軍用飛機金屬零件激光增材修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展

來源：航空材料學(xué)報
作者：徐進(jìn)軍,  張浩,  高德晰,  湛陽,  江茫,  高昆,  曾全勝, （湖南省飛機維修工程技術(shù)研究中心）

軍用飛機在服役過程中，一些關(guān)鍵金屬零件因變形,、磨損,、腐蝕等原因出現(xiàn)裂紋等缺陷，對飛機的飛行安全以及作戰(zhàn)能力造成影響[1],。飛機零件具有較高的附加值,，對存在不可接受缺陷但未達(dá)報廢標(biāo)準(zhǔn)的零件進(jìn)行及時、可靠的修復(fù),，有助于保障飛機的安全性,、出勤率以及實現(xiàn)作戰(zhàn)能力的最大化[2]。研發(fā)快速有效的航空維修技術(shù)也是保障空軍戰(zhàn)斗能力的內(nèi)在要求,，具有重大的經(jīng)濟效應(yīng)和戰(zhàn)略意義,。

傳統(tǒng)的飛機金屬零件修復(fù)主要集中在表面處理工程和焊接修復(fù)技術(shù),，如增材制造、激光熔覆,、激光熔凝,、冷噴涂、電弧堆焊以及攪拌摩擦焊等[3],。上述技術(shù)具有修復(fù)成本低,、靈活性強、技術(shù)應(yīng)用成熟以及使用范圍廣等優(yōu)勢,，但也存在易污染環(huán)境,、易損傷基體材料、修復(fù)區(qū)結(jié)合力不強,、修復(fù)精度以及自動化程度較低等缺點[4],。

激光增材修復(fù)（laser additive repair，LAR）技術(shù)是激光增材制造技術(shù)在金屬零件修復(fù)領(lǐng)域的具體運用,。通過對零件中損傷部位進(jìn)行準(zhǔn)確建模后開展定制化修復(fù),，具有修復(fù)速度快、效率高以及修復(fù)后零件性能優(yōu)良等優(yōu)勢[5],。LAR技術(shù)已在飛機機翼前緣,、發(fā)動機葉片、垂尾梁,、搖臂,、支架以及起落架活塞桿等損傷金屬零件的修復(fù)中獲得成功運用，部分零件已通過了多次裝機應(yīng)用和驗證考核,，應(yīng)用范圍不斷擴大,，必將在航空維修領(lǐng)域受到更多關(guān)注[6]。本文介紹激光增材修復(fù)技術(shù)特點,，闡述激光增材修復(fù)過程中常見的缺陷類型,，總結(jié)激光增材修復(fù)技術(shù)工藝優(yōu)化特點以及在維修中的應(yīng)用，并對激光增材修復(fù)技術(shù)未來的研究重點和趨勢進(jìn)行探討,。

1.   LAR技術(shù)特點
激光增材制造技術(shù)是激光熔覆和激光快速成型技術(shù)的有機結(jié)合,，主要以金屬粉末或者絲材為原材料，將CAD目標(biāo)成形模型進(jìn)行分層處理,，再利用高能激光束熔化原材料實現(xiàn)堆積生長成形,，是一種能夠快速將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)模型直接轉(zhuǎn)化為實體零件的數(shù)字化制造技術(shù)[2,5]。在具體運用過程中,，采用預(yù)置金屬粉末方式的稱為選區(qū)激光熔化成形技術(shù),，采用同步輸送金屬粉末或者絲材的稱為激光直接沉積成形技術(shù)。國內(nèi)外眾多學(xué)者，又將激光直接沉積成形技術(shù)稱為定向能量沉積,、激光金屬直接成形、激光近凈成形,、直接激光制造,、形狀沉積制造以及激光立體成形等技術(shù)[3-6]。

選區(qū)激光熔化成形技術(shù)是控制高能量的激光束按照預(yù)定的掃描路徑,，熔化預(yù)先鋪覆好的金屬粉末后逐層熔覆堆積,，冷卻凝固后成形的一種技術(shù)[7-8]。激光選區(qū)熔化技術(shù)原理圖如圖1（a）所示,。由于鋪粉類固有的工藝特征,，決定了選區(qū)激光熔化成形技術(shù)對于大型復(fù)雜構(gòu)件的修復(fù)存在局限性[2,4-6]。

圖  1  激光增材制造技術(shù)原理圖　 （a）激光選區(qū)熔化技術(shù)[7-8],；（b）激光直接沉積成形技術(shù)[9-10]

激光直接沉積成形技術(shù)是以金屬粉末/絲材為填充原料,，采用高能激光束將填充材料逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)[9-10],，其原理如圖1（b）所示,。

