第1章 绪论

再制造工程^[1-2]是以产品全寿命周期为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进的技术和产业化生产为手段，来修复、改造废旧产品的一系列技术措施和工程活动的总称。激光熔覆^[3]凭借其技术优势，已成为废旧产品绿色再制造的重要手段之一。有关资料^[1-3]表明，激光熔覆修复后的零件强度可达到原强度的90%以上，而其修复费用不到重置价格的1/5，更重要的是缩短了维修时间，解决了许多再制造难题。但实践表明，激光熔覆层的应力和涂层与毛坯中的缺陷^[4-5]，是影响其服役性能和服役寿命的关键因素，因此如何保证再制造产品的质量是再制造工程的核心，直接关系到用户对再制造产品的信心以及再制造产业的推广和应用。

多年来，激光熔覆再制造零件的质量和性能，主要靠激光熔覆材料和工艺参数的优化^[6]来保证，然后通过对再制造零件进行着色或通过渗透^[7]、涡流等方法，检测零件表层是否存在气孔、裂纹等缺陷；采用超声波^[8]、X射线检测零件内部是否存在缺陷；采用钻孔法或X射线衍射法^[9]、磁记忆法^[10]、超声波法^[11]检测激光熔覆层的应力；采用光学显微镜（Optical Microscope，OM）和扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）^[12-13]检测熔覆层内部组织特征。虽然每种检测方法都有其特色和优缺点，但所测量的结果仍有局限性，如着色或渗透、涡流属于表层缺陷检测方法，只能检测激光熔覆再制造零件表层缺陷（裂纹、气孔、夹杂物等）；X射线虽然可检测材料内部缺陷，但消耗的X射线胶片等器材费用较高，检验速度较慢，此外，射线对人体有害，需要采取适当的防护措施；钻孔法在被测零件上钻孔，会破坏零件的整体结构，另外，钻孔过程常常会引起材料的损伤和屈服，影响测量效果，在工程实践中无法对每个零部件都进行钻孔检测；X射线对金属的穿透深度有限，只能无破坏性地检测表层应力，将X射线衍射法与剥层法结合虽然可以测定激光熔覆层沿厚度方向的深层应力分布，但需破坏零件；磁记忆法只能对铁磁性材料进行检测；光学显微镜和扫描电子显微镜不适合检查实际零部件内部的组织特征。

超声检测技术^[14-15]是五大常规检测技术之一，也是目前应用最广泛、技术最成熟的无损检测方法。与其他无损检测技术（如射线检测、涡流检测、磁粉检测和渗透检测等）相比，具有检测对象范围广、检测深度大，对裂纹类缺陷敏感、灵敏度高，成本低，使用方便，速度快，对人体无害，以及便于现场使用等特点。另外，目前，国外每年发表的约3000篇涉及无损检测的文献中，约有45%和超声检测相关。因此，采用超声检测技术对激光熔覆再制造零件质量进行评价具有明显的技术优势。

目前，超声检测技术在机械零件宏观缺陷评价^[16-17]、几何特性测量^[18-19]、力学性能^[20-23]表征领域均具有一定应用，并取得了一定的研究成果。但实践表明，影响激光熔覆再制造零件服役性能和服役寿命的关键因素是缺陷和应力^[24-25]，图1-1、图1-2^[26]所示为激光熔覆制备的Fe₅₅Cr₂₀Ni₁₀B₂Si₂铁基自熔合金激光熔覆层微观形貌图，从图中可以看到明显的微裂纹、微孔洞缺陷，这些缺陷的存在，会使零件在服役过程中出现疲劳、磨损和腐蚀等破坏形式。因此结合激光熔覆再制造产品质量无损检测需要，本书将重点介绍超声波在缺陷和应力评价方面的应用。

图1-1 夹杂及其边界处的微裂纹（×2000，SEM）

图1-2 先共晶组织及共晶态组织界面处的微孔洞（×5000，SEM）

超声检测主要是基于超声波在介质中的传播特性，通过超声波在介质中传播时与声阻抗不同的异质性界面相互作用，就反射、折射和散射的波进行研究。传统的超声检测是根据回波信号^[27-29]凭经验对被检测对象的质量进行评价。激光熔覆以高能激光束作为移动热源，通过快速加热、熔化和冷却为材料加工提供了常规手段无法实现的极端非平衡条件，使成型件具有优异的综合性能，但激光熔覆层为快速凝固组织，其弹性性能呈现明显的各向异性特征，导致超声波传播时出现偏转、聚焦、分离等复杂物理现象，即使有经验的检测人员也很难根据回波信号准确判断激光熔覆层的质量状况。另外，由于局部受热不均匀及熔覆层不同成分材料线胀系数的差异，激光熔覆层应力分布也比较复杂^[30-32]。鉴于激光熔覆再制造零件的结构和应力情况不同于简单的各向同性或各向异性材料，因此这类再制造零件的缺陷、应力的超声检测评价还需要进一步深入研究。

对于采用超声检测技术检测激光熔覆再制造零件的缺陷，设计合理的超声检测工艺非常关键^[33]，为此需要深入了解激光熔覆层的各向异性对声束传播行为的影响，掌握超声波声场与材料内部缺陷相互作用的规律。这些研究可以为合理设计超声检测工艺提供有益的帮助。由于通过实验手段无法了解超声波在激光熔覆层及基体材料中的传播过程，而数值模拟在模型“制作”、参数选取和变动及对模拟结果的数据处理方面，较之实物模型实验皆具有无比的灵活性和优越性，能够突出实验中不易观察的某些细节^[34-35]。因此研究过程中采用数值模拟与实验相结合的方法，从超声传播理论入手，建立激光熔覆再制造零件缺陷超声检测系统数学模型，通过数值模拟探明缺陷检测的物理机制，同时利用数值模拟结果指导相应的实验研究，实现检测方法的优化。

数值模拟需要以成熟的理论为前提，目前，激光熔覆层应力分析理论还不是很成熟，所建立的理论分析模型往往只考虑了应力形成的某一因素，如双层材料模型^[36]只考虑了再制造涂层与基体材料线胀系数差异造成的失配应力，增层模型^[37-38]只考虑了再制造涂层沉积冷却过程中由于相变和状态的变化引起的应力。而激光熔覆层应力通常是由多种因素（如失配应力、相变应力、热应力等）引起的，现有的理论分析模型并不具有典型应用价值。因此本书结合超声传播及声弹理论分析影响检测结果可靠性的内在及外在因素，通过实验研究探索提高激光熔覆层应力超声检测可靠性的方法。

一门技术成熟或上升为科学最基本、最显著的标志是其进入了误差很小的定量化阶段^[39]。超声检测的发展方向必然以定量化和提高检测可靠性为目标，因此采用超声检测技术对激光熔覆再制造零件的缺陷和应力进行检测与评价，可以为再制造产品质量的提升及生产过程的安全提供有力的保障，对再制造工程的产业化和建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。