陈永雄，2013年全国优秀博士论文提名奖获得者，时为装甲兵工程学院博士。 徐滨士，男， 1931年3月 生于哈尔滨市，1961年至今历任装甲兵工程学院讲师、副教授、教授，曾任装甲兵工程学院副院长。1990年6月晋升少将军衔。1995年当选中国工程院院士。现任装甲兵工程学院材料科学与工程系装备再制造技术国防科技重点实验室主任，教授、博士生导师。装备维修工程、表面工程和再制造工程领域专家。

　　金属快速成形技术克服了传统加工工艺的缺陷，为制造业的发展打开了新的道路，被认为是“21 世纪的维修技术”。本书总结了高速电弧喷涂成形技术的最新研究结果，系统深入地论述了电弧喷涂成形中喷涂射流雾化沉积、成形涂层温度场与残余应力分布、喷涂成形工艺的优化设计等前沿性关键问题，建立了雾化粒子飞行、熔滴沉积、涂层形成一系列过程的相关数学模型，研究了其中的传热、传质及应力行为，并在上述研究基础上，结合系统集成和工艺优化，进行了高熔点材料的厚成形试验。为电弧喷涂高熔点材料的高性能快速成形与再制造提供了重要的理论基础和工艺指导，具有重要的参考价值。

　　快速成形技术（Rapid Prototyping，RP） 是以生成最终金属零部件或模具为目标，采用离散、堆积的成形思想和制造工艺，使计算机中的几何模型直接转化为三维立体原型的先进制造技术[1-3]。该技术克服了传统加工工艺的缺陷，为制造业的发展打开了新的道路，被认为是近20年来制造领域内的一次重大突破，在世界范围内得到了迅速发展[4-9]。而且，金属快速成形技术已经扩展到装备快速修复保障领域，并被认为是“21世纪的维修技术”。美国、德国、加拿大等国均大力投入了快速成形技术应用于装备维修的研究与开发。例如，美国已初步建立了基于快速成形技术的可以实现野外快速直接成形金属零件、进行装备快速保障的“快速制造系统”。这是一种新型的野外快速制造平台，它集成了先进的金属零件快速成形技术、自动控制技术、新材料技术、信息技术等多种高新技术。该平台是一个能够在野外迅速生产零件的机动式制造系统。采用“快速成形制造系统”后，保障人员将携带罐装的金属粉末等原材料，一旦出现紧急的零件需求，可在非常短的时间内采用激光熔覆等技术完成零件的制造，大大减少零件采购和运输费用，以及购买、储存和跟踪备件所消耗的时间。
　　为了充分利用能源和节约社会资源，促进节能减排，大力发展绿色制造业，中国特色的再制造工程应运而生。再制造工程是以装备全寿命周期为指导，以废旧装备性能实现提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，进行修复、改造废旧装备的一系列技术措施和工程活动的总称[10]。所以，再制造是废旧装备高技术修复、改造的产业化。再制造工程作为我国新世纪以来发展的先进制造和绿色制造的新方向，以节约资源能源、保护环境为特色，以综合利用信息技术、纳米技术、生物技术、寿命预测技术等高科技为核心，充分体现了中国特色自主创新的特点。因此，再制造工程高度契合了构建循环经济和建设创新型国家的战略需求。
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第１章绪论………………………………………………1
1.1 技术背景…………………………………………………………1
1.2 金属喷涂快速成形技术研究应用现状…………………………3
1.2.1 快速成形技术的基本原理…………………………………………3
1.2.2 近终喷射成形技术…………………………………………………4
1.2.3 等离子喷涂快速成形技术…………………………………………4
1.2.4 电弧喷涂成形技术…………………………………………………4
1.3 电弧喷涂快速成形技术发展现状………………………………5
1.3.1 快速模具制造………………………………………………………5
1.3.2 电弧喷涂快速成形系统……………………………………………7
1.4 电弧喷涂快速成形关键技术……………………………………8
1.4.1 喷涂材料……………………………………………………………9
1.4.2 电弧喷涂快速成形工艺……………………………………………12
1.5 本书的目的及内容……………………………………………15
第２章电弧喷涂成形熔滴雾化与沉积……………………18
2.1 引言……………………………………………………………18
2.2 高速电弧喷涂雾化气体的流场分析…………………………19
2.2.1 喷涂气流场的数值建模与求解……………………………………19
2.2.2 计算结果与分析……………………………………………………21
2.3 雾化粒子的飞行行为…………………………………………27
2.3.1 雾化熔滴飞行模型的建立与求解…………………………………27
2.3.2 计算结果与分析……………………………………………………29
2.3.3 电弧喷涂粒子雾化性能的试验……………………………………31
2.4 高速电弧喷涂弧区动态行为…………………………………32
2.4.1 弧区动态行为高速摄像试验方法…………………………………32
2.4.2 喷涂电弧的形成分析………………………………………………33
2.4.3 阴阳极丝材熔化与熔滴过渡行为…………………………………36
2.5 飞行熔滴沉积与凝固过程的分析……………………………37
2.5.1 熔滴沉积模型建立与求解…………………………………………38
