綜述：激光增材再制造所面臨的挑戰(zhàn)

來源：長三角G60激光聯(lián)盟


導(dǎo)讀：本文為大家展示激光增材再制造過程中所面臨的問題，并從不同角度對其進行了闡述，還討論了深度學(xué)習(xí),、數(shù)字孿生等工具的應(yīng)用,。

1.引言
制造工具部件包括一系列的價值增值過程，并且需要原材料和導(dǎo)電性等特殊要求,，使得這一工業(yè)成為原材料和電力世界中的一個主要的消耗,。然而，隨著時間的流逝,，由于摩擦磨損等原因,，部件的功能會部分消失，從而造成部件的失效,。這一雙向的材料流動,，即獲取-制造-使用-拋棄的線性經(jīng)濟的快速制造模式對環(huán)境保護來說是一大威脅，造成環(huán)境資源的不斷浪費也是一個較大的問題,。數(shù)據(jù)報道顯示,，這一工業(yè)模式為溫室氣體效應(yīng)的21-30%負責(zé)。這些問題,，即環(huán)境的惡化和溫室效應(yīng)的威脅,，需要發(fā)展和促進再制造經(jīng)濟的發(fā)展，使得一個終端產(chǎn)品可以有更長的服役壽命,，或者讓其有更長的服役壽命,。在這一經(jīng)濟形勢中，經(jīng)常指循環(huán)經(jīng)濟,，其重點就是最大限度的發(fā)揮資源的效用,。線性經(jīng)濟和循環(huán)經(jīng)濟的對比見圖1所示。

再制造和再循環(huán)是促進循環(huán)經(jīng)濟的兩個主流的技術(shù)（見圖1b）,。然而,，再循環(huán)只是材料的循環(huán)，而再制造是一個價值增值的過程,，是通過制造或者修復(fù)磨損的區(qū)域的功能性而實現(xiàn)的,。進一步，再循環(huán)是能量強度的問題,，會影響環(huán)境。另外一方面,，從節(jié)能和節(jié)材的角度來描述的話,，可以大大減少對廢物和廢品的處理。美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所（ANSI）證實再制造為“一種綜合的和有活力的工業(yè)過程,，通過前面所述的銷售,、租售、使用、磨損或非功能性產(chǎn)品或部件返回到成為像新的或比新品更好的狀態(tài)”,，同時滿足質(zhì)量和性能,，通過可控的，可重復(fù)的和可持續(xù)的工藝過程來實現(xiàn)的,。

圖1 線性經(jīng)濟（a）和循環(huán)經(jīng)濟（b）的對比圖

數(shù)據(jù)報道顯示,，再制造工業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的階段。美國的再制造預(yù)計從2017年到2025年,，復(fù)合增長率為6.6%,。進一步的，汽車零部件的再制造,，在世界范圍內(nèi)預(yù)計在2025年將達到30 Billion美元,。印度，作為一個新的經(jīng)濟體,，同時也重點發(fā)展和促進資源的利用,，并在2019年將其作為國策。在印度,，沃爾沃已經(jīng)開始了再制造設(shè)備的構(gòu)建,，康明斯開始了再制造發(fā)動機并在相關(guān)部門得到了因應(yīng)用。

發(fā)動機再制造主要包括材料的可控沉積,，這些材料包括大多數(shù)的金屬及其合金,，沉積到磨損的工件表面，由此,，使用能量源來熔化和沉積原材料,。電弧是最常用的作為熱源的應(yīng)用于再制造的一種工藝，但該工藝的問題在于較高的熱輸入會導(dǎo)致熱效應(yīng)和顯微組織的改變,，這些改變造成同服役所要求的高性能相違背,。同時高的熱輸入還會造成熱影響區(qū)的增大。盡管采用電子束和等離子體來進行沉積時,，其熱輸入相對較低,，但這兩種工藝需要復(fù)雜的裝置。尤其是在采用電子束進行沉積的時候,，還需要有較高的真空環(huán)境,，從而限制了該技術(shù)對較小的部件和復(fù)雜形狀部件上的應(yīng)用。此外,，還需要額外的時間來抽真空,，而這個過程在采用激光作為能量源的時候是不需要的。同電弧相比較,，激光再制造使用極端的聚焦的能量來局部的熔化材料,，減少了總的熱輸入,。較小的熔池也有利于更好的控制沉積材料的尺寸和顯微組織以及相鄰的區(qū)域。得益于這些優(yōu)點,，大量的研究基于激光再制造而展開,。再制造的工藝，包括激光再制造在內(nèi),，見圖2,。