旁軸送材方式加工平臺易搭建，但送材方向性較強,，輸送材料容易受熱不均勻,；當(dāng)激光掃描路徑較為復(fù)雜時，旁軸送材方式的成形控制難度增加,。激光束同軸送材方式則無方向性問題,，能保證任意路徑下熔覆層的一致性，從而獲得更為廣泛的應(yīng)用[5-6],。按照激光束和金屬粉末的相對位置,，同軸送粉方式又可分為光外同軸送粉和光內(nèi)同軸送粉[6]，如圖2所示,。同軸送粉方式的金屬粉末與激光束同步輸出并匯聚于激光焦點處,，能提升粉末利用率，設(shè)備簡單且更適合精密成形,。與金屬粉末相比,，制備絲材所需成本更低，所以光絲同軸激光增材制造技術(shù)近年來也受到極大關(guān)注[11],。

圖  2  同軸送粉原理示意圖[6] �,。╝）光外同軸送粉；（b）光內(nèi)同軸送粉

與常規(guī)激光熔覆技術(shù)相比,，超高速激光熔覆使粉束匯聚點位于熔池上方,，同時提高光束和粉束的匯聚性，大部分激光能量（約80%）作用于合金粉末，使粉末在落入熔池前處于熔化或者半熔化的狀態(tài),，進(jìn)而減小了粉末在熔池內(nèi)的熔化時間,，減少激光對基體材料的熱輸入量，成形質(zhì)量優(yōu)良[12-13],。超高速激光熔覆的沉積速率由常規(guī)激光熔覆的0.5~2 m/min提升至20~500 m/min,，單次熔覆厚度能夠控制在0.02~1.0 mm，可直接用于修復(fù)較薄零件[14],。該技術(shù)具有更高的工作效率,，如果能代替常規(guī)激光熔覆技術(shù)與快速成型技術(shù)相結(jié)合，將有助于推進(jìn)LAR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,。

激光-電弧復(fù)合增材制造技術(shù)是將激光和電弧兩者的熱源進(jìn)行復(fù)合,，共同作用于材料待熔化區(qū)域，其交互作用能夠產(chǎn)生優(yōu)勢互補效果[14],。在成形過程中,，先啟動電弧能量使材料發(fā)生熔化，激光能穩(wěn)定電弧且能對熔池產(chǎn)生攪拌作用,，可促進(jìn)氣孔的快速逸出,，并使形核生長的晶粒破碎從而細(xì)化晶粒。氣孔數(shù)量的減少以及晶粒的細(xì)化,，能使修復(fù)零部件具有更好的力學(xué)性能,。

與激光增材制造技術(shù)相比，LAR技術(shù)有其自身的特殊性,，需要根據(jù)修復(fù)對象的損傷類型和結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行工藝規(guī)劃,，并且要考慮與零件基體的結(jié)合效果。

飛機零部件LAR工藝流程主要包括：

（1）借助清洗設(shè)備對缺陷零件進(jìn)行清洗處理,，并對零件進(jìn)行無損檢測判定損傷類型以及安全評估,，結(jié)合相應(yīng)的修理手冊標(biāo)準(zhǔn)評估其可修復(fù)性。

（2）受損區(qū)域形式多樣,，為方便激光掃描路徑的形貌特征需求,、增強修復(fù)效果，對受損部位按修理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行V型或U型等規(guī)則化處理,。對缺乏原始三維設(shè)計數(shù)據(jù)的零件,，利用工業(yè)CT、三維激光掃描儀等對待修復(fù)區(qū)域進(jìn)行精確測量,。

（3）采用逆向建模技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，獲得光順的曲面、平面,、實體等特征,，再構(gòu)建較為完整的修復(fù)目標(biāo)模型,。將連續(xù)的三維CAD模型離散成具有一定層厚及順序的分層切片，根據(jù)切片輪廓設(shè)計合理的LAR工藝參數(shù)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字控制程序[15],。

（4）依據(jù)修復(fù)目標(biāo)模型,，以損傷零件為基體，對修復(fù)區(qū)域進(jìn)行激光增材制造,，得到修復(fù)后的零件,。

（5）與維修手冊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，進(jìn)行性能測試以及裝機檢驗等方式確定修復(fù)效果,，檢驗修復(fù)后零件的“修形修性”情況。

綜上所述,，LAR技術(shù)可總結(jié)為以高能量密度的激光束作為熱源,，以金屬粉末或絲材等為填充材料，借助CAD等軟件對目標(biāo)模型進(jìn)行預(yù)分層處理,，通過控制系統(tǒng)使激光光源,、保護(hù)氣體、填充材料輸送裝置和載物工作平臺按指定空間軌跡運動,，以修復(fù)零件為基體對待修復(fù)部位進(jìn)行逐層成形,，最后生成與待修復(fù)部位形性接近的三維實體，完成對損傷零件的幾何形狀和使用性能的恢復(fù),，延長其服役壽命,。

2.   LAR中缺陷類型和調(diào)控方法
在立體型飛機零件LAR過程中，激光循環(huán)往復(fù)進(jìn)行逐點掃描熔化→逐線掃描搭接→逐層凝固堆積,，材料先后經(jīng)歷快熱,、熔化和快冷等過程，導(dǎo)致修復(fù)區(qū)易出現(xiàn)如塌邊,、表面球化,、氣孔以及裂紋等不同尺度缺陷。

