浙江工业大学姚喆赫博士：多能场复合激光表面改性技术及其工业应用

2020年8月20日-21日，中国增材制造产业发展芜湖（繁昌）高峰论坛暨2020年中国增材制造产业年会在安徽芜湖市举行，此次年会由工业和信息化部装备工业发展中心、安徽省经济和信息化厅、芜湖市人民政府指导，中国增材制造产业联盟主办，繁昌县人民政府协办，南极熊作为支持媒体对本次会议进行了直播。

△浙江工业大学先进制造与现代设计技术研究所副所长姚喆赫博士

在“产业化推广论坛”上，浙江工业大学先进制造与现代设计技术研究所副所长姚喆赫博士做了《多能场复合激光表面改性技术及其工业应用》演讲的现场速记。
△视频：姚喆赫《多能场复合激光表面改性技术及其工业应用》

姚喆赫博士：尊敬的各位领导、各位专家，大家下午好，题目稍微有点挑战，因为昨天听了题目感觉从激光制造着手讲和大会主题更加契合。报告本来是由我们领导姚建华来做，但是临时收到国家经信委的答辩通知，所以由我来汇报一些工作。

修复与再造的趋势大家非常明确，因为每年零件尤其是大型装备的零部件损伤非常大，如果能够实现修复，将大大提高经济效益。

不同的工业领域都有明确的修复需求，我们和国外的区别，因为在欧美国家的研究主要集中在航天发动机等领域，我们国家的航空发动机也做了一些东西，军口不方便说。民口领域国外现存的大型设备更加多，因为我们在冶金装备、轨道交通、工业基础件等等这些部件都有大量的修复需求。因此我们也针对这方面需求开展增材再制造的研究。

再制造领域采用激光这个手段来做增材再制造，其性能效率和智能化具有优势，已经成为主流的技术之一。

昨天听报告还学了领导的一句话，因为高校里经常说“顶天立地”，鼎天叫基础研究，立地叫应用，经常说我们搞的东西不能用，领导总结为什么不能用？不好用、不敢用、不管用。

什么是不敢用？对于激光再制造来讲，这个技术首先已经用了，哪些领域不敢用？就是有些关键重要的领域对于零部件的修复质量非常高，以前只是需要直接换新了，现在跟他说这个直接把缺陷修一修用一用他比较担心，当然这个担心不是多余的，尤其对一些疲劳要求比较高的零部件确实需要进行反复的测试，因此针对高质量的修复需求我们重点开发激光符合再制造和过程智能监控。很多公司尤其有一些大型的研发储备公司买来以后就捣鼓，发现不好用，不好用的重要原因是成本和效益问题。我们如何提高效率？在激光有一个超高速熔覆、宽待以及超音速激光沉积等方面。还有大型装备目前拆下来比较困难，就需要现场再制造和在疫再制造的研究。

针对能场辅助的激光再制造我们主要针对一些电磁场、超声能场以及热场，因为通过辅助能场可以在激光修复过程中对熔池形成调控从而控性控形达到我们的目的。

比如在稳态磁场、交变磁场能够抑制它的熔池流动或者加速熔池的流动。因为激光修复整个是成形的技术，这个过程它的所有最后的修复结果都基于溶池的过程，如果通过稳态和交变磁场就能够达到我们需要的目标。除了文献能查到的，我们还提出电磁复合场，采用稳态电场和稳态磁场可以达到我们的一些效果。

比如在形貌方面，一般来说激光修复或者熔覆的效果相对比较差一些，采用电磁场辅助一定程度能够抑制表面的流动，使得表面形貌起伏降低。在气孔方面因为有些对于气孔要求非常苛刻尤其是军工领域，那我们采用电磁场相当于向下的力，强制性地把气孔排出去达到苛刻的气孔需求，可以达到近100%的致密度。如果我们不加电磁场一做出来全是气孔。或者在非常极端的比如尖角的孔里面也可以采用这样方式把这个缺陷排除掉。还有一些颗粒分布，因为今天早晨参观了上海光机所孵化的企业，他们也做了碳涂层做得也非常好。这方面可以采用电磁场对涂层的分布进行调控，因为涂层如果做得特别硬而且集中在表面对于加工比较麻烦，因为太硬了，如果全部都在下面又不起作用，所以可以通过电磁场纵向进行调控，以达到不同的应用场合我们所需要的目的。

