和再成形等一系列加工中的资源能源消耗和环境污染[1-2]。
  增材再制造技术本身固有特性使其适用于非对称、曲面等结构复杂零件的再制造,可面向现场多维约束条件下的装备零部件再制造,尤其适合一些需快速响应、成本不是主要考虑因素的场合,如装备零件的现场抢修,大型零部件或难拆卸部件的在线在位再制造等。现已广泛应用于车辆、舰船、重载机械、能源化工、航空航天等领域[3]。
  1.2增材再制造与增材制造的区别
  如表1所示,与增材制造相比,二者虽均采用材料逐层堆积的方式进行零件的加工,增材再制造是在损伤零部件基础上进行的增材修复活动,需契合废旧零件因失效形式、零件结构、基体材质、性能需求等不同而产生的个性化修复需求,从而导致其与增材制造工艺流程也具有明显的区别。
  再制造属于先进制造、绿色制造,与增材制造相比,增材再制造面向服役阶段的零部件因其多样化、个性化和复杂化需求,使其更具挑战性,表现在前期处理更繁琐、成形过程更复杂、质量控制更困难,制造过程更加柔性,对智能控制的精度和稳定性提出了更高要求。因此增材修复成形过程所需科技含量更高,更要体现出技术上的先进性。
  2增材再制造在军工方面的应用情况
  世界许多国家如美国、俄罗斯、德国、日本等大型机械设备拥有量较多的国家,都对再制造工程技术高度重视。增材再制造技术因其高度柔性及快速性特点十分符合现代化战争中快速精确保障的要求。利用先进的增材再制造技术对损伤装备零部件进行修复,可提高装备的维修能力。美国军队是目前世界上最大的再制造受益者。自20世纪起,航空航天方面,美国军方就采用各种技术对轰炸机、阿帕奇直升机及坦克等装备进行了再制造。如对军用直升机上破损的钛合金构件进行再制造修复,比直接更换新构件可节省2~6万美元;采用LENS技术再制造修复一个直升机发动机比采用传统方法修复大约可以节省10多万美元,并且再制造部分的材料耐磨性能优于原始材料还可以延长发动机的使用寿命。再如对F119战斗机的发动机风机保护罩进行再制造修复,每年用激光熔覆增材制造技術修复的发动机叶片高达上万个,经济效益相当可观。陆军装备方面,美国搭建了基于LENS增材再制造技术的军械修复系统,用于Abrams M1坦克燃气涡轮发动机零部件的再制造修复,主要包括转子、密封转轮、间隔压气机、导向器叶片、压气机定子、压气机叶片等[3-5]。


  我军支持采用多种表面工程新技术修复损伤军工装备零部件,并组织了大规模多批次的考核验证。国内通过再制造技术创新和综合运用,解决了大量装备维修保障和应急抢修难题,如金属粉末激光成形增材再制造技术研究已成功应用于某主战机种发动机涡轮导向器、舰船螺旋桨叶片的再制造修复。采用基于激光的增材制造技术加等离子喷涂技术对烟气轮机叶片实施再制造修复,收到较好的效果[4-5]。目前增材再制造移动方舱已列为航母保障系统,加强了远洋舰艇的维修保障能力。创新应用电刷镀技术攻克了纳米颗粒在镀液中的分散及稳定悬浮难题,成功解决了战机发动机高温磨损失效的维修保障难题。再如应用等离子喷涂技术解决了坦克薄壁磨损零件的修复难题,修复后坦克零部件的相对耐磨性比新品还有提高,而成本仅为新品的1/8。应用电弧喷涂防腐技术实现了涂层的自封闭,显著提高了装备钢结构的防腐性能,并广泛应用于海军舰艇和“远望”号航天测量船的钢结构防腐,将海洋环境下钢结构耐蚀寿命由平均4~5年延长到15年[6]。由此可见,构建符合我军特色的军工装备零部件再制造修复技术体系,为延长军工装备服役寿命、实现装备升级换代提供了重要技术支撑,并产生了巨大的经济效益和军事效益。
  3增材再制造相关工艺流程
  3.1再制造流程
