第1章 緒論

再制造工程^[1-2]是以產品全壽命周期為指導，以優質、高效、節能、節材、環保為準則，以先進的技術和產業化生產為手段，來修復、改造廢舊產品的一系列技術措施和工程活動的總稱。激光熔覆^[3]憑借其技術優勢，已成為廢舊產品綠色再制造的重要手段之一。有關資料^[1-3]表明，激光熔覆修復后的零件強度可達到原強度的90%以上，而其修復費用不到重置價格的1/5，更重要的是縮短了維修時間，解決了許多再制造難題。但實踐表明，激光熔覆層的應力和涂層與毛坯中的缺陷^[4-5]，是影響其服役性能和服役壽命的關鍵因素，因此如何保證再制造產品的質量是再制造工程的核心，直接關系到用戶對再制造產品的信心以及再制造產業的推廣和應用。

多年來，激光熔覆再制造零件的質量和性能，主要靠激光熔覆材料和工藝參數的優化^[6]來保證，然后通過對再制造零件進行著色或通過滲透^[7]、渦流等方法，檢測零件表層是否存在氣孔、裂紋等缺陷；采用超聲波^[8]、X射線檢測零件內部是否存在缺陷；采用鉆孔法或X射線衍射法^[9]、磁記憶法^[10]、超聲波法^[11]檢測激光熔覆層的應力；采用光學顯微鏡（Optical Microscope，OM）和掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）^[12-13]檢測熔覆層內部組織特征。雖然每種檢測方法都有其特色和優缺點，但所測量的結果仍有局限性，如著色或滲透、渦流屬于表層缺陷檢測方法，只能檢測激光熔覆再制造零件表層缺陷（裂紋、氣孔、夾雜物等）；X射線雖然可檢測材料內部缺陷，但消耗的X射線膠片等器材費用較高，檢驗速度較慢，此外，射線對人體有害，需要采取適當的防護措施；鉆孔法在被測零件上鉆孔，會破壞零件的整體結構，另外，鉆孔過程常常會引起材料的損傷和屈服，影響測量效果，在工程實踐中無法對每個零部件都進行鉆孔檢測；X射線對金屬的穿透深度有限，只能無破壞性地檢測表層應力，將X射線衍射法與剝層法結合雖然可以測定激光熔覆層沿厚度方向的深層應力分布，但需破壞零件；磁記憶法只能對鐵磁性材料進行檢測；光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡不適合檢查實際零部件內部的組織特征。

超聲檢測技術^[14-15]是五大常規檢測技術之一，也是目前應用最廣泛、技術最成熟的無損檢測方法。與其他無損檢測技術（如射線檢測、渦流檢測、磁粉檢測和滲透檢測等）相比，具有檢測對象范圍廣、檢測深度大，對裂紋類缺陷敏感、靈敏度高，成本低，使用方便，速度快，對人體無害，以及便于現場使用等特點。另外，目前，國外每年發表的約3000篇涉及無損檢測的文獻中，約有45%和超聲檢測相關。因此，采用超聲檢測技術對激光熔覆再制造零件質量進行評價具有明顯的技術優勢。

目前，超聲檢測技術在機械零件宏觀缺陷評價^[16-17]、幾何特性測量^[18-19]、力學性能^[20-23]表征領域均具有一定應用，并取得了一定的研究成果。但實踐表明，影響激光熔覆再制造零件服役性能和服役壽命的關鍵因素是缺陷和應力^[24-25]，圖1-1、圖1-2^[26]所示為激光熔覆制備的Fe₅₅Cr₂₀Ni₁₀B₂Si₂鐵基自熔合金激光熔覆層微觀形貌圖，從圖中可以看到明顯的微裂紋、微孔洞缺陷，這些缺陷的存在，會使零件在服役過程中出現疲勞、磨損和腐蝕等破壞形式。因此結合激光熔覆再制造產品質量無損檢測需要，本書將重點介紹超聲波在缺陷和應力評價方面的應用。

圖1-1 夾雜及其邊界處的微裂紋（×2000，SEM）

圖1-2 先共晶組織及共晶態組織界面處的微孔洞（×5000，SEM）

超聲檢測主要是基于超聲波在介質中的傳播特性，通過超聲波在介質中傳播時與聲阻抗不同的異質性界面相互作用，就反射、折射和散射的波進行研究。傳統的超聲檢測是根據回波信號^[27-29]憑經驗對被檢測對象的質量進行評價。激光熔覆以高能激光束作為移動熱源，通過快速加熱、熔化和冷卻為材料加工提供了常規手段無法實現的極端非平衡條件，使成型件具有優異的綜合性能，但激光熔覆層為快速凝固組織，其彈性性能呈現明顯的各向異性特征，導致超聲波傳播時出現偏轉、聚焦、分離等復雜物理現象，即使有經驗的檢測人員也很難根據回波信號準確判斷激光熔覆層的質量狀況。另外，由于局部受熱不均勻及熔覆層不同成分材料線脹系數的差異，激光熔覆層應力分布也比較復雜^[30-32]。鑒于激光熔覆再制造零件的結構和應力情況不同于簡單的各向同性或各向異性材料，因此這類再制造零件的缺陷、應力的超聲檢測評價還需要進一步深入研究。

對于采用超聲檢測技術檢測激光熔覆再制造零件的缺陷，設計合理的超聲檢測工藝非常關鍵^[33]，為此需要深入了解激光熔覆層的各向異性對聲束傳播行為的影響，掌握超聲波聲場與材料內部缺陷相互作用的規律。這些研究可以為合理設計超聲檢測工藝提供有益的幫助。由于通過實驗手段無法了解超聲波在激光熔覆層及基體材料中的傳播過程，而數值模擬在模型“制作”、參數選取和變動及對模擬結果的數據處理方面，較之實物模型實驗皆具有無比的靈活性和優越性，能夠突出實驗中不易觀察的某些細節^[34-35]。因此研究過程中采用數值模擬與實驗相結合的方法，從超聲傳播理論入手，建立激光熔覆再制造零件缺陷超聲檢測系統數學模型，通過數值模擬探明缺陷檢測的物理機制，同時利用數值模擬結果指導相應的實驗研究，實現檢測方法的優化。

數值模擬需要以成熟的理論為前提，目前，激光熔覆層應力分析理論還不是很成熟，所建立的理論分析模型往往只考慮了應力形成的某一因素，如雙層材料模型^[36]只考慮了再制造涂層與基體材料線脹系數差異造成的失配應力，增層模型^[37-38]只考慮了再制造涂層沉積冷卻過程中由于相變和狀態的變化引起的應力。而激光熔覆層應力通常是由多種因素（如失配應力、相變應力、熱應力等）引起的，現有的理論分析模型并不具有典型應用價值。因此本書結合超聲傳播及聲彈理論分析影響檢測結果可靠性的內在及外在因素，通過實驗研究探索提高激光熔覆層應力超聲檢測可靠性的方法。

一門技術成熟或上升為科學最基本、最顯著的標志是其進入了誤差很小的定量化階段^[39]。超聲檢測的發展方向必然以定量化和提高檢測可靠性為目標，因此采用超聲檢測技術對激光熔覆再制造零件的缺陷和應力進行檢測與評價，可以為再制造產品質量的提升及生產過程的安全提供有力的保障，對再制造工程的產業化和建設資源節約型、環境友好型社會具有重要意義。