深度解析 | 激光增材再制造技术及应用

作者：董世运  方金祥  徐滨士 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室

本文简介激光增材再制造的技术特点，介绍该技术在国防、能源动力、工业装备等领域的应用现状，展示了其应用前景。深入分析了激光增材再制造技术的四个关键问题：残余应力问题、基体热影响区问题、界面匹配性问题、再制造过程智能化及自动化问题。指出这四个问题是制约激光增材再制造技术大规模商业化应用的“瓶颈难题”。

一、引言
激光增材制造技术，又称为激光3D打印技术，是在计算机辅助下，把三维实体模型切片处理为二维层片，二维层片再离散为一维线条，采用激光熔覆技术进行逐点堆积，最终实现三维实体零件成形的激光制造技术（其基本原理和过程如图1所示）。同传统制造技术相比，该技术具有柔性化、易于实现智能化、生产周期短、能生产出很高力学性能的零件等特点，该技术已经在航空、国防、交通、能源、冶金、矿采等领域得到了广泛的应用，并展现出诱人前景。

图1  激光增材制造技术原理

激光增材再制造是以激光熔覆技术为基础，对服役失效零件及误加工零件进行几何形状及力学性能恢复的技术行为。现代工业及国防的许多重大装备生产工艺复杂、工序长、成本高，这些装备在服役的过程中，一些关键零部件往往会由于磨损、腐蚀、疲劳、事故等原因而失效，从而影响设备正常运行使用，如能对这些高附加值零件进行修复再制造，则可以保证设备正常运转、节约成本，创造极大的经济效益。一些零件的加工程序复杂、难度高，容易出现误损伤，许多时候，误加工的零件只能做报废处理，这将造成极大的浪费和损失，对这些误加工的零件进行增材制造修复，可以大大提高零件合格率，缩短生产周期，提高经济效益，挽回损失。激光增材再制造是一种先进的再制造修复手段，该技术热源能量集中，可在对基体性能影响较小的情况下，实现零件的几何形状及力学性能的高质量恢复，采用该技术对服役失效及误加工零部件进行再制造修复，具有很好的现实意义。目前激光增材再制造技术已经在航空发动机、燃气轮机、钢铁冶金、军队伴随保障等领域得到了广泛的应用。

激光增材再制造技术原理与激光3D打印技术相近，但又有其自身的特点。典型的激光增材再制造流程如下：拆解—清洗—分类—检测—判别—再制造修复—（热处理）—后加工—检验。对于拆解清洗后的待再制造件，需要先进行无损检测及寿命评估，然后对于能再制造零件进行再制造修复，接着再进行后热处理及后加工，最后对再制造零件的质量进行检测评价，判定再制造产品是否合格，其中最核心的阶段是修复阶段。同激光3D打印技术相比，激光增材再制造技术还需要关注再制造过程对基体的热损伤、再制造材料同基体的界面、再制造材料同基体的物性匹配等问题，问题更为复杂。对于激光3D打印技术，整个零件都是通过逐点扫描堆积成形的，因此，其制造周期相对较长、成本较高，与此相对，激光增材再制造以失效或者误加工零件为基体，需要恢复的尺寸往往很有限，其制造周期短、成本低，因此，其经济效益和社会效益更加显著。

二、激光增材再制造技术应用现状

激光增材再制造技术是装备高性能修复先进技术，已经在不同工业领域高端装备高附加值零件维修中获得了重要应用。英国Rolls-Royce公司把激光熔覆技术用于RB211型燃气轮机叶片的修复；美国Optpmec Design公司采用激光熔覆成形技术对T700飞机发动机零件的磨损进行修复；美国Huffman公司也采用激光熔覆成形技术对镍基高温合金及钛合金航空叶片进行了修复；美军已成功研制的“移动零件医院”（简称为MPH系统）利用激光熔覆技术进行金属零件的快速制造和再制造，该系统已经列装美国海军和陆军，并在阿富汗战场发挥了重要作用。目前激，光熔覆技术已在世界各主要工业国家获得了大量的研究和应用。

