文 徐濱士，馬世寧，劉世參，朱勝，王海斗
摘要：綠色再制造工程是一門新興學科和一項朝陽產業，是對維修工程的繼承和發展。本文從綠色再制造工程的內涵、發展進程及關鍵技術等方面進行闡述。納米表面工程技術是綠色再制造工程的關鍵技術，高速電弧噴涂技術、納米電刷鍍技術、納米減摩自修復添加劑技術等先進的表面工程技術，大幅度提高了軍用裝備零部件的減摩、耐磨、抗疲勞、耐腐蝕性能。綠色再制造工程對加速舊武器裝備的延壽和升級改造，對軍隊裝備維修保障將起到重要作用。
關鍵詞：綠色再制造工程；軍用裝備；表面工程；關鍵技術
20世紀全球經濟高速發展的同時，人類對自然資源的任意開發和對環境的過度消耗造成了全球的生態破壞、資源短缺、環境污染等眾多重大問題。其中包括武器裝備制造在內的機電產品制造業是最大的資源使用者,也是最大的環境污染源之一。據統計，造成全球環境污染的1例。以上排放物來自制造業，每年約產生55億噸無害廢物和7億噸有害廢物。1996年全球有2400萬輛汽車報廢，2000年全球有2000萬臺計算機被淘汰[1]，人類的生存條件受到嚴重挑戰。
為了緩解有限資源和無限浪費之間的矛盾，減少廢品對環境的危害，最大限度地利用廢品中零部件的剩余價值，20世紀80年代以來，國際上掀起了一股綠色浪潮，提出了“綠色制造”的新概念。在這種形勢下，綠色再制造工程得以產生并迅速發展。
1 綠色再制造工程的內涵
綠色再制造工程是以產品全壽命周期理論為指導，以廢舊產品實現跨越式發展為目標，以優質、高效、節能、節材、環保為準則，以先進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或工程活動的總稱[2]，簡言之，再制造工程是廢舊產品高科技維修的產業化。綠色再制造工程的研究對象一一“產品”是廣義的。它既可以是裝備、系統、設施，也可以是其零部件；既包括硬件，也包括軟件。
綠色再制造工程既不同于裝備維修，又不同于裝備再循環（回收利用）。裝備維修是軍用裝備在使用階段為了使其保持良好狀況而采取的技術措施，具有隨機性、原位性、應急性和小批量性。而裝備再制造是將大量已報廢或即將報廢的裝備拆解后，按零部件的類型進行檢測，以有再制造價值的零部件為毛坯，利用高新表面技術進行批量化修復，恢復并提升零部件性能。最后，將再制造后的各種零部件按與新品制造過程相似的嚴格裝配工藝完成裝配，以及試驗檢測，使其技術性能能達到甚至超過新裝備。
裝備再循環（回收利用）以回爐冶煉等加工方式，得到低品位的原材料，回收中需消耗較多的能源，并會造成二次環境污染。而裝備再制造以報廢裝備中的成形零部件為毛坯，不需重新開模制造毛坯，最大限度地保留了零部件中蘊含的附加值，故不僅生產成本遠低于新品，且減少了對環境的污染。
2 綠色再制造工程的發展
再制造工程在美國發展迅速。據統計[3]，1996年美國專業再制造公司已超過73000家，雇員48萬人，生產46種再制造產品，每年的銷售額超過530億美元。其中汽車再制造業最大，公司總數達5萬家，年銷售總額365億美元，總雇員34萬人。美國計劃到2005年時，再制造業雇傭員工超過100萬，年銷售額達到1000億美元。圖1（a）、（b）分別為美國1996年再制造業與鋼鐵業銷售額與雇員數的比較，可見再制造業的銷售額與鋼鐵業相當，但雇員數卻高于鋼鐵業一倍，說明再制造業既能拉動國民經濟，又能提高就業率。
圖1 美國再制造業與鋼鐵制造業的比較
再制造工程的快速發展受到了美國國防決策部門的重視。美國國防科學研究委員會在制訂2010年國防工業制造技術框架時，將“新的再制造技術”和“有利于裝備延壽的設計方法”列為重點發展的核心研究方向之一。
美軍是再制造的最大受益者。美軍的車輛和武器通常使用再制造部件，不但節約了軍用裝備的制造費用，而且延長了裝備的壽命并提高了裝備的維修能力。美軍F-16戰斗機從研制到生產只用了3年時間，奧秘之一是充分利用再制造技術，對廢舊件的再制造、再利用。美軍B-52轟炸機于1961年~1962年生產，1980年、1996年兩次進行再制造工程技術改造，改造后的性能又得到大幅度提高，預計服役年限可到2030年。