圖2 不同的激光再制造技術(shù)

本文盡最大努力總結(jié)激光再制造工藝的現(xiàn)狀。同時對存在的挑戰(zhàn)也給與了重點介紹,。

2.激光再制造
激光再制造通過添加粉末（絲材或者膏狀材料）熔化到磨損部件的區(qū)域而實現(xiàn)的,。激光再制造的工藝過程包括三個不同的階段，即預(yù)加工階段,、沉積過程和后加工處理過程,，如圖3所示。在預(yù)加工過程中,，原始磨損的部件從母體中拆解出來,，清理從而使其不再受到灰塵、油污,、潤滑油或者其他臟物質(zhì)的污染,。接下來，對部件的再制造的經(jīng)濟性和技術(shù)上的可行性進行評估,。預(yù)處理過程對再制造來說是一個非常重要的過程,，尤其在可達性、制造熔池和獲得再制造部件的檢驗認證上尤其如此,。沉積的路徑規(guī)劃的實施主要考慮部件的機加工和目標(biāo)工件的形狀,，以及布爾數(shù)學(xué)體系的加工，如減材加工的實施對修復(fù)區(qū)域進行數(shù)字生成,。計算得到的修復(fù)體積轉(zhuǎn)換為STL文件,，分層后傳輸給增材再制造設(shè)備。

圖3 以AM為基礎(chǔ)的再制造技術(shù)的工藝鏈

取決于修復(fù)體積,、內(nèi)部特征的存在形式以及磨損部件的平坦程度,，要么采用激光熔覆（激光能量直接沉積，DED）,、要么采用粉末床熔化技術(shù)（ＰＢＦ）,，可以選擇用來沉積。PBF工藝包括兩個步驟,，首先,，粉末均勻的在基材鋪展開來或者在前一沉積層上鋪展，然而粉末在高能激光束的作用下選擇性的熔化,，構(gòu)建成部件的橫截面,。另外一方面，DED工藝屬于一步法工藝,，移動的激光束用來在基材上形成熔池,，粉末原材料以粉末的形式輸送到熔池中，原材料還可以是絲狀或者膏狀,。在使用絲材進行激光沉積時,，還包括熔滴的傳輸，此時材料并不是連續(xù)且光滑的,，從而造成熔覆層的質(zhì)量不好,。輸送角度也是一個比較重要的問題，因為他在送絲時影響著熔覆層的質(zhì)量,。在送粉的時候,，粉末的輸送可以分為同軸和傍軸兩種，均是借助氣體來保護熔池以防止氧化,，見圖４所示,。氧化會影響熔覆層的潤濕角。建議優(yōu)先選用同步送粉,，這是因為它可以在各種方向上均可以實現(xiàn)較好的沉積,。

圖4 同軸和傍軸的LMD工藝

圖4-1   (a) TC4 粉末和; (b) 304L粉末時采用四個送粉嘴進行實驗和模擬的結(jié)果

對于凝固，一層凝固材料就形成了,，然后繼續(xù)沉積和堆垛,，從而一個３D的部件就形成了。制造的部件從加工床中移除并清理,。差的表面質(zhì)量,、內(nèi)部缺陷和尺寸精度的差異均靠后續(xù)的機加工來保證。當(dāng)前的后續(xù)的機加工技術(shù)將在隨后的章節(jié)來討論,。部件機加工后,，開始進行檢查。然而,，涂漆或者額外的其他檢查方法以確保部件的性能得到了保證和改善,。

此外，為了保證致密度,，還需要對工藝參數(shù)進行優(yōu)化以及對制造方位進行選擇,。粉末的形狀、顆粒直徑以及純度均是決定制造部件致密度的關(guān)鍵因素,。后處理工藝,，如熱處理、機加工,、熱等靜壓和激光重熔等均可以用來消除內(nèi)部缺陷以提高材料的致密度,。PBF和DED的工藝對比見表１,，僅限于再制造方面的對比。