在我国，激光增材再制造技术也在近十几年取得很大进展，其工程化应用范围也逐步扩大，在航空工业和武器装备维修领域发挥了重要作用。某工厂采用激光增材再制造技术，对航空发动机叶片及飞机其它承力件进行修复再制造。中科院自动化所将增材再制造技术用于航空发动机涡轮导向器及船舶叶片的修复。装备再制造技术国防科技重点实验室是国内再制造领域唯一的国家级重点实验室，在激光增材再制造方面，承担完成了装备预先研究项目、国家自然科学基金项目、国家973项目和企业合作项目等一系列国家、军队和企业科研任务，在激光增材再制造的材料、工艺、性能表征等方面做了深入研究和探索，解决了重载车辆发动机凸轮轴、铸铁缸盖、渗碳齿轮以及高速列车车轴、大型压缩机叶轮和多种轴类件等典型装备零件再制造技术难题（见图2），创造了显著经济效益和社会效益。

图2  激光增材再制造重载车辆典型零件

激光增材再制造技术已经成为高端装备服务领域的重要技术手段。国内已经有激光增材再制造企业近300家，其中沈阳大陆激光技术有限公司是国内最早基于激光熔覆技术开展激光增材再制造服务的高科技公司，已把激光增材再制造技术应用于多个工业领域，成功解决了航空装备、冶金设备、石化设备、能源电力设备和矿采设备等重要零部件的应急抢修和再制造难题（见图3），创造了重大的经济效益和社会效益。

图3  激光增材再制造典型工业装备零部件

目前，浙江工业大学、西北工业大学、华中科技大学、天津工业大学、装甲兵工程学院、广州中科院先进技术研究所、南京先进技术研究院、沈阳大陆激光技术有限公司、辽宁思达思克实业有限公司等科研院所和企业对激光增材再制造技术工艺、装备和材料及应用进行了深入研究和实践，已经形成了高校、科研院所和工厂企业三方竞争而又协作发展的格局，构成了我国激光增材再制造技术研究和应用的主力军。

三、激光增材再制造关键问题

尽管激光增材再制造已经获得了广泛应用，但仍然有一系列的关键问题需要进一步研究解决。

1．残余应力是激光增材再制造面临最为棘手的问题之一。再制造零件增材部分通过激光熔覆技术逐点扫描堆积成形，这一非线性强耦合过程中，材料的温度、物性不均匀性极强，不可避免的伴随应力、应变的演化，导致再制造零件出现裂纹、变形，而且高的残余应力状态也将影响零件的静力学、耐蚀、疲劳等性能，最终影响再制造零件的服役性能及安全。

同激光3D打印技术相比，激光增材再制造残余应力问题更为突出。对于激光3D打印，可以通过合理的堆积策略，调整熔覆过程温度场的均匀性，调整材料实际拘束度，避免拉应力过大积累；激光增材制造过程基体形状尺寸往往是固定的，其拘束度一般较大，容易造成高水平残余拉应力的积累。另外，激光增材再制造过程中，基体材料同再制造材料往往是异种材料，其屈服强度、热膨胀系数等影响残余应力演化的关键参数通常相差较大，容易造成高水平残余拉应力水平积累，且提高应力分布的不均匀性。北航王华明教授把残余应力问题称为激光增材制造的“第一大瓶颈难题”，对于激光增材制造，这个问题的严重性有过之而无不及，需要做进一步的工作。