再制造工程在我國已開始起步。從1995年起，不斷有企業及研究單位加入再制造的實踐活動與理論研究中來，如濟南“復強”上海“大眾”等企業的再制造發動機年產量已突破萬臺，裝甲兵工程學院等院校已建起了較完整的再制造學科體系。中國工程院2000年咨詢報告《綠色再制造工程及其在我國應用的前景》受到了國務院領導及部委機關的高度重視；《廢舊機電產品資源化》課題被列為2002年中國工程院咨詢項目；《再制造基礎理論與關鍵技術》被列為2003年國家自然科學基金重點資助項目；2003年8月，科技部和中國工程院在制定國家2020年中長期科學技術發展規劃第三專題《制造業發展的科技問題研究》時，將“機械裝備的自修復與再制造”列為關鍵技術之一。
再制造工程也得到了我軍的高度重視。2001年，《裝備延壽與再制造工程技術》等一批再制造課題被總裝列為“十五”預先研究項目。同年，《納米電刷鍍技術在重點部隊的推廣應用》、《納米減摩材料在裝甲車和運輸車上的試點應用》等一批再制造關鍵技術項目被列為總裝維修改革項目。
上述事例表明，裝備綠色再制造工程已經成為我國、我軍新世紀的重要學科發展和產業化方向，這對我國搶占制造業科技發展制高點具有重大戰略意義。
3 綠色再制造工程的關鍵技術及其在軍用裝備中的應用
再制造工程需要有具體的關鍵技術作為支撐。先進的表面工程技術，尤其是納米表面工程技術是再制造工程最重要的關鍵技術之一。
表面工程，是指對材料（金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復合材料）表面進行涂覆、改性等技術處理，以改變材料表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀態，獲得所需要表面性能的系統工程。表面工程的基本特征是綜合、交叉、復合、優化，它以“表面”為研究核心。表面工程的最大優勢是能夠以多種方法制備出優于本體材料性能的表面功能薄層，賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射等性能。這層表面材料與制作部件的整體材料相比，厚度薄，面積小，但卻承擔著工作部件的主要功能。
傳統的表面工程關鍵技術包括熱噴涂、電刷鍍、激光熔覆、氣相沉積以及“三束激光束、離子束、電子束）表面改性等。隨著納米技術的發展，納米材料不斷應用于表面工程之中，納米表面工程應運而生。所謂“納米表面工程”是指充分利用納米材料的優異特性提升改善傳統表面工程技術的性能，進一步改變固體材料表面的形態、成分、結構等，從而賦予表面全新功能的系統工程。
3.1 高速電弧噴涂技術對軍用裝備的修復與再制造
高速電弧噴涂（High Velocity Arc Spraying）技術是在傳統電弧噴涂（TraditionaI VeIocity Arc Spraying）技術基礎上發展起來的一種新型電弧噴涂技術[5-6]。高速電弧噴涂層的組織結構和涂層性能比傳統電弧噴涂層有了很大改善，主要表現在涂層組織致密，孔隙率低,結合強度高，涂層耐磨性能明顯提高[7]。
高速電弧噴涂層的表面粗糙度和氧化程度都明顯比傳統電弧噴涂層小。觀察與檢測發現，傳統電弧噴涂層中形變顆粒周圍存在較大的破碎氧化物顆粒和連續的氧化物膜，這與普通電弧噴涂過程中霧化顆粒較大，氣流速度的加速能力小，顆粒飛行速度較低有關。由此可知，高速電弧噴涂層能夠更有效地提高材料的耐磨、耐蝕和抗疲勞性能[8]。
高速電弧噴涂技術成功用于軍用裝備的修復與再制造。某型獵潛艇在高溫、高濕、高鹽霧環境下，艇體鋼結構4~5年即被腐蝕穿孔，7~8年中修時的換板率高達50%。利用高速電弧噴涂對鋼結構表面噴涂純鋁及鋁合金涂層，實際航行一年后檢測發現，鋼結構完好無損。據測算，噴涂后的鋼結構防腐壽命將超過15年。高速電弧噴涂技術還用于解決艦船甲板的防滑問題，通過對甲板表面噴涂Al2O3防腐、防滑復合粉芯絲材，在甲板表面得到了一層既有優異的防腐性能，又有顯著的抗磨和防滑性能的復合涂層，實際應用后效果非常明顯[9]。
3.2 納米電刷鍍技術對軍用裝備的修復與再制造
電刷鍍技術具有設備輕便、工藝靈活、鍍覆速度快、鍍層種類多等優點，被廣泛應用于機械零件表面修復與強化，尤其適用于現場及野外搶修。納米電刷鍍就是在鍍液中添加了特種納米顆粒，使得刷鍍層性能顯著提高的新型電刷鍍技術。納米電刷鍍技術的核心難題是納米顆粒在鍍液中的分散與懸浮穩定問題，裝備再制造技術國防科技重點實驗室通過獨創的高能機械化學法成功地解決了這一難題。