當(dāng)同傳統(tǒng)工藝相比較的時候,，激光再制造可以提供小的熱影響區(qū),、較好的冶金結(jié)合、由于快的冷卻速度而形成的優(yōu)異的顯微組織,、較少的裂紋,、變形和稀釋率。同時有可能制造單晶結(jié)構(gòu)和定向凝固的組織,。

為了采用增材制造技術(shù)來制造懸垂結(jié)構(gòu),，有時非常有必要來通過額外的支撐結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。由于這一支撐結(jié)構(gòu)增加了額外的制造時間和制造成本,，同時還降低了表面質(zhì)量,，因此有必要來盡可能的減少或消除支撐結(jié)構(gòu)。采用優(yōu)化制造方向,、拓撲優(yōu)化等手段來設(shè)計和進行工藝優(yōu)化,，可以最大限度的減少支撐結(jié)構(gòu)的存在。以粉末床為例,，部件的支撐就是松散的粉末,，從而有助于減少支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。而在DED中,，多軸的沉積系統(tǒng)可以動態(tài)的調(diào)整,，從而也可以最大限度的減少支撐結(jié)構(gòu)。對再制造而言,，由于最初的目前是重構(gòu)原始的尺寸,，所以拓撲優(yōu)化就不再實用。同時,，并不會經(jīng)常存在比較適合的表面來沉積而支撐起沉積,。因此，部件的機加工和制造方位以及多軸沉積系統(tǒng)用來避免需要支撐的系統(tǒng),。實際上,，并沒有一個單一的激光再制造部件需要支撐系統(tǒng)，這在文獻中多有報道,。

關(guān)于激光再制造工程部件的現(xiàn)有文獻中,，大多數(shù)都是關(guān)于DED的，這是因為DED具有前述中所提到的優(yōu)點,，很少有報道是采用PBF工藝來進行再制造的,。Optomec公司（美國）向大家展示了利用DED工藝進行不同復(fù)雜形狀部件的再制造，如轉(zhuǎn)子,、壓縮機定子和噴嘴,，這些部件M1 Abram坦克,、齒輪箱和渦輪整體葉盤以及AGT1500渦輪發(fā)動機上的部件。他們同時還發(fā)展了一種用于修復(fù)內(nèi)部缺陷的深度修理加工頭,。另外一方面,，美國西門子公司采用PBF修煉了燒蝕區(qū)，該區(qū)域是渦輪葉片和汽輪機葉片尖端的燒蝕,。采用激光再制造技術(shù)修復(fù)不同的部件可以在現(xiàn)有文獻中查閱到，每一領(lǐng)域的占比見圖5,。

圖5 激光再制造在不同領(lǐng)域中應(yīng)用的占比和激光再制造的文獻數(shù)量

DED還有一個非常重要的能力就是可以通過不同材料的添加而制備出功能梯度材料,。例如，硬化材料沉積在部件表面來增強其性質(zhì),，由此,，再制造部件的功能性質(zhì)就可以超過原材料。

同傳統(tǒng)的制造工藝先比較,，激光為基礎(chǔ)的再制造具有熱影響區(qū)小,、更佳的冶金結(jié)合、由于快速凝固冷卻而形成的優(yōu)異的顯微組織,、較少的裂紋,、較小的變形和小的稀釋率等優(yōu)點。同時該技術(shù)還可以制備出單晶和定向凝固的組織,。

盡管激光再制造具有如上諸多的優(yōu)點,，要使用激光再制造技術(shù)來制備出無缺陷的激光沉積層來依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，最大的阻礙在于如何獲得高質(zhì)量的再制造部件,。

3.激光再制造所面臨的挑戰(zhàn)

由于激光再制造工藝包括大量的工藝參數(shù)和復(fù)雜的熱循環(huán),，甚至是工藝過程中的一個小的變化都會帶來熔覆質(zhì)量、缺陷和精度的變化,。而且,，單獨的缺陷累積會影響到最終的部件。仔細的研究激光沉積工藝過程,，可以看到它包括非常復(fù)雜的物理過程{見圖6-1},。同時還存在一些同系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)，則這些參數(shù)同工藝參數(shù)一起使得整個過程變得更為復(fù)雜,。而且,，熔覆尺寸、表面質(zhì)量（粗糙度）,、稀釋率,、機械性能和顯微組織等均會由于一個小小的變化而受到極大的影響。不同的系統(tǒng)參數(shù),、粉末性能,、基材,、粉末的噴射時的物理現(xiàn)象以及沉積層的不同特征見圖6。