2.1   塌邊
在LAR過程中,，高能激光束,、填充材料與基材相互作用，形成的熔池主要受到重力（G）,、保護(hù)氣體氣-固兩相流影響力（M）,、熔液表面張力（N）和基體支撐力（Z）的混合作用，熔池在這四個力相互作用下與水平面形成一定的傾斜角θ,，如圖3（a）所示,。當(dāng)激光束完成第H層的最后一道掃描時，第H+1層第一道如果也在該側(cè)進(jìn)行掃描,，將導(dǎo)致每一層第一道處（即掃描經(jīng)過進(jìn)出端和邊角處）的熱量累積比其他區(qū)域溫度要高,，使熔池的表面張力減小，熔體的流動性增加，凝固層變薄,，導(dǎo)致成形件邊緣出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象[16],。當(dāng)?shù)讓有迯?fù)區(qū)域發(fā)生塌陷時，該區(qū)域較實際沉積高度更低,，如圖3（b）所示,。在縱向分層厚度不變的情況下，激光束掃描至該區(qū)域時,，離焦使激光光斑直徑變大造成能量密度降低,，熔化粉末的能力下降；隨著修復(fù)層數(shù)的增加,，出現(xiàn)塌邊變形現(xiàn)象,，如圖3（c）所示。

圖  3  LAR成形件塌邊現(xiàn)象[16]�,。╝）熔池受力作用示意圖,；（b）塌陷時光束作用示意圖；（b）塌邊實物圖

在修復(fù)薄壁零件或者零件邊緣區(qū)域時,，采用短邊往復(fù)并逐層更換激光起光點位置,，以及針對熔池高溫區(qū)吹冷卻氣體、延長停留時間等方式來降低材料熱量累積效應(yīng),，可減小幾何缺陷現(xiàn)象的發(fā)生[17-18],。

2.2   球化缺陷
在LAR過程中，填充材料熔化液在表面張力的作用下進(jìn)行收縮,，球形表面積和表面能較低且最為穩(wěn)定,，如果熔液與固體基體表面潤濕性較差時，熔液難于均勻鋪展,，易發(fā)生球化反應(yīng)形成球化缺陷[19],，如圖4（a）所示。激光掃描速度較快時,，激光束沖擊熔池易引起熔液飛濺,。飛濺出熔池外的熔液只受重力作用且接收激光能量較低，易形成小尺寸球型金屬顆粒,。此外,，由于激光能量呈高斯分布，熔覆道兩側(cè)以及相鄰道間搭接區(qū)域的能量密度較低,，如果送粉量較大而激光能量不足,，使粉末不能完全融化，會加劇表面球化現(xiàn)象[15],。故表面球化缺陷常分布在熔覆道兩側(cè)或相鄰道間的搭接區(qū)域,，多層FeCr合金球化缺陷實測圖,，如圖4（b）所示。

圖  4  LAR中球化缺陷�,。╝）球化缺陷示意圖[19],；（b）多層FeCr合金球化缺陷實測圖[15]

在LAR過程中，采用預(yù)熱基體和多層成形時進(jìn)行氣氛保護(hù)能提升填充材料熔液與凝固層的潤濕性[15],；適當(dāng)增加激光能量密度,、降低送粉量和延長層間間隔時間（待凝固層穩(wěn)定后），都有助于改善球化缺陷現(xiàn)象[19],。

2.3   氣孔
在LAR過程中,，以下幾種情況都會產(chǎn)生氣孔缺陷：一是在高能激光輻照的過程中，熔池溫度高,，基體材料或者多層多道間搭接處的原有熔覆層發(fā)生冶金反應(yīng),，產(chǎn)生如CO、CO2以及SO2等氣體[20-21],；二是保護(hù)氣體或者輸送粉末氣體（如N2、He以及Ar氣等）中混入空氣,；在快速熔化和凝固過程中,，氣體如果來不及排出就會在成形件中形成氣孔[22-24]。氣孔缺陷的形成與氣-液-固三相之間的接觸角（θ）和熔池凝固時間息息相關(guān)[25],。當(dāng)氣體介質(zhì)與固相界面的接觸角小于90°且熔池凝固時間足夠長時,，氣體介質(zhì)可完全擺脫界面的約束上浮逸出，可避免氣孔缺陷的產(chǎn)生,，如圖5（a）所示,；當(dāng)接觸角大于90°且凝固時間較短時，部分殘余氣體介質(zhì)仍然附著在固相界面來不及逸出,，待熔池凝固后留在成形件中從而形成氣孔缺陷,，如圖5（b）所示。

圖  5  LAR中氣孔缺陷[24-25]�,。╝）氣泡上浮過程,；（b）成形件中典型氣孔缺陷

選取具有良好潤濕性的填充材料，成形前充分烘干減少水汽,，提高激光輸入能量能使熔液液態(tài)時間增長以及適當(dāng)降低掃描速度,，使氣孔有足夠的時間上浮和逸出，都有益于降低材料中的氣孔率[20-23],。此外,，在LAR過程中對熔池施加超聲振動或者磁場等，也能促進(jìn)氣體更好地逸出,，降低孔隙率[25],。

