随着现代工程要求的不断提升，用户对机械设备、车辆等零部件的使用性能与寿命的要求也越来越高。设备在运行过程中，许多零部件要承受高温、高压、腐蚀、磨损、重载等恶劣的工作环境，因而零部件材料容易产生因腐蚀、磨损、疲劳损伤、断裂等情形，并造成设备性能下降、不符合使用要求的情况，影响了机械设备或装备的运行可靠性。通过废旧零部件修复或再制造技术，对零部件恢复其原有的尺寸、形状以及性能非常重要，尤其对贵重、大型、精度高及需要特殊材料或特种加工的零件更为重要。
一、零部件的修复
近年来，机械设备零部件的修复与再利用问题越来越得到国家和相关科研工作者的关注。对失效的零部件进行修复再利用，可降低原材料消耗、节约贵重合金添加剂以及减少新零件的生产费用，而且通过新技术的应用还可使零部件的某些性能大大提升，延长了使用寿命。
1.机械加工修复技术
常用的机械加工修复技术，是对已磨损的零件进行机械加工使其重新具有可用的几何形状[1]。具体的工艺措施包括：
①修理尺寸法。即对贵重零部件的表面损伤和形状误差处通过机械加工进行修正，然后针对该零件的尺寸与结构为之配制相应的辅助零件。该法简单、经济，但使零件失去原有的互换性。
②尺寸选配法。将一批相同规格的已失效配合件集中进行机械加工，再按配合间隙值重新配合成对。该法工艺简单、方便实施，但必须有足够数量才可以实施。
③附加零件法。在零件过度磨损后，将磨损工作面进行机械加工，利用附加具有工作表面基本尺寸的衬套来弥补加工去掉的尺寸。该法可用来补偿零件工作表面的磨损。
④局部更换法。对于具有多个工作表面损伤程度不一致的零部件，可采用仅对磨损或损坏严重的工作表面进行局部更换修补，如齿轮类零件的修补。
⑤塑性变形法。对零部件施加外力产生塑性变形来恢复零件的几何形状，或造成非工作区域的金属向主要工作面流动，达到补偿磨损、恢复零件工作尺寸和形状的目的。该法主要用于修复对内外部尺寸无严格要求的零件。
另外，还有换位修理法、钳工加工修复、金属扣合工艺等。
采用机械加工方法修复零部件，应选择设计基准作为定位基准，遵循基准统一和加工均匀性原则；修复对平衡有要求的零件，需按规定的条件进行平衡试验；注意消除应力集中。
2.焊接修复法
焊接修复法主要包括用于恢复尺寸与形状、修复裂纹与断裂的补焊工艺以及通过熔敷金属赋予零件表面某些特殊性能的堆焊工艺[2]。焊接是铸件修复的主要方法之一。其优势在于覆层与基体呈现冶金结合，具有良好的结合强度，可修复磨损失效零件、焊补裂纹与断裂、局部损伤等，但由于焊接时的不均匀加热会产生较大的残余应力，甚至造成变形或裂纹，因此不适合细长、薄壳类以及精度要求高等零部件的修复。
3.涂层法
材料表面涂层技术是零部件再制造领域不可或缺的技术，不仅可以修复尺寸与形状，而且可以提高材料表面的耐蚀性、耐磨性、耐疲劳性、抗高温氧化性等[3]。
（1）热喷涂与喷焊技术[4]
热喷涂是指涂层材料加热到熔融状态，然后施加压力，使涂层材料高速撞击到工件表面形成涂层的工艺过程，其工艺原理如图1。它可以制备如耐磨、耐蚀、耐热涂层等多种功能涂层。热喷涂技术适用范围广，具有基体预热温度低、操作灵活、涂层厚度范围宽的优点，但涂层材料利用率低、涂层孔隙率高、氧化现象严重、表面粗糙等，而且涂层与基体间以机械结合为主，结合强度较低。
喷焊与喷涂的工艺原理相近，但喷焊工艺的加热温度高，要达到喷涂层颗粒熔化（约1 000～1 300℃），颗粒与基体表面润湿良好，形成冶金结合，因此喷焊层与基体结合强度高，但残余应力较大，需进行后处理。
（2）气相沉积技术
气相沉积技术是指利用气相中发生的化学、物理反应，在基体材料表面形成金属、非金属等功能涂覆层[5]，包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）2类。PVD技术是直接将气相物质沉积在基体材料表面，形成固体物质膜层，工艺过程中只发生物理反应，没有化学过程。目前真空蒸发镀、离子镀、离子束增强沉积和溅射镀等工艺方法已获得应用。CVD则是使用经化学反应的气相物质沉积在基材表面形成膜层，目前金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）、等离子体增强化学气相沉积（PACVD）、激光辅助化学气相沉积（LCVD）等新技术取得了较快的发展。利用气相沉积技术可以制备各种耐磨、耐蚀膜层，以及特殊性能的光、电、磁学功能膜层等，在机械、航天航空、电子电器、化工、建筑等诸多领域都有应用。