圖6 激光熔覆時熔覆層質(zhì)量,、不同的輸入?yún)��?shù)和物理現(xiàn)象

圖6-1 激光制造時的影響因素圖

3.1尺寸精度和熔覆層的幾何形狀
層層堆積的制造過程,，沉積道的幾何形狀是決定沉積層質(zhì)量的一個重要參數(shù)�,？刂瞥练e層的高度,、熔覆層邊緣處的角度均勻性在整個熔覆邊緣處的角度的一致是沒有必要的。而且,，沉積層的寬度決定著沉積的時間,。正確的理解不同工藝參數(shù)和沉積道之間的關(guān)系有助于獲得需要的熔覆道的形狀，如高度,、寬度和邊緣角度等,。不同工藝參數(shù)以及他們的相互作用對沉積層的幾何形狀的影響見圖7。圖 7-1為增材制造時所遇到的缺陷匯總,。

圖7 不同的工藝參數(shù)及其對熔覆形狀的影響

部件的尺寸精度用沉積的均勻性和可重復(fù)性來表示,。由于在激光再制造的過程中，熔覆道的寬度和高度是mm量級的,，幾乎所有的再制造應(yīng)用均需要通過多層沉積和多道搭接來形成一定的厚度,。在搭接時控制熔覆層的形狀是一個巨大的挑戰(zhàn)，這是因為先前的熔道的存在會對該物理過程產(chǎn)生影響,，見圖8（a）,。圖8（b）顯示的為第一個熔道的幾何形狀和緊隨其后的熔道在使用同一套參數(shù)加工時明顯的差別。再制造部件的尺寸精度同時也會由于沉積過程中的熱應(yīng)力的作用所形成的熱應(yīng)力而施加影響,。

圖8 (a) 不同質(zhì)量和熱流對搭接道的影響,；(b) 在沉積后得到的熔覆道

在熔覆道開始時的過堆積、尖角處以及熔覆道的結(jié)束處均是影響尺寸精度的關(guān)鍵點,。熔覆層的形狀在開始,、終止結(jié)束以及由于這些變化所造成的影響見圖9。熱傳導(dǎo)比較差的時候,，加速延遲,、沉積頭的減速等均會造成尖角處的過堆積。這是因為激光頭或沉積面具有一定的質(zhì)量和慣性,，從而造成它需要一定的時間進行加速或減速,，而抓取或減速均需要一定的時間。進一步的,，基于CNC控制的激光再制造,，命令的執(zhí)行是一步步的完成的。經(jīng)常在開始的階段，激光頭和粉末先打開,，沉積頭的運動緊隨其后,。相似地，沉積頭的結(jié)束階段,，沉積頭先停止,，然后是激光頭和粉末開始關(guān)閉。這就導(dǎo)致了熔覆層在開始和結(jié)束時形狀的不準(zhǔn)確性,。

圖9 激光沉積的開始和停止時的缺陷: (a) 過沉積Over-building, and (b) 在閉合的熔覆道上開始和結(jié)束時的 不匹配的熔覆道的橫截面

稀釋率可以通過熔覆層的截面金相來表示,。然而，同時也有很多數(shù)學(xué)公式來進行計算,，見圖10（a）,。沉積層的稀釋率是熔覆時的一個非常重要的參數(shù)，影響著沉積層的顯微組織,、沉積層的機械性能等。過度的稀釋對熔覆層的形狀具有負面的影響,，同時對沉積層的質(zhì)量也有影響,。因為此時它具有較大的熱影響區(qū)和會造成大的變形，甚至是基材中裂紋的產(chǎn)生,。然而,，一定的稀釋率是必須的，且要避免在界面處形成脆性相,，否則,，沉積層會從基材剝離開來。較為理想的稀釋率范圍為8-15%,。

圖10 (a) 定義激光熔覆層的橫截面時的形狀參數(shù),；(b) 基于稀釋率的不同的潤濕性

在高溫條件下沉積時，氧化就會變得至關(guān)重要了,。它會影響到材料的潤濕性且會讓熔覆層的潤濕性變差和沒有充分的稀釋,。高的激光功率、低的掃描速度,、低的送粉速度都會導(dǎo)致在基材上產(chǎn)生較高的熱量,，增加了熔池的深度，由此增加了稀釋率,。