2.4   裂紋
應(yīng)力集中是LAR成形件中產(chǎn)生裂紋的主要原因[23],。LAR過程中產(chǎn)生的應(yīng)力主要包括熱應(yīng)力、約束應(yīng)力以及組織應(yīng)力[26-28],，如圖6（a）所示,。溫度梯度的不同會使材料在冷卻過程當(dāng)中基材與修復(fù)層或者多修復(fù)層內(nèi)部之間的熱膨脹速率不一致，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力[28],。熔池中材料受熱膨脹,，受到周圍較冷基體約束而產(chǎn)生的壓應(yīng)力及凝固收縮受到較冷基體的拉應(yīng)力，稱為約束應(yīng)力,。在成形件中,，由于金屬元素的組織偏聚而引起的應(yīng)力，稱為組織應(yīng)力,。組織不均勻?qū)е略搮^(qū)域應(yīng)力高于其他位置,。在多種應(yīng)力的共同作用下，應(yīng)力不會隨著冷卻而終止,，反而會在其內(nèi)部傳播,，當(dāng)應(yīng)力超過材料極限斷裂強度時，萌生出裂紋,。隨著掃描層數(shù)的增加,，橫向拉應(yīng)力逐漸積累增大，促使裂紋進(jìn)一步擴展,，從而在成形件中形成跨越多層的長裂紋[27],，如圖6（b）和（c）所示。

圖  6  LAR中裂紋缺陷[27]�,。╝）應(yīng)力作用示意圖,；（b）裂紋形成示意圖；（c）裂紋形貌

選用與基體材料熱膨脹系數(shù)接近,、材質(zhì)均勻的填充材料,，并在修復(fù)前進(jìn)行預(yù)熱處理減小溫度梯度、適當(dāng)降低掃描速度減小熔液冷卻速率等有助于減小材料內(nèi)應(yīng)力作用,，降低裂紋率[26-28],。

3.   LAR工藝優(yōu)化特點以及性能改善措施
激光能量密度、搭接率,、填充材料供給速度,、保護(hù)氣體流量、時間參數(shù)和掃描路徑等參數(shù)設(shè)計對激光增材修復(fù)效果具有顯著影響,，需要各參數(shù)相互協(xié)調(diào),。此外，施加外加能場和優(yōu)化設(shè)計專用填充材料能進(jìn)一步提升修復(fù)效果,。

3.1   能量密度
在一定的掃描速度下,，提高激光功率增加了熱輸入量,，熔池流動性增強，促使填充材料反應(yīng)更加充分,，可獲得良好的冶金結(jié)合[29],。Li等[30]的研究結(jié)果表明，提高激光功率可降低7075鋁合金成形件的孔隙率和裂紋率,。隨著激光功率增加,，熔覆區(qū)的柱狀晶晶粒尺寸逐漸變大。但是激光功率太大時,，會引起填充材料以及基體材料發(fā)生嚴(yán)重的燒灼,，使樣品表面嚴(yán)重氧化、熔化過度以及燒傷等現(xiàn)象[31],。

激光功率一定時,，提高掃描速度易引發(fā)填充材料熔化不完全現(xiàn)象，材料處于固-液兩相共存狀態(tài),。該狀態(tài)下材料流動性變差,，易產(chǎn)生孔隙缺陷[29]。與此同時,，掃描速度的增加,，材料冷卻速度過快，使材料溫度梯度增大,，易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。掃描速度過小時,，相鄰掃描時間間隔短,；在激光束移動過程中，熔化材料產(chǎn)生堆疊,，使熔覆區(qū)鋪展不均勻,，樣品成形質(zhì)量變差。

實際上,，激光功率和掃描速度存在一個相互耦合作用,，單純考慮單一參數(shù)對實驗結(jié)果的影響是不夠準(zhǔn)確的。只有對激光功率和掃描速度進(jìn)行有效耦合,，才能使成形件獲得較好的晶粒組織和材料性能[32],。

為了綜合考慮耦合光斑直徑、激光功率以及掃描速度的交互作用,，用激光能量密度來表述更加全面,。任一參數(shù)的調(diào)整都可以影響輸入的能量密度，進(jìn)而實現(xiàn)對熔池形態(tài),、微觀組織以及材料性能的調(diào)控,。

在實驗過程中,，光斑直徑一般為固定值。當(dāng)采用圓形光斑時,，單位面積內(nèi)激光能量密度（F）的表達(dá)式為[14, 18]：

F=4Pπ/DV(1)
式中：D為光斑直徑,；V為掃描速度；對于連續(xù)輸出激光,，P為激光輸出功率,；對于脈沖輸出激光，P為激光平均輸出功率P=Pmax×f×τ,；Pmax為脈沖峰值功率,；f為脈沖頻率；τ為脈沖寬度,。

由式（1）可知,，在實際運用過程中，可在不引起填充材料以及基體燒傷的前提下,，盡可能地提高激光功率并搭配較高的掃描速度,，有助于獲得性能良好的成形件和較高的工作效率。

