一、引言

激光增材制造技術，又稱為激光3D打印技術，是在計算機輔助下，把三維實體模型切片處理為二維層片，二維層片再離散為一維線條，采用激光熔覆技術進行逐點堆積，最終實現三維實體零件成形的激光制造技術。同傳統(tǒng)制造技術相比，該技術具有柔性化、易于實現智能化、生產周期短、能生產出很高力學性能的零件等特點，該技術已經在航空、國防、交通、能源、冶金、礦采等領域得到了廣泛的應用，并展現出誘人前景。

激光增材再制造是以激光熔覆技術為基礎，對服役失效零件及誤加工零件進行幾何形狀及力學性能恢復的技術行為。現代工業(yè)及國防的許多重大裝備生產工藝復雜、工序長、成本高，這些裝備在服役的過程中，一些關鍵零部件往往會由于磨損、腐蝕、疲勞、事故等原因而失效，從而影響設備正常運行使用，如能對這些高附加值零件進行修復再制造，則可以保證設備正常運轉、節(jié)約成本，創(chuàng)造極大的經濟效益。一些零件的加工程序復雜、難度高，容易出現誤損傷，許多時候，誤加工的零件只能做報廢處理，這將造成極大的浪費和損失，對這些誤加工的零件進行增材制造修復，可以大大提高零件合格率，縮短生產周期，提高經濟效益，挽回損失。激光增材再制造是一種先進的再制造修復手段，該技術熱源能量集中，可在對基體性能影響較小的情況下，實現零件的幾何形狀及力學性能的高質量恢復，采用該技術對服役失效及誤加工零部件進行再制造修復，具有很好的現實意義。目前激光增材再制造技術已經在航空發(fā)動機、燃氣輪機、鋼鐵冶金、軍隊伴隨保障等領域得到了廣泛的應用。

激光增材再制造技術原理與激光3D打印技術相近，但又有其自身的特點。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—（熱處理）—后加工—檢驗。對于拆解清洗后的待再制造件，需要先進行無損檢測及壽命評估，然后對于能再制造零件進行再制造修復，接著再進行后熱處理及后加工，最后對再制造零件的質量進行檢測評價，判定再制造產品是否合格，其中最核心的階段是修復階段。同激光3D打印技術相比，激光增材再制造技術還需要關注再制造過程對基體的熱損傷、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，問題更為復雜。對于激光3D打印技術，整個零件都是通過逐點掃描堆積成形的，因此，其制造周期相對較長、成本較高，與此相對，激光增材再制造以失效或者誤加工零件為基體，需要恢復的尺寸往往很有限，其制造周期短、成本低，因此，其經濟效益和社會效益更加顯著。

二、激光增材再制造技術應用現狀

激光增材再制造技術是裝備高性能修復先進技術，已經在不同工業(yè)領域高端裝備高附加值零件維修中獲得了重要應用。英國Rolls－Royce公司把激光熔覆技術用于RB211型燃氣輪機葉片的修復；美國Optpmec Design公司采用激光熔覆成形技術對T700飛機發(fā)動機零件的磨損進行修復；美國Huffman公司也采用激光熔覆成形技術對鎳基高溫合金及鈦合金航空葉片進行了修復；美軍已成功研制的“移動零件醫(yī)院”（簡稱為MPH系統(tǒng)）利用激光熔覆技術進行金屬零件的快速制造和再制造，該系統(tǒng)已經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，光熔覆技術已在世界各主要工業(yè)國家獲得了大量的研究和應用。

在我國，激光增材再制造技術也在近十幾年取得很大進展，其工程化應用范圍也逐步擴大，在航空工業(yè)和武器裝備維修領域發(fā)揮了重要作用。某工廠采用激光增材再制造技術，對航空發(fā)動機葉片及飛機其它承力件進行修復再制造。中科院自動化所將增材再制造技術用于航空發(fā)動機渦輪導向器及船舶葉片的修復。裝備再制造技術國防科技重點實驗室是國內再制造領域唯一的國家級重點實驗室，在激光增材再制造方面，承擔完成了裝備預先研究項目、國家自然科學基金項目、國家973項目和企業(yè)合作項目等一系列國家、軍隊和企業(yè)科研任務，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)動機凸輪軸、鑄鐵缸蓋、滲碳齒輪以及高速列車車軸、大型壓縮機葉輪和多種軸類件等典型裝備零件再制造技術難題，創(chuàng)造了顯著經濟效益和社會效益。