（3）电镀技术
电镀是指通过电解作用，使镀液中的金属阳离子在基体金属表面沉积，形成功能性表面镀层的工艺方法[6]，该镀层可以达到几十微米的厚度，可以修复零部件的表面磨损或侵蚀。用于修复功能的电镀方法包括电刷镀、合金镀、复合镀等。
电刷镀的工艺原理如图2。工作时工件作为阴极，镀笔为阳极，二者间浸满电镀液；镀液中的金属离子在电场作用下得到电子形成金属原子，结晶并沉积在工件表面；工件与镀笔做相对运动，这样可以连续形成沉积层[7]。电刷镀工艺简单，沉积速度快，镀液不含有毒物质，安全环保；其局限性是不适于大批量生产。目前我国轮船维修行业已普遍使用电刷镀修复船机零件。
合金镀即在阴极上同时沉积出2种或2种以上金属，可以制取高熔点和低熔点金属组成的合金，以及获得许多单金属镀层所不具备的优异性能。复合镀的工艺特征是在电镀溶液中加入适量的细颗粒，并使之与金属一起均匀沉积，形成颗粒增强的复合材料镀层。合金镀和复合镀等技术的应用，大大改善了镀层质量，提高了镀层性能。
（4）高能束表面熔覆技术
该技术即利用激光束、离子束等高能热源，将预涂在基体表面的涂层材料熔化，同时将基体表面层熔化，使涂层材料与基体相互熔合而形成冶金结合[8]。高能束熔覆涂层的冷却速度快，涂层与基体结合强度高，为冶金结合；熔覆层组织致密；涂层厚度可以准确控制。高能束熔覆工艺适应性强，涂覆材料可以是金属或合金，也可以是陶瓷或者各种化合物陶瓷，材料的形式可以是粉末、丝材、板材。现今，高能束表面熔覆技术在航空航天、机械制造、交通、模具制造等领域已获得广泛应用。
4.粘接与表面粘涂修复技术
粘接修复技术即利用粘结剂把各种金属或非金属零件材料紧密而牢固粘合起来而起到修复作用的工艺方法[9]，可部分代替焊接、铆接、过盈配合和螺栓联接，但耐热性不高、耐老化性能差等限制了其应用范围。
表面粘涂修复技术是指将由高分子聚合物与特殊填料（如石墨、二硫化钼、金属粉末、陶瓷粉末等）组成的复合材料胶粘剂涂敷于零件表面，赋予零件某种特殊功能的一种表面强化和修复的技术[10]。表面粘涂修复技术主要适用于：①难于或无法焊接的零件，如铸铁、铸铝、塑料等；②薄壁零件，可减少残余应力以及变形、裂纹等质量缺陷；③内孔、沟槽等处的修复；④需现场修复的拆卸困难的大型零件，如油、气泄漏的管道等。
二、零部件材料的回收与再生技术
对于因损坏、腐蚀、磨损等失效程度比较大而修复较困难的零部件，可以将其收集起来进行重熔再生，利用废旧零部件材料生产新的零部件。其中关键技术问题是整体报废设备的系统拆解与分类、重熔过程中夹杂物的有效排除与铸锭组织控制等。
①组合零部件的拆解与不同材料类型的分选技术。拆解与分选的目标是有效分离各种不同类型材料以及可分离的危险有害物质等，首先采用破坏性拆解后进行压扁和剪切，得到不同材料仍混合在一起的大块分解体；再经过整体破碎或切割等处理方法，得到碎小的材料；对碎小材料块体进行重力、磁性分选等，根据被分选物的物理性质，如颗粒大小、比重、电磁性等方面的差异来实现材料种类的分离[11]。
②成分与组织控制技术。车辆零部件需要高强度与良好韧性性相结合的综合性能，有效控制化学成分是实现废旧零部件再生利用的前提条件。但由于目前废旧零部件材料的分选能力有限，重熔原料中会带入大量的夹杂元素或夹杂物，如何取得合理的化学成分成为关键性的环节之一。目前的废旧原料成分控制主要包括：前期预处理，包括表面涂覆物的干法与湿法去除，防止其中的夹杂物混入；通过元素提纯技术，如偏析法、区域熔炼、真空蒸馏等，利用夹杂元素的挥发性等物理特性以及结晶时的偏析行为将夹杂元素排除于熔体之外；向熔体内添加反应性熔剂，利用熔剂与夹杂元素反应生成高熔点固体颗粒或全体等，再通过电磁吸附、过滤等净化处理措施，将夹杂元素带出熔体[12]。
