浙江工業(yè)大學(xué)姚喆赫博士：多能場復(fù)合激光表面改性技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用

2020年8月20日-21日,，中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產(chǎn)業(yè)年會在安徽蕪湖市舉行，此次年會由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心,、安徽省經(jīng)濟和信息化廳、蕪湖市人民政府指導(dǎo)，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦,，繁昌縣人民政府協(xié)辦，南極熊作為支持媒體對本次會議進行了直播,。

△浙江工業(yè)大學(xué)先進制造與現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)研究所副所長姚喆赫博士

在“產(chǎn)業(yè)化推廣論壇”上,，浙江工業(yè)大學(xué)先進制造與現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)研究所副所長姚喆赫博士做了《多能場復(fù)合激光表面改性技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用》演講的現(xiàn)場速記,。
△視頻：姚喆赫《多能場復(fù)合激光表面改性技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用》

姚喆赫博士：尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家,，大家下午好,，題目稍微有點挑戰(zhàn)，因為昨天聽了題目感覺從激光制造著手講和大會主題更加契合,。報告本來是由我們領(lǐng)導(dǎo)姚建華來做,，但是臨時收到國家經(jīng)信委的答辯通知，所以由我來匯報一些工作,。

修復(fù)與再造的趨勢大家非常明確,，因為每年零件尤其是大型裝備的零部件損傷非常大，如果能夠?qū)崿F(xiàn)修復(fù),，將大大提高經(jīng)濟效益,。

不同的工業(yè)領(lǐng)域都有明確的修復(fù)需求，我們和國外的區(qū)別,，因為在歐美國家的研究主要集中在航天發(fā)動機等領(lǐng)域,，我們國家的航空發(fā)動機也做了一些東西，軍口不方便說,。民口領(lǐng)域國外現(xiàn)存的大型設(shè)備更加多,，因為我們在冶金裝備、軌道交通,、工業(yè)基礎(chǔ)件等等這些部件都有大量的修復(fù)需求,。因此我們也針對這方面需求開展增材再制造的研究。

再制造領(lǐng)域采用激光這個手段來做增材再制造,，其性能效率和智能化具有優(yōu)勢,，已經(jīng)成為主流的技術(shù)之一。

昨天聽報告還學(xué)了領(lǐng)導(dǎo)的一句話,，因為高校里經(jīng)常說“頂天立地”,，鼎天叫基礎(chǔ)研究，立地叫應(yīng)用,，經(jīng)常說我們搞的東西不能用,，領(lǐng)導(dǎo)總結(jié)為什么不能用？不好用,、不敢用,、不管用。

什么是不敢用,？對于激光再制造來講,，這個技術(shù)首先已經(jīng)用了，哪些領(lǐng)域不敢用,？就是有些關(guān)鍵重要的領(lǐng)域?qū)τ诹悴考�的修�?fù)質(zhì)量非常高,，以前只是需要直接換新了,，現(xiàn)在跟他說這個直接把缺陷修一修用一用他比較擔心，當然這個擔心不是多余的,，尤其對一些疲勞要求比較高的零部件確實需要進行反復(fù)的測試,，因此針對高質(zhì)量的修復(fù)需求我們重點開發(fā)激光符合再制造和過程智能監(jiān)控。很多公司尤其有一些大型的研發(fā)儲備公司買來以后就搗鼓,，發(fā)現(xiàn)不好用,，不好用的重要原因是成本和效益問題。我們?nèi)绾翁岣咝���,？在激光有一個超高速熔覆,、寬待以及超音速激光沉積等方面。還有大型裝備目前拆下來比較困難,，就需要現(xiàn)場再制造和在疫再制造的研究,。

針對能場輔助的激光再制造我們主要針對一些電磁場、超聲能場以及熱場,，因為通過輔助能場可以在激光修復(fù)過程中對熔池形成調(diào)控從而控性控形達到我們的目的,。