激光增材再制造技術已經成為高端裝備服務領域的重要技術手段。國內已經有激光增材再制造企業(yè)近300家，其中沈陽大陸激光技術有限公司是國內最早基于激光熔覆技術開展激光增材再制造服務的高科技公司，已把激光增材再制造技術應用于多個工業(yè)領域，成功解決了航空裝備、冶金設備、石化設備、能源電力設備和礦采設備等重要零部件的應急搶修和再制造難題，創(chuàng)造了重大的經濟效益和社會效益。

目前，浙江工業(yè)大學、西北工業(yè)大學、華中科技大學、天津工業(yè)大學、裝甲兵工程學院、廣州中科院先進技術研究所、南京先進技術研究院、沈陽大陸激光技術有限公司、遼寧思達思克實業(yè)有限公司等科研院所和企業(yè)對激光增材再制造技術工藝、裝備和材料及應用進行了深入研究和實踐，已經形成了高校、科研院所和工廠企業(yè)三方競爭而又協作發(fā)展的格局，構成了我國激光增材再制造技術研究和應用的主力軍。

三、激光增材再制造關鍵問題

盡管激光增材再制造已經獲得了廣泛應用，但仍然有一系列的關鍵問題需要進一步研究解決。

1．殘余應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，不可避免的伴隨應力、應變的演化，導致再制造零件出現裂紋、變形，而且高的殘余應力狀態(tài)也將影響零件的靜力學、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打印技術相比，激光增材再制造殘余應力問題更為突出。對于激光3D打印，可以通過合理的堆積策略，調整熔覆過程溫度場的均勻性，調整材料實際拘束度，避免拉應力過大積累；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、熱膨脹系數等影響殘余應力演化的關鍵參數通常相差較大，容易造成高水平殘余拉應力水平積累，且提高應力分布的不均勻性。北航王華明教授把殘余應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，這個問題的嚴重性有過之而無不及，需要做進一步的工作。

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)材料性能演變仍然是一個需要重點關注的問題。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晶區(qū)、再結晶區(qū)、過熱區(qū)等。不完全再結晶區(qū)晶粒度均勻性較差，性能均勻性也較差；再結晶區(qū)組織通常較細；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，需要根據具體材料，進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成分及熱處理狀態(tài)往往不同，其組織特征、物理化學性能必然存在一定的差異，這些差異將影響界面的結合質量，導致缺陷出現。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，極易在界面處出現淬硬組織“白口”，脆性相的生成往往導致再制造過程出現裂紋，嚴重劣化界面性能。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，很容易在界面出現縫隙氣孔等缺陷，影響界面結合強度。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，界面兩側材料需要經歷復雜的溫度及應力應變循環(huán)，這種物性的差異容易導致界面應力異常，甚至出現裂紋，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、屈服強度、硬度、密度等差異將嚴重影響界面性能，甚至出現剝落等現象，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的核心，有必要根據基體材料體系、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據庫，實現數據共享，推動激光增材再制造產業(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的重要問題。對于激光3D打印，相對比較容易實現自動化，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，簡單的實現批量化、自動化生產。這一特點將影響激光增材再制造的周期和效率，降低其經濟性。理想狀況下，先對待再制造零件進行三維掃描，反求后待再制造模型同理想零件模型進行對比，然后自動進行再制造策略的制定，確定零件上坐標參考點后，進行激光增材制造操作，經過后續(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，尚不能達到最理想的狀態(tài)，沒有完全實現自動化及智能化，再制造效果不盡如人意，常常需要人工針對具體零件進行再制造操作，這要求操作人員具有較高的技術水平、增加了再制造操作的時間周期，降低了經濟效益。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，需要注意的是，激光增材再制造技術有基體的限制，其策略規(guī)劃同激光3D打印技術有一定的區(qū)別。

四、結束語

1、激光增材再制造是一項先進的再制造修復技術，已經在鋼鐵、礦山、機械、交通、能源動力、航空航天、國防等領域獲得了大量成功應用，創(chuàng)造了顯著的經濟和社會效益，具有廣闊應用前景。

2、殘余應力調控、基體熱損傷調控、界面匹配性、再制造過程的自動化及智能化是激光增材再制造技術的四大關鍵問題，激光增材再制造的大規(guī)模商業(yè)化應用，依賴于這四大問題的深入研究和解決。

（作者：董世運 方金祥 徐濱士 裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室。