3.2表面粗糙度

基材的表面粗糙度以及由于沉積所造成的粗糙度也會影響到沉積質(zhì)量,。Ibrahim等人的研究表明，單層熔覆FeCrMoCB非晶粉末到不含Ni的不銹鋼上的時候,，熔覆道的寬度,、高度均隨著基材表面粗糙度的下降而增加。粉末的顆粒大小也會影響到表面粗糙度。經(jīng)常來說,，熔覆時的表面均不會太光滑,。沉積層的表面粗糙度顯著的受到粉末質(zhì)量、掃描速度和搭接率的影響,。激光沉積后,，如果表面太粗糙就需要進行后續(xù)的機加工以獲得好的表面質(zhì)量，表面粗糙時不僅會影響到表面質(zhì)量,，也會影響到氣孔的形成,。控制搭接率（見圖11）是一個比較關(guān)鍵的因素,，這是因為多道掃描才能覆蓋一個比光斑還大的面積,。兩道搭接時一般搭接率在29-50%。進一步的,，粉末也會影響到沉積層的表面質(zhì)量,，粗顆粒的粉末會造成粗糙的表面。此外,，LMD工藝得到的表面是比較差的,，在隨后的沉積層很有可能形成氣孔。表面粗糙度增加有可能造成空隙,。相似地,，Thijs等人的研究就提到過，長的氣孔就是由于表面粗糙度的原因而形成的,。

圖11(a) 熔覆道沒有搭接的時候,；  (b)搭接不良的時候； (c) 比較理想的搭接 .

熔覆層的表面粗糙度極大的受到熔池的擾動的影響,，較大的擾動本身有利于粉末的混合,，從而導(dǎo)致未熔粉末極少暴漏在表面。部分熔化的粉末也會保留在沉積表面,，從而增加了表面粗糙度,。非均勻的沉積表面的聚集在連續(xù)沉積層中，同時也會造成多層沉積的波蕩起伏,。不同的粉末輸送方式,，即同軸額傍軸，也會影響到能量的輸送密度,，從而造成如圖12所述的粉末未熔化的黏附現(xiàn)象,。

圖12 大量的沒有熔化的粉末

沉積層的臺階效應(yīng)，同樣會造成沉積層的表面粗糙度大,，它取決于傾斜的角度和沉積層的厚度,。

3.3氣孔。裂紋和不理想的顯微組織

氣孔、不理想的顯微組織和熱影響區(qū)是非常重要的決定沉積層性能的參數(shù),。熔覆道的高寬比不適宜時或者潤濕性較差時,，熔道之間就會形成空穴，而層間的空穴經(jīng)常發(fā)生在相鄰的沉積層上,，這是因為未熔合造成的,，從而形成拉長的氣孔。內(nèi)部搭接形成的氣孔可以通過傾斜激光束來減少,。然而,，這種方式并不是最佳解決方案，傾斜角小于5°可以有助于避免光的反射,，尤其是加工高反的材料時,。盡管內(nèi)部搭接氣孔也可以通過選擇適當(dāng)?shù)墓に噮��?shù)來避免。高寬比大于5和搭接率為50%也會形成搭接氣孔,。

層間內(nèi)部氣孔的形成原因可謂模棱兩可,，而諸如氣體捕獲、粉末內(nèi)部的氣孔以及高的稀釋率都認為是形成層間內(nèi)部氣孔的形成原因,。熔池的尺寸也會影響到沉積層初始氣孔的形成,。熔池寬度上的較高的搭接率也會造成氣孔，這是因為層層之間存在未熔合造成的,，而且,，低的搭接率會造成匙孔氣孔,。

沉積層的疲勞性能也會嚴重的受到諸如氣孔的影響,，這是因為氣孔作為裂紋的萌生源而存在。氣孔可以通過增加能量密度和使用較細的粉末來降低,。然而,，高的能量密度會導(dǎo)致在熔池的根部形成匙孔，同時會由于蒸發(fā)造成低熔點的元素的貧化,。經(jīng)常需要后續(xù)熱處理來改善其顯微組織,，但這一操作會對界面的結(jié)合強度產(chǎn)生不利的影響。