比如在穩(wěn)態(tài)磁場、交變磁場能夠抑制它的熔池流動或者加速熔池的流動,。因為激光修復(fù)整個是成形的技術(shù),，這個過程它的所有最后的修復(fù)結(jié)果都基于溶池的過程，如果通過穩(wěn)態(tài)和交變磁場就能夠達到我們需要的目標,。除了文獻能查到的,，我們還提出電磁復(fù)合場，采用穩(wěn)態(tài)電場和穩(wěn)態(tài)磁場可以達到我們的一些效果,。

比如在形貌方面，一般來說激光修復(fù)或者熔覆的效果相對比較差一些,，采用電磁場輔助一定程度能夠抑制表面的流動,，使得表面形貌起伏降低。在氣孔方面因為有些對于氣孔要求非�,？量逃绕涫擒姽ゎI(lǐng)域,，那我們采用電磁場相當于向下的力，強制性地把氣孔排出去達到苛刻的氣孔需求,，可以達到近100%的致密度,。如果我們不加電磁場一做出來全是氣孔�,；蛘咴诜浅�極端的比如尖角的孔里面也可以采用這樣方式把這個缺陷排除掉,。還有一些顆粒分布，因為今天早晨參觀了上海光機所孵化的企業(yè),，他們也做了碳涂層做得也非常好,。這方面可以采用電磁場對涂層的分布進行調(diào)控,，因為涂層如果做得特別硬而且集中在表面對于加工比較麻煩，因為太硬了,，如果全部都在下面又不起作用,，所以可以通過電磁場縱向進行調(diào)控，以達到不同的應(yīng)用場合我們所需要的目的,。

總結(jié)一下,，我們采用電磁場對于激光熔覆能夠在排氣、組織致密度以及調(diào)控方面達到我們所需要的效果,。

超聲方面,，因為我們在超聲振動目前做得比較多，可能覺得超聲就是把它振一振,，實際上超聲加上去以后它對熔池有一個聲空化作用機制,，一方面損失的射流可以使內(nèi)部的流動發(fā)生顯著變化，同時超聲功率下的沖擊壓強也會使損失的熔點提高,，使凝固發(fā)生顯著的變化,。因為有很多的東西沒有發(fā)表，就給大家簡單過一下,，其中有一部分數(shù)字模擬的工作,，在聲空化方面有一點微觀組織，對于熔池同樣有明顯的加速過程,，使得熔池的溫度梯度發(fā)生顯著變化,。同樣對于微觀組織來講超聲組織可以發(fā)現(xiàn)發(fā)生顯著變化，還有Laves的分散也有明顯的趨勢,。

在高效激光增材再制造方面,，我覺得所有高效激光增材再制造的前提是目前大功率激光器的普及，我們院長經(jīng)常會說現(xiàn)在做實驗東不動幾千萬幾百萬,，現(xiàn)在萬瓦級已經(jīng)普及了,，在激光器普及的情況下對效率就可以各種方法來提高。比如高音速的角度來講德國人提出超高速熔覆,，還有大光斑來說,，如果光斑不聚焦的話根本無法熔化或者提高高溫，現(xiàn)在功率高了用大光斑可以實現(xiàn)大面積的寬帶熔覆,。還有超音速激光沉積過程,，這是源于冷噴涂。昨天有一個報告本來是李長久教授做冷噴涂的介紹,，后來沒有來報告有所變化,。冷噴涂是通過粉末固態(tài)沉積的過程，在這個過程我們使用激光進行輔助，為什么要加激光輔助,？因為只是一個固態(tài)沉積更適合用一些輕金屬比如鋁,、鋁合金、銅合金等等,，對于鐵基,、高溫合金可能不太合適，但是輔助一些激光就能夠?qū)崿F(xiàn)這方面,，這方面也有美國的專利,。

在超音速激光沉積里面，在激光輔助下的顆粒打在上面,，和激光熔覆可以完有全不一樣的效果,。相比于激光熔覆，一般做幾次實驗可以看到氧化,，會有影響,，那么在超音速沉積基本上看不到這個現(xiàn)象，而且基本上保持原始成分,，原始成分從金剛石這方面就更加明確,。如果采用激光熔覆，金剛石一照肯定就沒了,，那這個技術(shù)可以獲非常高硬度的涂層,。包括對于一些輕合金，我們采用超音速沉積的方法可以進行復(fù)合涂層,，包括對銅,、鋁,、鈦做的嘗試包括單層以后做一些增材制造的工作,。

