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(jì)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)。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。

激光增材再制造是以激光熔覆技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)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(huì)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(duì)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(shí)候，誤加工的零件只能做報(bào)廢處理，這將造成極大的浪費(fèi)和損失，對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(píng)估，然后對(duì)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(duì)再制造零件的質(zhì)量進(jìn)行檢測評(píng)價(jià)，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(duì)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(duì)于激光3D打印技術(shù)，整個(gè)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(duì)較長、成本較高，與此相對(duì)，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(huì)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(duì)T700飛機(jī)發(fā)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)航空發(fā)動(dòng)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(dòng)化所將增材再制造技術(shù)用于航空發(fā)動(dòng)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(jí)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(dòng)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，創(chuàng)造了顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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(gè)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，創(chuàng)造了重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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(duì)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(duì)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(duì)于激光增材制造，這個(gè)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(gè)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€(gè)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(shí)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(duì)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(jià)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(huì)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(gè)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(shí)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，激光增材在制造過程中，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(shí)，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(dòng)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(dòng)化也是激光增材制造技術(shù)的重要問題。對(duì)于激光3D打印，相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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那樣，簡單的實(shí)現(xiàn)批量化、自動(dòng)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(duì)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(duì)比，然后自動(dòng)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(dòng)化及智能化，再制造效果不盡如人意，常常需要人工針對(duì)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(shí)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(dòng)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(huì)效益，具有廣闊應(yīng)用前景。