材料的组织形态是决定材料使用性能的关键性因素。目前主要采取以下措施来改善组织形态：①材料的纯净化，防止过多夹杂元素的存在影响强化相的析出形态与分布，或者形成夹杂物；②工艺方面主要加强净化处理、控制冷却以及结晶行为控制等方法使组织细化、第二相析出均匀等；③合金化处理，通过控制析出相类型与形态、相变过程等，达到获取预期组织形态的目的。此外，对于要求较高的零部件，还需通过变形消除铸造缺陷、热处理改善组织形态以及表面处理改善局部组织形态等达到提高材料使用性能的目的。
三、再生零部件质量检测技术的发展与应用
再生零部件的质量检测是保证其使用性能的重要手段，检测的内容与方法主要包括：
①对于再制造零件，其修复层材料的成分与结构是决定零部件性能是否达标的重要因素。常用的表面成分与结构的分析方法有X射线能谱分析（EDS）与波谱分析（WDS）、俄歇电子谱分析（AES）及X射线衍射相分析（XRD）等。
②零部件修复涂层的形貌与组织是使用性能的关键性因素。主要采用光学显微分析、扫描电镜分析、透射电镜分析等方法检测表面形貌与组织形态。
③表面残余应力检测。对于承受疲劳载荷和冲蚀磨损的零件，表面残余应力将明显影响零件的性能。检测方法主要X射线应力分析法和翘曲残余应力分析法等。
④表面力学性能的检测。包括表面硬度、摩擦系数、耐磨性等。修复涂层的表面硬度通常采用维氏硬度法、显微硬度法等，采用摩擦磨损试验来测试材料的摩擦系数与耐磨性。
⑤表面耐腐蚀性能的检测。对于表面有耐腐蚀要求零件，需要根据零件的腐蚀环境进行腐蚀性能的检测，主要有浸泡法、盐雾法、电化学腐蚀电流法、交流阻抗法等。
四、零部件材料再生利用的技术发展
对废旧零部件的再生利用，可有效提高资源利用率、降低能源消耗、减少废弃物排放，符合国家倡导的循环经济发展要求。
目前各国均投入了大量的人财物力来研究与开发新型零部件再生利用技术，以实现经济利益与社会效益的双丰收。如德国弗朗霍夫生产技术研究所（FICT）开发了利用废旧树脂材料生产用于大型车辆的热塑性纤维增强复合材料的工艺方法，该材料的冲击韧性远远高出现用热固性复合材料[13]。
通用电气（GE）全球研发中心涂层及表面技术实验室尝试利用“冷喷涂”技术[14]，作为石油天然气钻井、涡轮机械的零部件修复和涂层的方式。它不像焊接那样需要高温，能使零件在维修后保持部件原有状态。
另外，激光、等离子等高能设备的应用也使废旧零部件的表面涂层修补技术得到了显著的提高，无论在涂层的材料组分、厚度控制、微观组织确定性、结合力等，还是对基体热影响区、残余应力等方面都有很大的改善。
零部件再生利用技术的应用，体现了良好的社会与经济价值。目前世界各国都非常重视再制造产业的发展。美国再制造产业规模最大，超过750亿美元，其中汽车和工程机械领域占2/3以上[15]；大众汽车公司自1947年开始再制造发动机，目前已累计750万台以上，节约了30余万t的优质钢材和5万t的铝合金材料；柏科（常熟）电机有限公司是我国第一家汽车零部件再生利用的企业，目前汽车发电机的再制造生产能力为30万台；上海大众联合发展有限公司已再制造13 000余台发动机，再制造发动机的价格仅为新发动机的55%。
五、结语
零部件的再生利用是实现减少原生矿产资源消耗、降低制造成本、降低废弃物排放的有效途径，是我国制造业加快资源节约型、环境友好型社会的需要。零部件再生利用以及质量检测等技术的不断进步为再制造行业的快速发展提供了坚实的基础。
以汽车为例，目前中国国内汽车保有量突破1亿辆，预计到2020年每年报废的汽车将达到1 400万辆，汽车备件需求值达到2 000亿元以上，但目前我国汽车零部件再制造产品每年不足10亿元。显然零部件的修复与再制造工程有着非常广阔的市场前景。
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