2．热影响区性能劣化是激光增材再制造的另一个重要问题。众所周知，热影响区通常是焊接接头比较脆弱的部分，激光增材再制造过程虽然热源能量密度集中，热影响区域较小，但其热影响区材料性能演变仍然是一个需要重点关注的问题。激光增材再制造热循环引起材料微观组织变化，最终影响材料的性能，热过程可能影响晶粒的尺寸及均匀性，影响析出相的种类、分布及尺寸，材料的固溶度、元素晶界偏析程度等，最终影响热影响区的硬度、强度、塑性、耐蚀性等性能。从基体到界面，典型的热影响区可以粗略分为不完全再结晶区、再结晶区、过热区等。不完全再结晶区晶粒度均匀性较差，性能均匀性也较差；再结晶区组织通常较细；过热区有许多异常长大的晶粒，其晶粒度及性能均匀性也较差。激光增材再制造常见的基体材料有镍基、钴基、钛基、铁基、铝基等，并且其热处理状态多样，有铸态、锻造、时效、轧制、渗碳渗氮等，因此，激光增材制造热影响区性能的劣化方式及劣化程度有较大的区别，需要根据具体材料，进行有针对性的探索研究，通常情况下，焊接过程热影响区的研究结果具有一定的参考价值，但需要注意激光增材再制造热循环跟一般焊接过程热循环的区别，激光增材再制造过程中，热影响区温度梯度更大、温度变化也更加剧烈，热循环的次数可能会更多。

3．基体同再制造材料的界面匹配性问题也是激光增材再制造的一个重要问题。和激光3D打印不同，激光增材再制造材料与基体材料化学成分及热处理状态往往不同，其组织特征、物理化学性能必然存在一定的差异，这些差异将影响界面的结合质量，导致缺陷出现。界面的问题主要有以下几类：一种是界面脆性相，基体材料同熔覆材料混合，有可能生成一些脆性相。如，灰铸铁件激光增材再制造的时候，由于石墨中碳的释放，在极高的冷却速率下，极易在界面处出现淬硬组织“白口”，脆性相的生成往往导致再制造过程出现裂纹，严重劣化界面性能。另一种界面问题是界面缝隙及裂纹，基体材料同熔覆材料如果相容性差，则界面湿润性能差，很容易在界面出现缝隙气孔等缺陷，影响界面结合强度。界面物性匹配度也是界面的重要问题，激光增材再制造过程中，界面两侧材料需要经历复杂的温度及应力应变循环，这种物性的差异容易导致界面应力异常，甚至出现裂纹，在后续服役过程中，零件常常需要承受温度载荷及力载荷，此时，热膨胀系数、屈服强度、硬度、密度等差异将严重影响界面性能，甚至出现剥落等现象，影响服役性能及服役安全。事实上，激光增材再制造材料是该技术的核心，有必要根据基体材料体系、热处理状态、服役条件等因素，建立激光增材再制造材料专用数据库，实现数据共享，推动激光增材再制造产业发展。


4．再制造过程的智能化及自动化也是激光增材制造技术的重要问题。对于激光3D打印，相对比较容易实现自动化，同种零件可以采用完全一样的制造策略。激光增材再制造技术中，再制造毛坯种类千差万别，即便同一类零件，其损伤方式、损伤位置、损伤程度也不尽相同，这意味着激光增材再制造很难像制造过程哪样，简单的实现批量化、自动化生产。这一特点将影响激光增材再制造的周期和效率，降低其经济性。理想状况下，先对待再制造零件进行三维扫描，反求后待再制造模型同理想零件模型进行对比，然后自动进行再制造策略的制定，确定零件上坐标参考点后，进行激光增材制造操作，经过后续处理，即可得到再制造完成零件。目前的实际操作中，三维反求后的堆积策略制定，尚不能达到最理想的状态，没有完全实现自动化及智能化，再制造效果不尽如人意，常常需要人工针对具体零件进行再制造操作，这要求操作人员具有较高的技术水平、增加了再制造操作的时间周期，降低了经济效益。因此，有必要继续深入研究三维反求后再制造策略规划技术，需要注意的是，激光增材再制造技术有基体的限制，其策略规划同激光3D打印技术有一定的区别。

四、结束语
1、激光增材再制造是一项先进的再制造修复技术，已经在钢铁、矿山、机械、交通、能源动力、航空航天、国防等领域获得了大量成功应用，创造了显著的经济和社会效益，具有广阔应用前景。

2、残余应力调控、基体热损伤调控、界面匹配性、再制造过程的自动化及智能化是激光增材再制造技术的四大关键问题，激光增材再制造的大规模商业化应用，依赖于这四大问题的深入研究和解决。

作者：董世运  方金祥  徐滨士 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，