超音速激光復(fù)合沉積在材料方面,、結(jié)合里方面與對比的技術(shù)都有一定的優(yōu)勢。


現(xiàn)場再制造因為連續(xù)三年國家重點研發(fā)計劃的支持下,，第三年是支持可移動式的現(xiàn)場再制造的項目,，這方面的工作我們也開展的一些，現(xiàn)在這臺設(shè)備是第二代設(shè)備,，我們實際服役過,，企業(yè)有需求時拉過去,，尤其是轉(zhuǎn)子軸進行現(xiàn)場修復(fù)的工作,。

應(yīng)用案例因為合作單位中科煜宸還有報告，所以我就介紹得少一些,，除了開展技術(shù)研發(fā)工作,，也對一些應(yīng)用案例開展研究。比如能源動力針對轉(zhuǎn)子軸以及葉片開展復(fù)合制造方面。同時在石油化工裝備領(lǐng)域?qū)τ陂y板開展一些超音速激光沉積的探索,。在軌道交通裝備領(lǐng)域和蘇州大學(xué)以及齊齊哈爾合作開展一些曲線鋼軌修復(fù),。礦山機械比較有代表性，山能重裝應(yīng)該說激光再制造領(lǐng)域的規(guī)�,；瘧�(yīng)用的典范,，之前聽他們說還以為是吹，結(jié)果看了以后發(fā)現(xiàn)不是吹,，真的是大規(guī)模在不停地熔覆,。冶金裝備在南鋼也有一些應(yīng)用。還有工業(yè)基礎(chǔ)件的激光修復(fù)的應(yīng)用,。

發(fā)展前景,，我們認為目前處于第二階段，第一階段是從無到有的過程,。早期的激光器可能是能量完全不夠的時代,，在這個過程中，浙江工業(yè)大學(xué)2000年成立激光中心,，也參與到從無到有的開發(fā)過程,，也在2012年獲得了國家科技進步二等獎。第二階段從控形控性,、效率成本,、多能場復(fù)合達到從有到好的階段，也獲得一些成果,。后面還需要各位專家和同仁的共同努力使得這個技術(shù)更早地實現(xiàn)批量應(yīng)用,。

從學(xué)術(shù)角度來說一些挑戰(zhàn)和展望，一個是多能量場/多工藝協(xié)同作用機理,。一方面我們采用協(xié)同作用獲得一些效益,，但是真正內(nèi)部的協(xié)同機理還 需要進一步研究，以及仿真非常困難,，還有新的復(fù)合工藝的方法,。標準化目前我們也參與一些工作，也非常重要,，因為激光再制造有一些關(guān)鍵領(lǐng)域他可能不敢用,，如果一個企業(yè)在前期沒有投入非常充分的實驗就去把激光再制造用在上面，使得出現(xiàn)一些問題,，我說的這個問題確實是已經(jīng)出現(xiàn)了,，不僅僅對于那家公司可能造成具有負面影響，對于這個行業(yè)可能都會有比較大的影響,，會造成更加不敢用的情況,，這種情況就呼吁標準化的工作,。

最后請允許介紹一下我們的團隊。

我們的團隊在2000年成立激光中心,，在2015年建立浙江工業(yè)大學(xué)校直屬的獨立激光先進制造研究院,，到今年正好是20年，如果不是疫情應(yīng)該會搞個慶典,，現(xiàn)在不知道怎么弄,，形成了一個國際化的創(chuàng)新團隊。2016年和2018年組織兩次LHM會議就是激光復(fù)合制造的會議,，沒有疫情也會是今年舉辦,，我們和機械工業(yè)學(xué)會都已經(jīng)談好，把機械工業(yè)學(xué)會的年會和我們放在一起,，可能是今年弄,，也可能是明年，到時候也是歡迎大家到浙江工業(yè)大學(xué)指導(dǎo)交流,。

謝謝,。