总结一下，我们采用电磁场对于激光熔覆能够在排气、组织致密度以及调控方面达到我们所需要的效果。

超声方面，因为我们在超声振动目前做得比较多，可能觉得超声就是把它振一振，实际上超声加上去以后它对熔池有一个声空化作用机制，一方面损失的射流可以使内部的流动发生显著变化，同时超声功率下的冲击压强也会使损失的熔点提高，使凝固发生显著的变化。因为有很多的东西没有发表，就给大家简单过一下，其中有一部分数字模拟的工作，在声空化方面有一点微观组织，对于熔池同样有明显的加速过程，使得熔池的温度梯度发生显著变化。同样对于微观组织来讲超声组织可以发现发生显著变化，还有Laves的分散也有明显的趋势。

在高效激光增材再制造方面，我觉得所有高效激光增材再制造的前提是目前大功率激光器的普及，我们院长经常会说现在做实验东不动几千万几百万，现在万瓦级已经普及了，在激光器普及的情况下对效率就可以各种方法来提高。比如高音速的角度来讲德国人提出超高速熔覆，还有大光斑来说，如果光斑不聚焦的话根本无法熔化或者提高高温，现在功率高了用大光斑可以实现大面积的宽带熔覆。还有超音速激光沉积过程，这是源于冷喷涂。昨天有一个报告本来是李长久教授做冷喷涂的介绍，后来没有来报告有所变化。冷喷涂是通过粉末固态沉积的过程，在这个过程我们使用激光进行辅助，为什么要加激光辅助？因为只是一个固态沉积更适合用一些轻金属比如铝、铝合金、铜合金等等，对于铁基、高温合金可能不太合适，但是辅助一些激光就能够实现这方面，这方面也有美国的专利。

在超音速激光沉积里面，在激光辅助下的颗粒打在上面，和激光熔覆可以完有全不一样的效果。相比于激光熔覆，一般做几次实验可以看到氧化，会有影响，那么在超音速沉积基本上看不到这个现象，而且基本上保持原始成分，原始成分从金刚石这方面就更加明确。如果采用激光熔覆，金刚石一照肯定就没了，那这个技术可以获非常高硬度的涂层。包括对于一些轻合金，我们采用超音速沉积的方法可以进行复合涂层，包括对铜、铝、钛做的尝试包括单层以后做一些增材制造的工作。

超音速激光复合沉积在材料方面、结合里方面与对比的技术都有一定的优势。


现场再制造因为连续三年国家重点研发计划的支持下，第三年是支持可移动式的现场再制造的项目，这方面的工作我们也开展的一些，现在这台设备是第二代设备，我们实际服役过，企业有需求时拉过去，尤其是转子轴进行现场修复的工作。

应用案例因为合作单位中科煜宸还有报告，所以我就介绍得少一些，除了开展技术研发工作，也对一些应用案例开展研究。比如能源动力针对转子轴以及叶片开展复合制造方面。同时在石油化工装备领域对于阀板开展一些超音速激光沉积的探索。在轨道交通装备领域和苏州大学以及齐齐哈尔合作开展一些曲线钢轨修复。矿山机械比较有代表性，山能重装应该说激光再制造领域的规模化应用的典范，之前听他们说还以为是吹，结果看了以后发现不是吹，真的是大规模在不停地熔覆。冶金装备在南钢也有一些应用。还有工业基础件的激光修复的应用。

发展前景，我们认为目前处于第二阶段，第一阶段是从无到有的过程。早期的激光器可能是能量完全不够的时代，在这个过程中，浙江工业大学2000年成立激光中心，也参与到从无到有的开发过程，也在2012年获得了国家科技进步二等奖。第二阶段从控形控性、效率成本、多能场复合达到从有到好的阶段，也获得一些成果。后面还需要各位专家和同仁的共同努力使得这个技术更早地实现批量应用。

从学术角度来说一些挑战和展望，一个是多能量场/多工艺协同作用机理。一方面我们采用协同作用获得一些效益，但是真正内部的协同机理还 需要进一步研究，以及仿真非常困难，还有新的复合工艺的方法。标准化目前我们也参与一些工作，也非常重要，因为激光再制造有一些关键领域他可能不敢用，如果一个企业在前期没有投入非常充分的实验就去把激光再制造用在上面，使得出现一些问题，我说的这个问题确实是已经出现了，不仅仅对于那家公司可能造成具有负面影响，对于这个行业可能都会有比较大的影响，会造成更加不敢用的情况，这种情况就呼吁标准化的工作。

最后请允许介绍一下我们的团队。

我们的团队在2000年成立激光中心，在2015年建立浙江工业大学校直属的独立激光先进制造研究院，到今年正好是20年，如果不是疫情应该会搞个庆典，现在不知道怎么弄，形成了一个国际化的创新团队。2016年和2018年组织两次LHM会议就是激光复合制造的会议，没有疫情也会是今年举办，我们和机械工业学会都已经谈好，把机械工业学会的年会和我们放在一起，可能是今年弄，也可能是明年，到时候也是欢迎大家到浙江工业大学指导交流。

谢谢。