● 摘要
绿色再制造技术是机械维修行业进入高级阶段的具体体现，也是提高机械装备服役寿命和实现快速现场维修的有效途径之一。曲轴作为重载车辆发动机中的关键部件之一，价值较高、维修困难、报废较多。采用高速电弧喷涂技术对其进行再制造可以实现废旧机械产品再利用和再循环，大力促进建设资源节约型、环境友好型社会。因此，针对重载汽车废旧发动机曲轴轴颈磨损严重的失效特点，曲轴形状尺寸复杂、主轴颈与连杆轴颈不同心，不易实现自动化喷涂的工艺难点，以及再制造后曲轴不低于原型新品性能的技术要求。本论文主要开展了以下研究内容：
1) 研制了一种再制造轴类件高速电弧喷涂用新型低成本、高性能的FeNiCrAl系粉芯丝材，创新性添加了自熔剂合金成分及喷涂放热型元素。对主要喷涂工艺参数设计正交试验，以涂层结合强度及显微硬度为指标优化出涂层最佳制备工艺参数。制备的涂层组织结构致密，结合强度是传统3Cr13涂层的1.7倍。涂层中含有较多的（Fe，Cr）固溶体相、Fe-Al、Ni-Al金属间化合物，大大提高了涂层的显微硬度和耐磨性。由于高速电弧喷涂涂层形成是一个快速非平衡凝固的过程，因此，制备涂层内部含有较多尺寸小于100 nm的纳米晶和微晶组织，且晶粒内部位错密度较高，可以显著提高涂层的强韧性。并深入研究了NiAl、FeB2BAlB5B等金属间化合物的形成机理，这些亚晶粒尺寸的金属间化合物相在涂层中的存在起到了弥散强化的作用。
2) 针对曲轴形状特点创新设计了“环形”及“Z”字形两种喷涂路径，结合红外测温技术，在不同工艺路径下对沉积每一层涂层过程中的温度场进行监测。其结果表明：采用“Z”字形喷涂路径沉积涂层可以获得较为均匀的温度场分布，并与涂层的残余应力实验结果进行映射关系分析。结果表明采用“Z”字形路径喷涂曲轴过程中，曲轴的应力集中位置（“R”角处）可以获得较低的残余应力，说明喷涂过程中控制均衡的温度场分布可以有效的降低涂层内部残余应力的集中。
3) 首次针对在轴类件表面沉积热喷涂涂层建立了相应的残余应力计算模型，其综合考虑了涂层沉积过程中的骤冷应力和热应力。该模型可以通过输入沉积层温度参数、涂层厚度、沉积层数和相关工件尺寸参数，即可方便求解出涂层最终残余应力分布。采用实验与理论分析相结合的方法，揭示了采用不同喷涂路径喷涂涂层沉积过程中的温度场与残余应力场的热-力行为特性，验证得出喷涂曲轴过程最佳的涂层沉积温度应控制在65.2℃~122.5℃范围之内，此条件下制备涂层具有较低的残余应力值，从而可以保证涂层具有较高的服役可靠性。
4) 对研制的FeNiCrAl系金属间化合物复合涂层的摩擦磨损特性进行了系统研究，包括涂层在油润滑及干摩擦条件下的滑动摩擦磨损、微动摩擦磨损以及高温摩擦磨损特性，其完全考虑了曲轴在实际工况中的各种摩擦方式。并与传统的轴类件喷涂3Cr13涂层材料进行对比分析，其结果表明：FeNiCrAl涂层中弥散分布的高硬度金属间化合物及固溶体相在摩擦过程中起到了类似“骨架”支撑的作用，有效的抵抗了涂层摩擦磨损过程的进一步进行。与3Cr13涂层的磨损表面形貌对比分析，FeNiCrAl涂层磨痕较浅，仅存在轻微的涂层剥离，其磨损量和磨损率都较低。FeNiCrAl涂层在高温摩擦过程中发生了动态氧化过程，摩擦表面形成了较为致密的CrB2BOB3B、AlB2BOB3B及FeB2BOB3B氧化物，致密的釉状氧化膜覆盖在磨损面上，进一步提高了涂层的耐磨性。
5) 针对重载汽车发动机曲轴的再制造需求，利用六自由度机器人自动化高速电弧喷涂系统，采用研制的FeNiCrAl涂层及喷涂工艺路径在济南复强动力有限公司进行了曲轴实际喷涂，依照国标QC-T637-2000对喷涂再制造后的曲轴进行弯曲疲劳性能考核，当实验弯矩在2305.38 N.m，加载系数为1.2时，其疲劳寿命通过1×10P7P次，达到国标要求。结果表明：采用研制FeNiCrAl喷涂再制造曲轴弯曲疲劳寿命远高于采用常规3Cr13涂层喷涂后曲轴。其经济性分析表明：采用FeNiCrAl材料喷涂曲轴消耗的粉芯丝材重量仅为制造新品曲轴所需材料的3%左右，单根曲轴再制造成本相比制造新品下降了93.8%，再制造过程耗时相比制造新品曲轴节省了18%。因此，该技术的节能、节材及环保效果非常明显，应用前景广阔。
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