沉積層中顯微組織的控制是一個非常復(fù)雜的問題,。組織的形成主要受到熱歷史的影響，同時對不同的工藝參數(shù)都非常敏感,。而且,，層層堆積的制造模式，在沉積隨后的一層的時候,，前一沉積層被再次加熱,，從而使顯微組織發(fā)生了改變。晶粒尺寸對局部的凝固狀態(tài)非常敏感，而晶粒的生長方向則主要取決于晶粒在基材中的方向,。沉積層中顯微組織的晶粒是不同的,，并且是隨機的，這主要是因為他們主要受到兩個因素的控制,，即熱歷史和基材顯微組織中晶粒的方位,。這將反過來影響到沉積層的疲勞性能。沉積層中的夾雜物也會影響到顯微組織和惡化機械性能,。

3.4殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力主要取決于加熱,、冷卻和熱物理性質(zhì)、掃描策略,。加工參數(shù)等,，殘余應(yīng)力會造成沉積層的變形。殘余應(yīng)力要么是拉應(yīng)力,，要么是壓應(yīng)力。Shrivastavs等人利用熱機械有限元模擬來評估Ni-5Mo-5Al沉積層中的殘余應(yīng)力,。得到殘余應(yīng)力基本上是拉應(yīng)力,。拉應(yīng)力狀態(tài)的殘余應(yīng)力對制造部件的疲勞性能是有害的,，然而,，壓應(yīng)力狀態(tài)的殘余應(yīng)力可以提高部件的服役能力。

殘余應(yīng)力會導(dǎo)致在沉積層中形成微裂紋,，在長度方向上存在的裂紋（平行于表面）會導(dǎo)致沉積層的碎裂，而微小裂紋垂直于表面,，并且分割開的裂紋會在熱循環(huán)時提供應(yīng)變。Saboori等人使用兩種不同的掃描策略（0-90°和0-67°）來制造316L不銹鋼立方體,，在立方體的頂部，在兩種情形下得到的殘余應(yīng)力相似,。然而,，考慮到側(cè)邊，可以得出0-67°的掃描策略得到的參與用力較低,。

4.面臨的挑戰(zhàn)

如下的章節(jié)將探討激光沉積再制造過程中所遇到的問題,。

4.1復(fù)合激光增材制造
為了最大限度的發(fā)揮多種工藝的優(yōu)勢，激光沉積工藝可以同其他工藝或其他能量源一起,。比較典型的,，不同的后處理工藝,，如機加工、噴丸,、熱處理,、冷/熱等靜壓。攪拌摩擦焊等均可以用來解決諸如形狀精度,、表面粗糙度、表面裂紋,、殘余應(yīng)力,、氣孔等問題。然而,，復(fù)雜形狀部件的機加工或內(nèi)部形狀的加工是比較困難的,，這是因為物理空間的限制、收縮和包裹等,。為了解決上述問題,，可以引入另外一種工藝來解決，而不是事后解決,。目前商業(yè)上的激光增材復(fù)合制造的一個典型案例就是DMG的增減材復(fù)合制造,，見圖13。

圖13 DMG的激光增減材設(shè)備

圖13-1 各種增減材的組合及其實際例子

4.2激光重熔
在激光沉積時,，沉積層重新使用連續(xù)波模式的激光再掃描一遍,。重熔不能引起材料的蒸發(fā)，只是將材料進行重新分配,。激光重熔對減少表面的粗糙度和降低殘余應(yīng)力比較有幫助,。同時還可以起到消除沉積層中的氣孔、裂紋而提高了材料的致密度,，見圖14（a,、b）,。重熔同時還可以起到提高疲勞性能的作用,，這是因為重熔減少了表面和次表面的缺陷。在AISI1020不銹鋼上沉積IN625時,，重熔過的材料的高周疲勞性能提高了幾乎3倍,。圖14（c、d）則為典型的熔覆層的斷裂特征,，其中一個樣品為重熔后的樣品,。此外，激光重熔還能細化顯微組織和提高機械性能的作用,。為了提高SLM時材料的致密度和表面質(zhì)量,，可以用表面重熔來提高,。采用重熔也可以讓表面的臺階效應(yīng)降低10-15%，同時對傾斜的表面和曲線的表面也有效果,。沉積層的表面粗糙度也可以通過重熔來改善,，見圖15中的示意圖所示。再重熔等離子噴涂的時候,，也可以起到細化晶粒的作用,。