  增材再制造是以废旧产品作为生产毛坯,是一项复杂的系统工程,流程包括回收、拆解、清洗、检测、寿命评估、修复、组装等过程,其中损伤修复是再制造的核心过程,该过程依托先进的再制造技术恢复零件的外形尺寸和服役性能[7]。
  开展增材修复过程中,首先利用三维扫描仪对损伤零件进行扫描,获取损伤零件的数字化模型,然后对数字模型进行处理,进而生成缺损零件CAD模型,并通过与标准模型进行比对,生成再制造修复模型;接下来对再制造模型进行分层路径规划处理,最后3D打印系统依规划路径对损伤零件进行再制造修复[5-6]。工艺上要根据零件的使役性能要求进行失效机理分析,推演出增材再制造零件应具有的理化力学特性,进而判断出待增材修复部位应具有的组织结构和材料成分,并选用合适的载能束加工工艺。这是一个由零件使役性能向理化力学、微观结构、材料组分和增材加工工艺逆向推演的过程[2]。
  近年来我国在缺损零件的反求建模、焊道评价、成形材料开发、三维体积损伤零件再制造、自动化等方面均取得了进展。光机电一体化的增材再制造智能化熔敷成形系统集中整合了材料科学、信息科学、自动化技术、机械工程及其他一些支撑技术,可满足损伤零件因失效形式、 结构、性能要求等不同而产生的多样化和个性化修复需求,以较低的成本对几千克至几吨的大型零部件进行增材再制造。
  3.2电弧熔敷成形技术   电弧增材再制造是根据离散堆积原理,利用电弧作为载能束,使金属丝材加热熔化,在由缺损数据模型生成的路径规划程序驱动下,点—线—面—体累加成形,使缺损零件恢复尺寸形貌和性能的先进制造技术[8]。电弧熔敷成形技术因在熔滴尺寸、熔滴的热物理和动力学状态、熔滴过渡以及脉冲波形等方面具有潜在的可控性等特点而较具代表性,同时克服了激光、电子束等熔敷成形技术的设备昂贵、体积庞大等不足,已成为低成本金属零部件快速制造的国际研究热点。国内外此方面的研究工作主要涉及热输入和零件精度控制、零件测量建模和修复程序生成、工艺控制等方面,研究基础逐渐巩固,技术发展日益成熟。
  3.3激光熔覆技术


  激光增材再制造是近幾年新兴的一种零部件修复再造技术,具有高精度、高智能化、热损伤小、成本低等特点,在国内诸多领域有着相当广泛的应用,尤其对于磨损、裂纹等原因造成局部损伤的高附加值零部件,可以采用此方法进行再制造。
  目前激光增材修复的研究主要集中在钛合金、结构钢、奥氏体不锈钢等损伤零部件的修复上。TC6钛合金广泛应用于航空领域,TC6钛合金结构件属于关键承力件,在使用过程中存在表面腐蚀、划伤、裂纹等缺陷,但其价格贵,采用换新修理成本高、采购周期长,严重影响生产效率,而激光熔覆具有能量密度高、扫描速度快、热影响区小、增材变形小、熔覆层稀释率低、熔池净化效应明显等优点[9],在表面强化方面具有非常明显的优势。激光熔覆再制造技术已广泛应用于航空航天、矿山机械、石油冶金等行业。例如对航空领域飞机发动机叶片的修复,矿山刮板输送机链轮、液压支架液压缸体的修复,农业领域农耕刀具的修复、镀层等均取得良好的效果。航海轮船发动机对曲轴进行修复再造,熔层与基体冶金结合良好,熔层硬度显著优于基体硬度。对铁轨损伤部位进行再制造修复,修复后的熔层表面强度和硬度均超过了原有基材力学性能[9-11]。选择 NiCrMo合金进行激光增材再制造对动车组列车车轴进行修复,其抗疲劳性能正在进一步研究中[12]。
  4军工装备修理增材再制造应用案例
  如表2所示,在军工装备修理领域采用的增材再制造技术根据其损伤和特点技术不尽相同,除了激光熔覆焊,还有热喷涂和3D打印等。
