導(dǎo)讀：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)逐點掃描堆積成形，這一非線性強耦合過程中，材料的溫度、物性不均勻性極強，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，簡單的實現(xiàn)批量化、自動化生產(chǎn)。這一特點將影響激光增材再制造的周期和效率，降低其經(jīng)濟性。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。