深度解析 | 激光增材再制造技術(shù)及應(yīng)用

作者：董世運(yùn)  方金祥  徐濱士 裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

本文簡介激光增材再制造的技術(shù)特點(diǎn),，介紹該技術(shù)在國防,、能源動力、工業(yè)裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀,，展示了其應(yīng)用前景,。深入分析了激光增材再制造技術(shù)的四個關(guān)鍵問題：殘余應(yīng)力問題、基體熱影響區(qū)問題,、界面匹配性問題,、再制造過程智能化及自動化問題,。指出這四個問題是制約激光增材再制造技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的“瓶頸難題”。

一,、引言
激光增材制造技術(shù),，又稱為激光3D打印技術(shù)，是在計算機(jī)輔助下,，把三維實(shí)體模型切片處理為二維層片,，二維層片再離散為一維線條，采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行逐點(diǎn)堆積,，最終實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體零件成形的激光制造技術(shù)（其基本原理和過程如圖1所示）,。同傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，該技術(shù)具有柔性化,、易于實(shí)現(xiàn)智能化,、生產(chǎn)周期短、能生產(chǎn)出很高力學(xué)性能的零件等特點(diǎn),，該技術(shù)已經(jīng)在航空,、國防、交通,、能源,、冶金、礦采等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,，并展現(xiàn)出誘人前景。

圖1  激光增材制造技術(shù)原理

激光增材再制造是以激光熔覆技術(shù)為基礎(chǔ),，對服役失效零件及誤加工零件進(jìn)行幾何形狀及力學(xué)性能恢復(fù)的技術(shù)行為�,，F(xiàn)代工業(yè)及國防的許多重大裝備生產(chǎn)工藝復(fù)雜、工序長,、成本高,，這些裝備在服役的過程中，一些關(guān)鍵零部件往往會由于磨損,、腐蝕,、疲勞、事故等原因而失效,，從而影響設(shè)備正常運(yùn)行使用,，如能對這些高附加值零件進(jìn)行修復(fù)再制造，則可以保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn),、節(jié)約成本,，創(chuàng)造極大的經(jīng)濟(jì)效益。一些零件的加工程序復(fù)雜,、難度高,，容易出現(xiàn)誤損傷,，許多時候，誤加工的零件只能做報廢處理,，這將造成極大的浪費(fèi)和損失,，對這些誤加工的零件進(jìn)行增材制造修復(fù)，可以大大提高零件合格率,，縮短生產(chǎn)周期,，提高經(jīng)濟(jì)效益，挽回?fù)p失,。激光增材再制造是一種先進(jìn)的再制造修復(fù)手段,，該技術(shù)熱源能量集中，可在對基體性能影響較小的情況下,，實(shí)現(xiàn)零件的幾何形狀及力學(xué)性能的高質(zhì)量恢復(fù),，采用該技術(shù)對服役失效及誤加工零部件進(jìn)行再制造修復(fù)，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義,。目前激光增材再制造技術(shù)已經(jīng)在航空發(fā)動機(jī),、燃?xì)廨啓C(jī)、鋼鐵冶金,、軍隊(duì)伴隨保障等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,。

激光增材再制造技術(shù)原理與激光3D打印技術(shù)相近，但又有其自身的特點(diǎn),。典型的激光增材再制造流程如下：拆解—清洗—分類—檢測—判別—再制造修復(fù)—（熱處理）—后加工—檢驗(yàn),。對于拆解清洗后的待再制造件，需要先進(jìn)行無損檢測及壽命評估,，然后對于能再制造零件進(jìn)行再制造修復(fù),，接著再進(jìn)行后熱處理及后加工，最后對再制造零件的質(zhì)量進(jìn)行檢測評價,，判定再制造產(chǎn)品是否合格,，其中最核心的階段是修復(fù)階段。同激光3D打印技術(shù)相比,，激光增材再制造技術(shù)還需要關(guān)注再制造過程對基體的熱損傷,、再制造材料同基體的界面、再制造材料同基體的物性匹配等問題,，問題更為復(fù)雜,。對于激光3D打印技術(shù)，整個零件都是通過逐點(diǎn)掃描堆積成形的,，因此,，其制造周期相對較長、成本較高,，與此相對,，激光增材再制造以失效或者誤加工零件為基體,，需要恢復(fù)的尺寸往往很有限，其制造周期短,、成本低,，因此，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益更加顯著,。