圖2（a）、（b）分別為普通快速鎳刷鍍層和添加了納米氧化鋁（n – Al2O3）顆粒的鎳基復合刷鍍層的表面形貌，可見后者表面更細密，說明納米顆�？梢燥@著細化刷鍍層組織，大幅度增加刷鍍層晶界，從而有效阻礙位錯的移動和微裂紋的產生與擴展，使得刷鍍層得到強化。圖2（c）給出了n-Al2O3/Ni復合刷鍍層的TEM組織，箭頭所指顆粒為n-Al2O3顆粒�？梢娂{米顆粒均勻彌散分布在復合刷鍍層中，并與鍍層中其它物質緊密結合。這樣，在復合刷鍍層受載變形時納米顆�？梢云鸬矫黠@的阻礙位錯運動和微裂紋擴展的作用。在服役溫度升高時，納米顆�？梢杂行ё璧K晶粒長大和再結晶。
圖2 納米電刷鍍層的表面形貌及TEM組織
圖3為鎳基納米Al2O3電刷鍍層與普通快鎳鍍層硬度隨溫度變化圖，可見前者的高溫硬性明顯優于后者。普通快鎳鍍層當溫度超過200℃時硬度即迅速下降，而鎳基納米Al2O3鍍層當溫度升至400℃時依然保持穩定的硬度，且在600℃高溫下仍具有較好的硬度。說明納米電刷鍍層在高溫下可持續發揮耐磨作用。
納米電刷鍍技術成功地用于進口飛機發動機關鍵零部件的失效修復。300h臺架試驗表明，修復效果完全滿足考核要求，扭轉了該零部件維修技術和維修材料完全依賴進口的被動局面，每修復100臺發動機將節省維修經費5000余萬元，創造了巨大的軍用和經濟效益。
納米電刷鍍技術還解決了艦船、潛艇等關鍵零部件的維修難題，修復了某型艦艇進口設備中直徑達470mm的密封裝置滑環內表面，使其防腐、耐磨性能大幅度提高。納米電刷鍍技術還在主戰坦克關鍵零部件的修復及軍用機床再制造方面發揮了重大作用，使得坦克側減速器主、被動軸等關鍵零部件的壽命顯著延長，并使軍用機床的工作性能明顯提高。
3.3納米減摩自修復添加劑技術對軍用裝備的修復與再制造
納米減摩自修復添加劑技術是一種通過摩擦化學作用來實現材料減摩、自強化、自愈合、自修復的技術。將含有納米顆粒的復合添加劑加入到潤滑油中，納米顆粒隨潤滑油分散于各個摩擦副接觸面，在一定溫度、壓力、摩擦力作用下，摩擦副表面產生劇烈摩擦和塑性變形，發生摩擦化學作用，添加劑中的納米顆粒就會在摩擦表面沉積，并與表面作用，填補表面微觀溝谷，從而形成一層具有抗磨減摩作用的液態或固態自修復微區膜。
裝備再制造技術國防科技重點實驗室首先開發出了微米減摩自修復添加劑肥，在其基礎上，通過配加納米金屬Cu顆粒又開發成功了具有自主知識產權的納米減摩自修復添加劑M6。M6的減摩、抗磨性能好，成本低，污染少，自修復效果明顯，被總裝備部指定為軍用車輛裝備自修復的首選添加劑之一。
納米減摩自修復添加劑技術已用于軍事裝備的修復與再制造，取得了良好的效果。某型主戰坦克，常年滿負荷訓練使用，由于零部件老化，氣候惡劣,加之操作不當等人為因素,發動機經常發生故障，影響了正常的訓練任務。使用納米減摩自修復添加劑M6以后，發動機的潤滑狀態明顯改善，磨損降低，動力性提高，機油消耗減少。
在國外，減摩自修復添加劑技術也已得到廣泛應用。俄羅斯將該技術用于艦船、坦克、裝甲車動力裝置上，節省了燃油，延長了壽命，降低了潛艇運行噪音。應用于火炮后，炮膛來復線和內表面的晶格結構發生變化，彈膛阻力減小，內表面的耐磨性提高，炮管的使用壽命增加一倍，炮彈射程增加20%。
以納米電刷鍍技術、納米減摩自修復添加劑技術為代表的納米表面工程技術已取得了很大進步，雖然涂層中加入的納米顆粒數量并不多，但維修與再制造效果非常顯著，說明納米材料對提升表面工程技術具有重要作用。盡管如此,納米表面工程技術還只處在初級階段,通過納米表面工程得到的表面復合涂層，還不是真正意義上的納米涂層，而只能稱為納米結構涂層。不過，這些納米結構涂層還是具備了一定意義上的納米特征，如涂層中復合有彌散分布的單質納米顆粒，涂層的某些局部由納米晶構成，或者涂層的部分最小組成單元為納米級團聚物等。
4 結論
1）綠色再制造工程是以產品全壽命周期理論為指導的廢舊產品再生的系統工程，它對節能節材、減少污染、提高裝備性能等具有重要作用。
2）綠色再制造工程是一門新興學科和一項朝陽產業，受到了國內外的高度重視。我國的再制造工程發展剛剛起步，但在我國政府、軍隊、學術界和企業界的共同努力下，現正以良好的勢頭加速度發展。
3）以納米表面工程技術為代表的先進再制造工程關鍵技術，在提升軍事裝備維修性能，促進軍事裝備的高技術再制造方面發揮了重要作用。但是納米表面工程還處在初級階段，隨著納米科技和表面工程的不斷發展，它必將發揮更大作用。
參考文獻
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