3.2   搭接率
相對于二維的面積型成形區(qū)域,，多道多層立體修復(fù)區(qū)域由二維轉(zhuǎn)向三維,，搭接率是影響成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素。合適的搭接率能使成形件獲得較好的平整度,，還可以大幅度降低熱裂紋和孔隙的形成傾向[33],。當(dāng)搭接率較小時，搭接區(qū)會出現(xiàn)明顯的凹陷,；當(dāng)激光能量密度較低時,，搭接區(qū)的重熔材料較少，易出現(xiàn)氧化物夾雜和氣孔等缺陷,。當(dāng)搭接率較大時,，搭接區(qū)熔覆高度較高甚至出現(xiàn)明顯的斜坡狀上凸；前一熔道搭接區(qū)受到激光能量的二次加熱后,，重熔材料增多導(dǎo)致成形表面不平整,，凝固區(qū)域晶粒也易粗化，導(dǎo)致材料性能下降[15, 34],。

假設(shè)單層單道樣件形貌為圓弧狀,，W和H分別為單層單道的寬度和高度。根據(jù)熔化成形件的幾何關(guān)系以及面積等效搭接計算模型,，即前道熔池搭接區(qū)域與后一道熔覆線在搭接區(qū)域上堆積結(jié)構(gòu)的橫截面面積相等時（S1=S2）,，可獲得趨于理想的成形層。等效搭接成形層橫截面示意圖如圖7所示,。在此條件下,，可推導(dǎo)出理想搭接率η的計算公式[14-15, 33]：

圖  7  等效搭接熔覆層橫截面示意圖

η=1−SABC/WH(2)
式中：SABC為單層單道圓弧面積,。

此外，不同搭接率下,，激光增材制造過程中的應(yīng)力分布也不盡相同,。李云峰[33]發(fā)現(xiàn)，搭接率較小時,，熔覆層應(yīng)力較小,，且道次間相互作用不強；隨著搭接率的增加,，應(yīng)力主要集中在搭接區(qū)域且應(yīng)力值逐漸增大,。當(dāng)搭接率超過30%后，最大應(yīng)力區(qū)域向起始熔道轉(zhuǎn)移,，主要是因為后續(xù)激光熱源會對前一道熔覆層的搭接區(qū)產(chǎn)生二次重熔,，而已形成的熔道會對其產(chǎn)生拘束作用，從而使起始熔道內(nèi)的應(yīng)力升高,，增加了熔覆層的開裂傾向,。

目前，在大量工藝參數(shù)與實測搭接率的映射關(guān)系基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的搭接率優(yōu)選經(jīng)驗回歸模型[33],，但模型適用性較差,、預(yù)測精度也不夠精確，最佳搭接率的確定還得依靠大量的實驗探索,。一般搭接率的參考選取范圍集中在30% ~ 50%之間[34],。

3.3   填充材料供給速度
在LAR過程中，常用的填充材料主要有合金絲材和粉末,，填充材料的供給速度對成形件質(zhì)量,，特別是成形尺寸精度具有重大影響。

當(dāng)激光能量密度一定時,，隨著送絲速度的增加，單道次熔覆層深度減小,，高度和寬度增大,。當(dāng)送絲速度較小時，熔化材料不足以及熔滴不能均勻鋪展在基材上,，出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象,。提高送絲速度（1.4 m/min），熔化的材料量增加,，不再出現(xiàn)熔覆層不連續(xù)現(xiàn)象,，且沒有發(fā)現(xiàn)氣孔和裂紋。但送絲速度（1.6 m/min）較大時,，更多的熱量用于熔化焊絲,，只有較少熱量到達(dá)母材導(dǎo)致熔池較小使大量的金屬沉積造成熔覆高度達(dá)到一個較高的水平,，高深比進(jìn)一步增加[31]。此外,，當(dāng)送絲速度過大時,，金屬絲被推入熔體池后不能被充分熔化，易導(dǎo)致氣孔和裂紋的產(chǎn)生[21],。

粉末材料與激光的交互作用較絲材更為復(fù)雜[24-27,33],。在激光能量密度一定的情況下，單位時間的粉末流量越大,，對激光能量反射越多,；作用在合金粉末上的能量就越少，則未熔化的粉末越多,，造成表面黏粉和內(nèi)部冶金性氣孔缺陷并且容易造成熔覆層高度過高而寬度較小,，降低成形質(zhì)量。岳海濤等[15]發(fā)現(xiàn),，在相同激光能量輸入量情況下,，送粉速率過大會導(dǎo)致熔池體積增大，熔池溫度降低,，材料黏度上升,，阻礙了氣泡的釋放速度，合金的孔隙率上升,。

在一定程度上增加熱輸入量能提高填充材料的利用率,，且延長了金屬液態(tài)時間，氣孔有足夠的時間上浮和逸出有利于抑制成形層中氣孔的產(chǎn)生[15,24],。因此,，在制定LAR工藝參數(shù)時，除了激光能量密度外,，優(yōu)化填充材料供給量也有益于獲得更高質(zhì)量的成形效果[16],。