二,、激光增材再制造技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

激光增材再制造技術(shù)是裝備高性能修復(fù)先進(jìn)技術(shù)，已經(jīng)在不同工業(yè)領(lǐng)域高端裝備高附加值零件維修中獲得了重要應(yīng)用,。英國Rolls-Royce公司把激光熔覆技術(shù)用于RB211型燃?xì)廨啓C(jī)葉片的修復(fù),；美國Optpmec Design公司采用激光熔覆成形技術(shù)對T700飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件的磨損進(jìn)行修復(fù)；美國Huffman公司也采用激光熔覆成形技術(shù)對鎳基高溫合金及鈦合金航空葉片進(jìn)行了修復(fù),；美軍已成功研制的“移動零件醫(yī)院”（簡稱為MPH系統(tǒng)）利用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行金屬零件的快速制造和再制造,，該系統(tǒng)已經(jīng)列裝美國海軍和陸軍，并在阿富汗戰(zhàn)場發(fā)揮了重要作用,。目前激,，光熔覆技術(shù)已在世界各主要工業(yè)國家獲得了大量的研究和應(yīng)用。

在我國,，激光增材再制造技術(shù)也在近十幾年取得很大進(jìn)展,，其工程化應(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)大，在航空工業(yè)和武器裝備維修領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用,。某工廠采用激光增材再制造技術(shù),，對航空發(fā)動機(jī)葉片及飛機(jī)其它承力件進(jìn)行修復(fù)再制造。中科院自動化所將增材再制造技術(shù)用于航空發(fā)動機(jī)渦輪導(dǎo)向器及船舶葉片的修復(fù),。裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國內(nèi)再制造領(lǐng)域唯一的國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，在激光增材再制造方面，承擔(dān)完成了裝備預(yù)先研究項(xiàng)目,、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家973項(xiàng)目和企業(yè)合作項(xiàng)目等一系列國家,、軍隊(duì)和企業(yè)科研任務(wù),，在激光增材再制造的材料、工藝,、性能表征等方面做了深入研究和探索,，解決了重載車輛發(fā)動機(jī)凸輪軸、鑄鐵缸蓋,、滲碳齒輪以及高速列車車軸,、大型壓縮機(jī)葉輪和多種軸類件等典型裝備零件再制造技術(shù)難題（見圖2），創(chuàng)造了顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,。

圖2  激光增材再制造重載車輛典型零件

激光增材再制造技術(shù)已經(jīng)成為高端裝備服務(wù)領(lǐng)域的重要技術(shù)手段,。國內(nèi)已經(jīng)有激光增材再制造企業(yè)近300家,，其中沈陽大陸激光技術(shù)有限公司是國內(nèi)最早基于激光熔覆技術(shù)開展激光增材再制造服務(wù)的高科技公司，已把激光增材再制造技術(shù)應(yīng)用于多個工業(yè)領(lǐng)域,，成功解決了航空裝備,、冶金設(shè)備、石化設(shè)備,、能源電力設(shè)備和礦采設(shè)備等重要零部件的應(yīng)急搶修和再制造難題（見圖3）,，創(chuàng)造了重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

圖3  激光增材再制造典型工業(yè)裝備零部件

目前,，浙江工業(yè)大學(xué),、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué),、天津工業(yè)大學(xué),、裝甲兵工程學(xué)院、廣州中科院先進(jìn)技術(shù)研究所,、南京先進(jìn)技術(shù)研究院,、沈陽大陸激光技術(shù)有限公司、遼寧思達(dá)思克實(shí)業(yè)有限公司等科研院所和企業(yè)對激光增材再制造技術(shù)工藝,、裝備和材料及應(yīng)用進(jìn)行了深入研究和實(shí)踐,，已經(jīng)形成了高校、科研院所和工廠企業(yè)三方競爭而又協(xié)作發(fā)展的格局,，構(gòu)成了我國激光增材再制造技術(shù)研究和應(yīng)用的主力軍,。