  增材再制造修复技术在飞机大修中也有重要价值。飞机金属构件常见故障模式可分腐蚀类、磨损类、变形类以及裂纹类等,可根据构件基体材料和不同失效模式的修复目标确定修复用材料或表面涂镀层。目前进入实用阶段的先进再制造技术种类有高速电弧喷涂技术、微纳米等离子喷涂技术、纳米复合电刷涂技术、微纳米表面损伤自修复技术、特形面的微脉冲冷焊技术、激光再制造技术、再制造毛坯快速成形技术、冷喷涂技术、特种加工技术等[7-9]。增材再制造技术能够有效解决航空产品修理过程中的难题。相比汽车行业,大多数航天再制造应用更适合目前增材再制造的价值主张。
  5增材再制造技术前景展望
  5.1开展材料集约化设计与制备的研究
  由于增材再制造生产对象具有种类繁多、材质各异的特点,零件的损伤往往具有复杂性、突发性和随机性,再综合考虑损伤零件快速修复的时效性与经济性等因素,工程实际中很难保证与损伤零件材料的完全同质匹配。提高再制造软件系统的集成度和自动化程度,以提高装备损伤零部件增材再制造的响应速度[10]。同时开展增材再制造材料集约化设计与制备的研究,以少数广谱集约化材料对不同材质的损伤零件进行增材再制造。目前,已有公司推出正逆向混合设计软件,向高集成度再制造软件系统迈进了一步。
  5.2开展精确现场保障要求
  战场装备维修要求保障灵活、准确、及时,以实现装备战斗力的快速生成。军工上要突破战损零件和装备备件智能抢修、现场增材再制造技术瓶颈,实现装备作战性能快速恢复和战斗力再生。例如,美国为战场人员研发了一款质量小、价格低的3D打印机,该机可以放在作战人员的背包中并在战场上使用[5]。
  5.3充分利用物联网和5G技术
  将互联网、物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与再制造回收、生产、管理、服务等各环节融合,构建再制造智能物流体系,研发再制造智能生产成套技术与装备,推动形成再制造产品智能营销网络[6]。例如美国开发出一种新型3D打印技术,能够帮助部署在不同位置的士兵对装备(如飞机、汽车)零部件进行远程修复,提高军事装备效率并大幅降低维护成本[4]。目前,国内已出现专业的网络3D打印服务平台,但关于远程3D打印再制造的信息还尚无报道。
  5.4实施军民融合深度发展战略
  开展再制造军民融合创新理论、再制造信息化、技术可靠性中试、成果军地双向转移机制等,提升装备整机升级性再制造能力和解决两向装备全寿命维修保障问题。
  增材再制造高度契合了国家推进的绿色发展战略,已形成巨大的市场需求,近年来再制造产业不断得到国家政策的支持[13-14]。将增材再制造技术应用于军工装备损伤零部件的再制造中,不但可以大幅节约成本,节省国防开支,降低军队装备备用件的库存量,而且对大幅提升快速精确保障响应速度、促进战斗力的再生、改善军队战备状态具有重要的意义。随着增材制造技术的发展与成熟,其在国防科技中的应用前景将更加广阔,同时带来更高的军事效益和经济效益。
  参考文献:
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  [13]中华人民共和国国务院.国务院关于印发《中国制造2025》的通知[Z].2015-05-08.
  [14]工业和信息化部.工业和信息化部关于印发《高端智能再制造行动计划 (2018-2020年)》的通知[Z].2017-11-09.
  基金项目:中国船舶工业综合技术经济研究院《国外材料领域国防实验室军民融合发展策略研究》项目
  (作者单位:龚勋,魏文华,葫芦岛市军民融合和新材料产业发展中心;方艺蒙,四川大学匹兹堡学院;李亚东,大连理工大学材料学院;徐涛,田鑫,辽宁伊菲科技股份有限公司)
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