3.4   保護(hù)氣體流量
除激光能量密度、填充材料供給速度外,，保護(hù)氣體流量在LAR過程也會影成形效果,。如果填充材料為絲材，合適的保護(hù)氣體流量起隔離空氣的作用,，但過高的保護(hù)氣體流量會提高熔池冷卻速率,，增大熔池的不穩(wěn)定性，成形層產(chǎn)生缺陷以及不規(guī)則成形現(xiàn)象風(fēng)險增加[31],。

填充材料為粉末時,，保護(hù)氣體同時作為輸送粉末介質(zhì)。不同保護(hù)氣體流量會引起粉末顆粒速度和匯聚點濃度的變化，從而對成形效果造成影響,。李云峰等[33]的研究結(jié)果表明：載粉氣流量較小時,，粉末分布發(fā)散；提高載粉氣流量,，粉末的聚集性隨之升高,。當(dāng)流量超過600 L/h后，匯聚區(qū)粉末濃度趨于穩(wěn)定,，匯聚處粉末濃度的增加說明實際進(jìn)入熔池并發(fā)生熔化的粉末數(shù)量增加,。但是，當(dāng)氣流量過大時,，粉末顆粒的動能增大與基體產(chǎn)生高速碰撞,，造成粉末顆粒的無規(guī)則運動甚至產(chǎn)生飛濺，反而降低實際有效送粉量[35-36],。載粉氣體流量使粉末匯聚點與光斑直徑接近時,，可獲得較好的成形效果[33]。Arbo等[21]的實驗結(jié)果也說明過大的保護(hù)氣體流量會造成熔池冷卻速率過快,，使材料中氣孔來不及逸出,，導(dǎo)致產(chǎn)品的孔隙度增大。

3.5   掃描路徑和時間參數(shù)
合理的激光掃描路徑不僅可以提高成形效率,，還可以有效減小修復(fù)區(qū)內(nèi)部殘余應(yīng)力,、調(diào)控晶粒形態(tài)，從而獲得更好的成形效果,。在立體型待修復(fù)區(qū)的成形過程中,，隨著堆積層數(shù)的增加，整體熱輸入量增加,，各層受熱情況更加復(fù)雜[37],。

當(dāng)堆積層采用同向掃描路徑時，相鄰層間的熱輸入與散熱狀態(tài)基本相同,，有助于晶粒沿相同方向持續(xù)生長[14],。當(dāng)堆積層間采用垂直交叉掃描方向時，也有利于熔池快速散熱,，從而減小平均晶粒尺寸,。與此同時，交叉掃描路徑改變了熔池的溫度場,，相鄰層間的晶粒生長方向也隨之發(fā)生改變，使晶粒取向呈隨機分布且尺寸更小[37],，有利于減弱成形合金的各向異性,，提升合金性能。

Guo等[38]對比了堆積層間掃描偏轉(zhuǎn)角度分別為45°和67°時，激光增材制造技術(shù)制備的CrMnCoFeNi合金的組織和性能特點,。研究結(jié)果表明：與掃描偏轉(zhuǎn)67°合金相比,，掃描偏轉(zhuǎn)角度為45°更有利于合金柱狀枝晶向外延生長，承受了較高的局部應(yīng)變,，從而具有較高的裂紋密度,。與單純的改變堆積層間的掃描角度相比，Li等[28],、Gu等[32]進(jìn)一步將單層區(qū)域進(jìn)行分區(qū)和角度可變的“隨機”掃描處理,，使成形過程中合金的熱量分布更加分散，減弱了熱應(yīng)力集中現(xiàn)象,，降低了裂紋率,，分別制備了性能良好的Al-Zn-Mg-Cu-Ta合金和鋁基納米復(fù)合材料。

在調(diào)整掃描路徑調(diào)控成形合金的組織和性能時,，堆積層間的時間間隔也是其中的重要參數(shù),。通過適當(dāng)延長堆積層間停留時間，可以緩解層間和合金邊緣處熔池過熱問題,，應(yīng)使單層材料完全凝固后再在進(jìn)行下一層掃描[28,32],。因此，在掃描路徑的優(yōu)化設(shè)計時,，一方面要有助于成形合金晶粒取向的隨機分布,；另一方面要盡量避免熔池過熱和減小應(yīng)力。

3.6   外加能場改善性能
在優(yōu)化工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上,，加入超聲振動,、電磁場等外加能場有助于進(jìn)一步提升LAR效果。Wang等[39],、Yao等[40],、Cong等[41]分別在SS316L、AISI630不銹鋼和Inconel718合金的LAR過程中添加超聲振動,，結(jié)果表明：外加超聲振動有利于熔池?zé)崃總鬟f能降低修復(fù)區(qū)域溫度梯度,，減少材料凝固時間細(xì)化柱狀枝晶；此外,，還能加強內(nèi)部熔液的流動性使元素分布均勻,，也有助于氣泡的碎化和逸出，明顯降低了修復(fù)區(qū)的孔隙率和微裂紋,，提升了修復(fù)零件的力學(xué)性能,。