三、激光增材再制造關(guān)鍵問題

盡管激光增材再制造已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用,，但仍然有一系列的關(guān)鍵問題需要進(jìn)一步研究解決,。

1．殘余應(yīng)力是激光增材再制造面臨最為棘手的問題之一。再制造零件增材部分通過激光熔覆技術(shù)逐點(diǎn)掃描堆積成形,，這一非線性強(qiáng)耦合過程中,，材料的溫度、物性不均勻性極強(qiáng),，不可避免的伴隨應(yīng)力,、應(yīng)變的演化，導(dǎo)致再制造零件出現(xiàn)裂紋,、變形,，而且高的殘余應(yīng)力狀態(tài)也將影響零件的靜力學(xué)、耐蝕,、疲勞等性能,，最終影響再制造零件的服役性能及安全。

同激光3D打印技術(shù)相比,，激光增材再制造殘余應(yīng)力問題更為突出,。對于激光3D打印,，可以通過合理的堆積策略，調(diào)整熔覆過程溫度場的均勻性,，調(diào)整材料實(shí)際拘束度,，避免拉應(yīng)力過大積累；激光增材制造過程基體形狀尺寸往往是固定的,，其拘束度一般較大,，容易造成高水平殘余拉應(yīng)力的積累。另外,，激光增材再制造過程中,，基體材料同再制造材料往往是異種材料，其屈服強(qiáng)度,、熱膨脹系數(shù)等影響殘余應(yīng)力演化的關(guān)鍵參數(shù)通常相差較大,，容易造成高水平殘余拉應(yīng)力水平積累，且提高應(yīng)力分布的不均勻性,。北航王華明教授把殘余應(yīng)力問題稱為激光增材制造的“第一大瓶頸難題”,，對于激光增材制造，這個問題的嚴(yán)重性有過之而無不及,，需要做進(jìn)一步的工作,。

2．熱影響區(qū)性能劣化是激光增材再制造的另一個重要問題。眾所周知,，熱影響區(qū)通常是焊接接頭比較脆弱的部分,，激光增材再制造過程雖然熱源能量密度集中，熱影響區(qū)域較小,，但其熱影響區(qū)材料性能演變?nèi)匀皇且粋�需要重點(diǎn)關(guān)注的問題,。激光增材再制造熱循環(huán)引起材料微觀組織變化，最終影響材料的性能,，熱過程可能影響晶粒的尺寸及均勻性,，影響析出相的種類、分布及尺寸,，材料的固溶度,、元素晶界偏析程度等，最終影響熱影響區(qū)的硬度,、強(qiáng)度、塑性,、耐蝕性等性能,。從基體到界面，典型的熱影響區(qū)可以粗略分為不完全再結(jié)晶區(qū),、再結(jié)晶區(qū),、過熱區(qū)等,。不完全再結(jié)晶區(qū)晶粒度均勻性較差，性能均勻性也較差,；再結(jié)晶區(qū)組織通常較細(xì),；過熱區(qū)有許多異常長大的晶粒，其晶粒度及性能均勻性也較差,。激光增材再制造常見的基體材料有鎳基,、鈷基,、鈦基,、鐵基、鋁基等,，并且其熱處理狀態(tài)多樣,，有鑄態(tài),、鍛造、時效,、軋制,、滲碳滲氮等，因此,，激光增材制造熱影響區(qū)性能的劣化方式及劣化程度有較大的區(qū)別,，需要根據(jù)具體材料，進(jìn)行有針對性的探索研究,，通常情況下,，焊接過程熱影響區(qū)的研究結(jié)果具有一定的參考價值，但需要注意激光增材再制造熱循環(huán)跟一般焊接過程熱循環(huán)的區(qū)別,，激光增材再制造過程中,，熱影響區(qū)溫度梯度更大、溫度變化也更加劇烈,，熱循環(huán)的次數(shù)可能會更多,。