圖14 通過重熔消除裂紋: (a) 沒有重熔的情況；(b) 對沉積層進行重熔(熔覆層: Ni-5Mo-5Al, 基材: AISI 1020);疲勞后 斷裂后的界面: (c) 沒有重熔的結(jié)果,；(d) 重熔后的結(jié)果 (熔覆材料: Inconel 625, 基材: AISI 1020)

圖15 對沉積層重熔后提高了表面粗糙度的示意圖

無氣孔,、致密的沉積層還可以提高層間的結(jié)合力，重熔所造成的晶粒細化可以提高顯微硬度,、摩擦磨損性能等機械性能,。因此，重熔對再制造部件的磨損性能是有益的,。

為了展示兩種不同的掃描策略的影響,，用如圖16（a、b）中所示的掃描策略來重熔In625,。在第一種情形中,，重熔同沉積的掃描方向一致，在另外一種情況下,，重熔同沉積的掃描方向相垂直,。激光功率、掃描間距,、掃描速度同沉積時一樣,。圖16（c、d）為重熔后的效果,。

同時,，證據(jù)還表明，重熔時掃描方向垂直于沉積方向時還可以得到相對較好的表面粗糙度,。

圖16 補救措施: (a) 沿著掃描道次進行重復(fù),； (b) 垂直于掃描道次重熔；重熔后的表面：(c) 沿著掃描道次重熔,；Along the clad track, and (d)垂直于掃描道次重熔 ,。(基材直徑: 28 mm, 基材高度: 10 mm)

4.3過程監(jiān)控/實時監(jiān)控
由于層層堆積的制造過程是一種伴隨著時間的流逝而進行的一個過程，并且再制造部件往往也是一個昂貴的存在,。探測和防止在沉積過程中的異�,？梢苑乐箷r間的浪費和資源的浪費。在激光陳及時結(jié)合過程控制和監(jiān)控,，可以獲得無缺陷的且可接受的精度和準(zhǔn)確性的單道沉積層,。由此,，不僅節(jié)省了時間，也節(jié)約了成本,。而且,，為了獲得可重復(fù)性�,？蓮�(fù)制,。可控制和易監(jiān)控的沉積層是必不可少的,。

在激光沉積時,，除了工藝參數(shù)之外，各種不同的信號要么來自于激光-材料的相互作用,，要么來自粉末傳感器的相互作用,，均可以用來檢測來確保過程的魯棒性。工藝過程中的信號可以利用各種不同的技術(shù)來探測,，如光學(xué),、熱的、聲的技術(shù),。然而,，將工藝參數(shù)、工藝信號和沉積層的質(zhì)量關(guān)聯(lián)在一起則需要破解工藝信號的密碼,，這一監(jiān)控技術(shù)見圖17,。

圖17實時過程監(jiān)測和控制的示意圖  

圖17-1 在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)

圖17-2 復(fù)合增材制造的時候，從機理和能量源的角度出發(fā)得到的性能-機理-能量源-復(fù)合工藝的流程圖

圖17-2  不同傳感器的控制監(jiān)測軟件的界面圖： (a) 相機Camera ,；(b) 熱成像相機Thermal camera ,；(c) 激光掃描（Laser scanner）；(d) 電力傳感器electrical sensors,；(e)熔池視覺傳感器 Melt pool vision sensor,。

4.3.1光學(xué)監(jiān)控技術(shù)
光學(xué)監(jiān)控技術(shù)主要用來控制粉末的流量、稀釋率,、匙孔現(xiàn)象,、熔池的形狀和成分、熱和冷裂紋,、層間的搭接,、沉積層的形態(tài)變化等,。工藝信號通過光電二極管,、高速相機等捕獲。同時還可以利用照相和不同的過濾器以減少對比度和過濾額外的噪音,。此外,，激光位移傳感器,、光學(xué)發(fā)射光譜和激光多普勒振動儀也可以用來進行監(jiān)測。

光電二極管是一種半導(dǎo)體器件,，可以將光信號轉(zhuǎn)換成電信號,，并且具有快速反應(yīng)的特點，當(dāng)光達到光電二極管的時候,，信號開始通過它的電流,，同輸入的光的強度成比例。通常來說,，InGaAs光電二極管用來探測紅外區(qū)域的光,，而硅光二極管則用來探測紫外區(qū)域的光。