施加電磁場則是以洛倫茲力驅(qū)動熔融金屬粒子均勻運動減小了成分偏析使凝固組織更加均勻、并改變晶粒形態(tài)和減少氣孔數(shù)量,。王梁等[42]發(fā)現(xiàn)：隨著磁感應(yīng)強度增大,，修復(fù)區(qū)內(nèi)的孔隙率逐漸降低,；當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至1200 mT時，孔隙率降低至0.006%,。通過分析金屬熔體與熔池中氣泡的受力情況,，認(rèn)為電磁場提供的洛倫茲力有利于金屬熔體向下填充，氣泡加速逸出,。Cheng等[43]發(fā)現(xiàn)：隨著磁場電流增加,，液態(tài)金屬的運動使材料凝固組織變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，并能抑制晶間相的生長,，修復(fù)后Inconel718高溫合金試樣強度由487 MPa提高至770 MPa,。劉奮成等[44]認(rèn)為在LAR過程中添加電磁攪拌促進(jìn)了GH4169高溫合金垂直于枝晶生長方向熔池液態(tài)金屬的流動，能促進(jìn)溶質(zhì)元素的均勻分布,，使枝晶臂的生長更發(fā)達(dá),，共晶組織分布也更加均勻。

3.7   優(yōu)化設(shè)計填充材料
除上述工藝參數(shù)優(yōu)化外,，設(shè)計專用的填充材料有助于提升修復(fù)效果[34],。填充材料應(yīng)遵循與基體材料熱膨脹系數(shù)相近、熔點相近以及具有良好潤濕性的選取原則[8,24,28],。在利用LAR技術(shù)修復(fù)鈦合金,、鋁合金、鐵基合金及鎳基合金等飛機金屬材料零件時,，往往選擇與基體材料成分相同或相近的填充材料能獲得較好的修復(fù)效果[17,20,43,45],。

楊光等[17]采用BT20鈦合金球形粉末對BT20鈦合金零件進(jìn)行LAR修復(fù)。結(jié)果表明：修復(fù)區(qū)與基體冶金結(jié)合效果良好,，顯微硬度較基體提高約12%,。祝弘濱等[20]采用Al-Mg-Sc-Zr合金作為填充材料，對5083合金制件進(jìn)行LAR處理,，修復(fù)后試樣與基體材料的抗拉強度接近,。竇磊等[45]采用與基體材料成分接近的專用填充材料，修復(fù)了1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼航空零件,，修復(fù)區(qū)的力學(xué)性能與基材相當(dāng),。

此外，根據(jù)修復(fù)對象的成分以及特殊的修復(fù)要求,，在設(shè)計填充材料時合理添加一些金屬元素（如Zr,、Sc以及Ta等）或者陶瓷顆粒（如TiC、WC以及Zr02等）,，有助于提高修復(fù)區(qū)力學(xué)性能[8,28,30],。

4.   LAR技術(shù)在飛機零件修復(fù)中的應(yīng)用實例及發(fā)展趨勢
4.1   飛機零件LAR技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
美國AeroMet公司率先應(yīng)用LAR技術(shù)對F15戰(zhàn)斗機機翼梁進(jìn)行修復(fù)，明顯縮短了該構(gòu)件的檢修周期,。美國賓州大學(xué)以光纖激光器作為激光源結(jié)合機器人操作系統(tǒng),，對海軍艦載機零部件進(jìn)行了現(xiàn)場原位的激光直接沉積修復(fù),。美國Optomec Design公司使用LAR技術(shù)對T700艦載機發(fā)動機葉片和渦輪整體葉盤進(jìn)行了快速修復(fù)。修復(fù)后的整體葉盤通過了力學(xué)拉伸,、低周疲勞以及腐蝕性能等多項測試，符合修理標(biāo)準(zhǔn)要求[6, 46],。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Gäumann等[47]利用LAR技術(shù)成功修復(fù)了具有復(fù)雜形狀的CMSX-4單晶葉片,，修復(fù)后的葉片具有與原始組織完全一致的晶體取向，為該發(fā)動機裝機試車提供合格零件,。目前,，美國Optomec、PHENIX,、韓國InssTek,、法國Beam、日本的Matsuur,、Sodick,、Mazak以及德國的DMG、TRUMPF,、EOS,、MCP等公司均已研制出工業(yè)化LAR設(shè)備。