3．基體同再制造材料的界面匹配性問題也是激光增材再制造的一個重要問題。和激光3D打印不同,，激光增材再制造材料與基體材料化學(xué)成分及熱處理狀態(tài)往往不同,，其組織特征、物理化學(xué)性能必然存在一定的差異,，這些差異將影響界面的結(jié)合質(zhì)量,，導(dǎo)致缺陷出現(xiàn)。界面的問題主要有以下幾類：一種是界面脆性相,，基體材料同熔覆材料混合,，有可能生成一些脆性相。如，灰鑄鐵件激光增材再制造的時候,，由于石墨中碳的釋放,，在極高的冷卻速率下，極易在界面處出現(xiàn)淬硬組織“白口”,，脆性相的生成往往導(dǎo)致再制造過程出現(xiàn)裂紋,，嚴(yán)重劣化界面性能。另一種界面問題是界面縫隙及裂紋,，基體材料同熔覆材料如果相容性差,，則界面濕潤性能差，很容易在界面出現(xiàn)縫隙氣孔等缺陷,，影響界面結(jié)合強(qiáng)度,。界面物性匹配度也是界面的重要問題，激光增材再制造過程中,，界面兩側(cè)材料需要經(jīng)歷復(fù)雜的溫度及應(yīng)力應(yīng)變循環(huán),，這種物性的差異容易導(dǎo)致界面應(yīng)力異常，甚至出現(xiàn)裂紋,，在后續(xù)服役過程中,，零件常常需要承受溫度載荷及力載荷，此時,，熱膨脹系數(shù),、屈服強(qiáng)度、硬度,、密度等差異將嚴(yán)重影響界面性能,，甚至出現(xiàn)剝落等現(xiàn)象，影響服役性能及服役安全,。事實(shí)上,，激光增材再制造材料是該技術(shù)的核心，有必要根據(jù)基體材料體系,、熱處理狀態(tài),、服役條件等因素，建立激光增材再制造材料專用數(shù)據(jù)庫,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,，推動激光增材再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。


4．再制造過程的智能化及自動化也是激光增材制造技術(shù)的重要問題,。對于激光3D打印,，相對比較容易實(shí)現(xiàn)自動化，同種零件可以采用完全一樣的制造策略,。激光增材再制造技術(shù)中,，再制造毛坯種類千差萬別，即便同一類零件，其損傷方式,、損傷位置、損傷程度也不盡相同,，這意味著激光增材再制造很難像制造過程哪樣,，簡單的實(shí)現(xiàn)批量化、自動化生產(chǎn),。這一特點(diǎn)將影響激光增材再制造的周期和效率,，降低其經(jīng)濟(jì)性。理想狀況下,，先對待再制造零件進(jìn)行三維掃描,，反求后待再制造模型同理想零件模型進(jìn)行對比，然后自動進(jìn)行再制造策略的制定,，確定零件上坐標(biāo)參考點(diǎn)后,，進(jìn)行激光增材制造操作，經(jīng)過后續(xù)處理,，即可得到再制造完成零件,。目前的實(shí)際操作中，三維反求后的堆積策略制定,，尚不能達(dá)到最理想的狀態(tài),，沒有完全實(shí)現(xiàn)自動化及智能化，再制造效果不盡如人意,，常常需要人工針對具體零件進(jìn)行再制造操作,，這要求操作人員具有較高的技術(shù)水平、增加了再制造操作的時間周期,，降低了經(jīng)濟(jì)效益,。因此，有必要繼續(xù)深入研究三維反求后再制造策略規(guī)劃技術(shù),，需要注意的是,，激光增材再制造技術(shù)有基體的限制，其策略規(guī)劃同激光3D打印技術(shù)有一定的區(qū)別,。

四,、結(jié)束語
1、激光增材再制造是一項(xiàng)先進(jìn)的再制造修復(fù)技術(shù),，已經(jīng)在鋼鐵,、礦山、機(jī)械,、交通,、能源動力、航空航天、國防等領(lǐng)域獲得了大量成功應(yīng)用,，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益,，具有廣闊應(yīng)用前景。

2,、殘余應(yīng)力調(diào)控,、基體熱損傷調(diào)控、界面匹配性,、再制造過程的自動化及智能化是激光增材再制造技術(shù)的四大關(guān)鍵問題,，激光增材再制造的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，依賴于這四大問題的深入研究和解決,。

作者：董世運(yùn)  方金祥  徐濱士 裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，