CCD（充電耦合裝置）和互補金屬氧化半導(dǎo)體（CMOS）相機是兩種不同類型的用于監(jiān)控的相機,。對CCD相機,，信號為像素，通過剪切或相機中的單個電流來獲取,，然而,，在CMOS相機中，每一像素都有自己的處理電流,，從而提高了即使是很復(fù)雜時也可以快速處理,。探頭可以同軸，也可以旁軸或者離軸安裝,。同軸設(shè)備可以對整個熔池實時監(jiān)控,，而側(cè)軸可以對整個區(qū)域進行處理，并且不會受到激光頭振動的影響,。在同軸探測的時候,，激光加工的光學(xué)路徑可以如圖18所示。這一系統(tǒng)有一個光束過濾器,。濾波器和分光鏡,。

圖18 同軸的相機監(jiān)測系統(tǒng)的排布

熔池的深度也是一個非常重要的參數(shù)，會影響到稀釋率和匙孔的生成,，額外的稀釋率對沉積層的形狀和質(zhì)量具有較大的影響,。熔池深度直接同激光功率相關(guān)，并且反過來正比于掃描速度,�,？刂迫鄢厣疃葧�造成層之間同基材具有較大的結(jié)合力。監(jiān)控熔池的波動可以用來控制熔池的深度,。Caprio等人展示了熔池深度和單道沉積時的振動頻率之間的關(guān)系,，見圖19。他們測量了熔池表面的振動,，借助一個高速CMOS相機捕獲二次探測的反射光束來實現(xiàn)的,。進一步的,，他們的研究結(jié)果表明所用相機的識別頻率至少是振動頻率的二倍。

圖19 熔池穿透深度Vs震蕩頻率

Arround等人使用激光多普勒振動儀來監(jiān)測熔池的振動,，其工作原理是兩束光來干涉,。他們模糊熔池的行為，利用Ga填充孔的辦法來填充,。模糊振蕩器用來激活模糊的熔池,。Ocylok等人建議稀釋率也可以用來控制熔池的尺寸。結(jié)合物理為基礎(chǔ)的分析模型,，高速同軸相機可以用來估計熔池的深度,。熔池的寬度可以通過圖像處理來評估分析模型用來評估深度-寬度比。

Qilin等人使用離軸的相機,，幀率為60fps來捕獲熔池,，并使用灰度對數(shù)來獲得熔池的邊界，結(jié)果表明,，通過控制熔池的尺寸,，沉積層的橫截面的形狀是可以控制的。熔池發(fā)射（熱發(fā)射）熔池同工藝參數(shù)變化,，如激光功率,、掃描速讀變化時具有相似的趨勢。Fisher等人的研究結(jié)果表明熔池發(fā)射可以監(jiān)控并可以用來控制PBF的工藝過程,，這一點對控制熔池尺寸是相似的,。這一點消除了將相機信號轉(zhuǎn)換為溫度信號的過程。高速數(shù)字相機具有單色,、12位探測和光學(xué)過濾（850±20nm）的特點,，可以用來對熔池的發(fā)射進行影像。大多數(shù)的這一技術(shù)包括熔池的監(jiān)控,。然而,，Banua等人則聚焦熔池的不穩(wěn)定性而導(dǎo)致了不可靠的探測。他們使用單棱鏡相機來捕獲熔池的背后沉積層的圖像來預(yù)測缺陷,。缺陷的探測基于溫度模式的變化,。

材料的熔化和蒸發(fā)會導(dǎo)致羽化的形成，這會導(dǎo)致加工束流的輪廓以及激光加工時的能量密度的變化,。進一步的,，羽化的特征和數(shù)量也會受到沉積時熱的積累的影響。由于較高的體積能量造成的PBF的過熔（低的掃描速度）會造成不穩(wěn)定的羽化發(fā)射,。而且,，在過熔區(qū)域可以觀察到大量的羽化，在較高的掃描速度下還觀察到未熔合，不同位置的羽化還會重疊,。這些變化的監(jiān)測可以用來控制內(nèi)部缺陷,。紅外相機可以連續(xù)的獲取羽化的特征以獲得穩(wěn)定行為中產(chǎn)生的異常,。這一圖像的處理的一個案例見圖20,。

圖20Grasso 等人所提出的圖像處理過程

未完待續(xù)，

文章來源：Addressing the challenges in remanufacturing by laser-based material deposition techniques,，Optics & Laser Technology,，Volume 144, December 2021, 107404，https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107404

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