國內(nèi)近年來LAR技術(shù)也獲得較多成功運用的案例,。秦仁耀等[48]采用激光3D熔覆技術(shù)對飛機上固定發(fā)動機用的端軸頸損傷區(qū)域進(jìn)行了修復(fù),，維修區(qū)與基體結(jié)合良好、組織致密且力學(xué)性能優(yōu)于母材,，能夠滿足端軸頸的維修要求,。楊光等[17]采用LAR技術(shù)對飛機垂尾梁進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)效果良好,、修復(fù)區(qū)抗拉強度也高于鍛件基材,。北京航空材料研究院對多種型號飛機中的關(guān)鍵承力構(gòu)件開展了LAR技術(shù)研究，突破了修復(fù)專用填充材料制備以及超高強度鋼修復(fù)工藝-組織-性能的調(diào)控技術(shù),，并建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范,，部分修復(fù)零件已通過裝機評審或裝機使用[49]。如對伊爾76飛機超高強度鋼起落架進(jìn)行LAR處理,，修復(fù)后的起落架作動筒經(jīng)過900 h的起落飛行測試,，服役狀態(tài)良好[3]。

LAR技術(shù)在發(fā)動機構(gòu)件的修復(fù)中也已獲得成功運用,。竇磊等[45]針對某型發(fā)動機渦輪支承軸承座內(nèi)孔磨損缺陷,，通過研發(fā)修復(fù)專用合金粉末以及優(yōu)化LAR技術(shù)工藝，使修復(fù)區(qū)域組織特征和力學(xué)性能與基材相當(dāng),，經(jīng)修復(fù)后的渦輪支承軸承座能滿足一個使用壽命周期要求,。劉江紅等[50]采用LAR技術(shù)對氫氧發(fā)動機二級葉輪進(jìn)行修復(fù),，修復(fù)后的葉輪先后通過了常溫超轉(zhuǎn)、疲勞實驗,、水力實驗以及熱試車考核,，滿足再次使用性能要求。Ci等[51]通過預(yù)熱打印基板等方式優(yōu)化激光增材修復(fù)工藝,，對DD432單晶渦輪葉片的葉尖進(jìn)行了接長修復(fù),，修復(fù)區(qū)拉伸性能接近單晶基板性能。近年來,，華中科技大學(xué),、武漢光電國家實驗室、西安鉑力特,、浙江工業(yè)大學(xué),、南京煜宸、航天科技集團八院149廠等已成功研制出了工業(yè)化LAR設(shè)備,。

4.2   發(fā)展趨勢
為更好地適應(yīng)新型飛機金屬零件修復(fù)要求,，進(jìn)一步推動該技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度，以下4個方面可能是未來的研究重點和趨勢：

（1）復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的修復(fù)區(qū)域由規(guī)則的平面向非規(guī)則的曲面發(fā)展,，成形軌跡也由二維直線轉(zhuǎn)向空間曲線,。研發(fā)出集成高精度測量定位、增減材制造路徑自動規(guī)劃以及工藝模擬仿真軟件于一體的輔助系統(tǒng),，是保證修復(fù)質(zhì)量穩(wěn)定性以及提升一次修復(fù)合格率的現(xiàn)實保障,。

（2）在修復(fù)過程中結(jié)合外加能場，有助于減少冶金缺陷,、實現(xiàn)修復(fù)區(qū)域組織均勻以及緩解修復(fù)堆積層各向異性等難題,。多能場融合式LAR技術(shù)如何進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化管理、在線實時監(jiān)測以及反饋閉環(huán)控制將會是該技術(shù)的重點研究方向,。

（3）對于修復(fù)零件必須做到“修形”與“控性”并行,，特別是補修后需重新投入使用的關(guān)鍵重要承載零件。根據(jù)對標(biāo)樣的組織特征,、材料性能以及損傷容限等演化關(guān)系,，借助有限元軟件和相應(yīng)的模擬測試監(jiān)控方法，建立系統(tǒng),、可靠的修復(fù)評價標(biāo)準(zhǔn)和完整性考核規(guī)范是亟須突破的難題,。

（4）未來戰(zhàn)爭必然是快節(jié)奏的高技術(shù)戰(zhàn)爭，戰(zhàn)場搶修有助于戰(zhàn)時快速反應(yīng),、快速部署以及快速維修目標(biāo)的實現(xiàn),。因此，適用于戰(zhàn)場條件下超大尺寸構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù),、先進(jìn)智能以及可移動的“飛機零部件激光增減材修復(fù)醫(yī)院”的研發(fā),，勢在必行,。

5.   結(jié)論
LAR技術(shù)具有響應(yīng)速度快、成形精度高以及無需模具即可實現(xiàn)定制式修復(fù)等特點,，已在軍用飛機金屬零件維修中取得了較為成功的運用,。在成形過程中，仍然存在塌邊,、表面球化,、氣孔以及裂紋等不同尺度缺陷，通過優(yōu)化成形工藝參數(shù)可有效避免缺陷的形成,。理清缺陷形成理論原理，突破控形-控性的關(guān)鍵技術(shù)難題,，建立合理的成形工藝庫,，對獲得高質(zhì)量的激光增材修復(fù)效果具有重要意義。

LAR技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)該是智能化,、輕量化以及多學(xué)科交叉融合的多元化,。進(jìn)一步研發(fā)低成本可通用的填充材料、優(yōu)化工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),、研制工業(yè)化裝備以及規(guī)范“修行修性”的質(zhì)檢要求等環(huán)節(jié),，能更有效地助力軍用飛機維修保障。