2.5.2 计算结果与分析……………………………………………………40
2.6 小结……………………………………………………………49
第３章涂层形成过程及其瞬态热传输行为………………51
3.1 引言……………………………………………………………51
3.2 有限元建模……………………………………………………52
3.2.1 控制方程与边界条件………………………………………………52
3.2.2 有限元计算法则……………………………………………………54
3.2.3 逐层叠加模型………………………………………………………55
3.2.4 随机沉积模型………………………………………………………56
3.2.5 实例研究……………………………………………………………57
3.3 有限元分析结果与讨论………………………………………59
3.3.1 逐层叠加模型与随机沉积模型之间的比较………………………59
3.3.2 喷枪移动速度对传热的影响………………………………………63
3.3.3 间歇喷涂模式对传热的影响………………………………………64
3.4 成形过程中温度变化行为的试验研究………………………65
3.4.1 试验方法……………………………………………………………65
3.4.2 红外测温结果与分析………………………………………………67
3.5 小结……………………………………………………………69
第４章电弧喷涂成形涂层的残余应力……………………71
4.1 引言……………………………………………………………71
4.2 涂层沉积导致的骤冷应力解析模型…………………………72
4.2.1 沉积第一薄层后的应力……………………………………………73
4.2.2 沉积第二薄层后的应力……………………………………………76
4.2.3 沉积第n 薄层后的应力……………………………………………78
4.3 涂层冷却导致的热应力………………………………………80
4.4 总体残余应力…………………………………………………81
4.5 考虑相变时的残余应力………………………………………82
4.6 实例分析………………………………………………………83
4.6.1 NiCoCrAlY 涂层残余应力分析……………………………………84
4.6.2 高碳钢涂层残余应力分析…………………………………………88
4.7 轴类涂层零件残余应力的有限元分析………………………92
4.7.1 问题的描述及有限元模型…………………………………………92
4.7.2 涂层温度分布………………………………………………………94
4.7.3 残余应力分布………………………………………………………95
4.8 小结……………………………………………………………97
第５章自动化高速电弧喷涂系统与工艺…………………100
5.1 引言……………………………………………………………100
5.2 机器人自动化高速电弧喷涂系统的开发……………………101
5.2.1 设计方案…………………………………………………………101
5.2.2 开发流程…………………………………………………………102
5.2.3 自动化电弧喷涂系统作业过程…………………………………104
5.3 喷涂参数的均匀-正交优化设计……………………………105
5.3.1 试验方法…………………………………………………………105
5.3.2 喷涂参数与粒子飞行状态的关系………………………………106
5.3.3 喷涂参数与涂层残余应力的关系………………………………108
5.3.4 喷涂参数与涂层组织结构的关系………………………………109
5.4 喷涂成形路径的优化设计……………………………………111
5.4.1 喷枪平行移动偏移间距的确定…………………………………112
5.4.2 典型喷涂路径的优化……………………………………………118
5.5 小结……………………………………………………………122
第６章高速电弧喷涂成形典型材料及性能………………124
6.1 引言……………………………………………………………124
6.2 热处理对高碳钢喷涂层组织性能的影响……………………125
6.2.1 试验材料与方法…………………………………………………125
6.2.2 热处理对涂层显微硬度的影响…………………………………126
6.2.3 热处理对涂层组织结构的影响…………………………………127
6.3 高碳钢+Al复合喷涂层的组织性能…………………………134
6.3.1 试验方法…………………………………………………………135
6.3.2 喷涂后Fe/Al 复合涂层的组织结构………………………………136
6.3.3 热处理后Fe/Al 复合涂层的组织性能……………………………139
6.4 小结……………………………………………………………143
第7 章高速电弧喷涂厚成形试验…………………………145
7.1 引言……………………………………………………………145
7.2 试验材料及方法………………………………………………145
7.3 高碳钢电弧喷涂厚成形………………………………………146
7.4 电弧喷涂厚成形高碳钢+Al复合涂层………………………149
7.5 小结……………………………………………………………151
参考文献………………………………………………………152