楊來俠，黨蘇武，王鑫宇

西安科技大學機械工程學院, 西安 710054

野外裝備應急維修是野外環(huán)境下對損壞裝備的快速再制造，是一種特殊形式的裝備保障技術，要求在預定時間內(nèi)完成維修工作，恢復損壞裝備的使役性[1]。但是由于野外裝備多樣性、裝備損傷復雜性以及備件資源有限性等特點，傳統(tǒng)裝備應急維修方法，例如切換、剪除、拆換、重構等，不足以適應野外裝備應急維修的要求[2]。

與傳統(tǒng)制造方法相比，金屬增材制造技術具有材料利用率高、柔性高及快速性等優(yōu)點，十分符合野外裝備快速精確保障要求[3]。若能將金屬增材制造技術用于野外裝備應急維修，將能夠有效實現(xiàn)快速、精確裝備保障目標，提高裝備的維修能力。本文針對常見的金屬增材制造技術進行對比，就其在野外裝備應急保障中應用的可行性進行分析，對金屬增材制造技術用于野外裝備應急維修存在的問題展開討論，并對其發(fā)展趨勢進行展望。

1 金屬增材制造技術分類

按照設備類型的不同，金屬增材制造技術可以分為粉床系統(tǒng)以及同步送粉（絲）系統(tǒng)。其中選擇性激光熔化（selective laser melting，SLM）[4?5]和電子束成形（electron beam manufacturing，EBM）[6]屬于粉床系統(tǒng)類金屬增材制造技術，采用同步送粉系統(tǒng)的技術主要是激光熔覆沉積（laser cladding deposition，LCD）[7]，采用同步送絲系統(tǒng)的技術主要包括電弧熔絲（wire and arc additive manufacturing，WAAM）[8]以及電子束熔絲（electron beam fuse，EBF3）[9]。

圖1所示為金屬增材制造技術的設備原理圖。圖1（a）所示為選擇性激光熔化設備原理圖，金屬粉末被鋪粉刮刀均勻的鋪在成形平臺上，通過掃描振鏡，激光在粉床表面按照切片信息逐點成形出特定的形狀，并與已成形層產(chǎn)生冶金結合。隨后粉床下降一個層厚的高度，新的待成形金屬粉末層會鋪在已成形層之上被激光熔化成形，如此往復成形，直到整個三維零件制備完成。選擇性激光熔化技術制備的零件具有尺寸精度高、表面質量好、致密度接近100%等優(yōu)點[10?11]。圖1（b）所示為電子束成形設備原理，與選擇性激光熔化技術成形原理類似，區(qū)別之處在于熱源不同，電子束成形熱源為真空環(huán)境下產(chǎn)生的高能電子束。由于電子束成形技術要求在真空環(huán)境中進行，因此設備相對復雜，成本較高。

圖1（c）所示為激光熔覆沉積設備原理，采用高能激光熔化同步送進金屬粉末，按照預定的加工路徑逐層熔化和沉積，實現(xiàn)金屬零件的直接成形。圖1（d）所示為電子束熔絲設備原理圖，以高能電子束為熱源，送絲機構將金屬絲原料送入在真空環(huán)境下電子束形成的熔池中熔化，凝固后與已沉積層結合在一起，同時控制工作臺移動成形出特定的形狀，如此一層一層的堆積起來，最終實現(xiàn)零件成形。電弧熔絲技術采用熔化極氣體保護焊（gas metal arc welding，GMAW）、鎢極氬弧焊（argon tungsten-arc welding，GTAW）或等離子弧焊（plasma arc welding，PAW）熱源，利用逐層熔敷原理，通過絲材的添加，采用逐層堆焊的方式成形出金屬零件，其設備原理如圖1（e）所示[12?13]。電弧熔絲技術以電弧作為熱源，具有成形效率高、設備結構簡單、制造成本低、設備可控性好等一系列優(yōu)點，有效克服了激光和電子束增材技術制造成本高、設備體積大等缺點[14]。

圖1 金屬增材制造設備原理圖[10?16]：（a）選擇性激光熔化；（b）電子束成形；（c）激光熔覆沉積；（d）電子束熔絲； （e）電弧熔絲Fig.1 Schematic diagrams of the metal additive manufacturing equipments[10?16]: (a) SLM; (b) EBM; (c) LCD; (d) EBF3; (e) WAAM

2 金屬增材制造技術對比分析

2.1 成形效率

基于粉床系統(tǒng)的選擇性激光熔化以及電子束成形技術鋪粉層厚度介于30～70 μm[17]，要制備一個10 cm高的零件，意味著鋪粉過程要執(zhí)行2000多次，這將嚴重影響零件的成形效率?；谕剿头巯碌募す馊鄹渤练e技術送粉速率通常低于10 g?min?1，粉末利用率僅有20%～30%[18]，又由于能量聚焦于一點，因此限制了成形效率。此外大部分金屬材料對激光有反射作用，導致激光的能量利用率只有15%左右，造成能量浪費[19]。相比于激光，高能電子束具有90%以上的能量利用效率，能量密度高達107 W?cm?2～109 W?cm?2，可以使鎢、鉭、鈮等超高熔點的合金迅速熔化，十分適合難熔金屬的增材成形，同時電子束熔絲沉積技術每小時的沉積量高達22.68 kg，適合大型構件的增材成形[20]。由表1可見，電子束熔絲技術以及電弧熔絲技術的成形效率要遠高于其余幾種金屬增材制造技術。

表1 金屬增材制造技術成形效率對比Table 1 Comparison of the forming efficiency for the metal additive manufacturing techniques

2.2 成形精度

金屬增材制造是金屬材料迅速熔凝的過程，容易造成熱應力累積從而導致翹曲變形，影響零件的尺寸精度[27]。此外，熔池尺寸也是影響零件尺寸精度的關鍵因素之一。選擇性激光熔化技術一般采用粒徑小于20 μm的粉末，粉層厚度通常小于0.05 mm[28]，光斑直徑可以達到微米級別，可以形成很小的熔池。相比之下，電子束成形技術鋪粉厚度要大于選擇性激光熔化工藝，粉末粒徑范圍為45～105 μm，甚至更粗，一方面可以提高成形效率，但是另一方面會降低零件的尺寸精度[29]。電弧熔絲以及電子束熔絲過程是以高溫液態(tài)金屬過渡成形方式進行的[12]，沉積過程難于控制，通常使用絲材的直徑介于0.2～1.2 mm之間[23]，限制了熔池的尺寸大小，導致成型件的尺寸精度相比于粉末類技術要差很多。表2所示為不同金屬增材制造技術成形精度的對比。

表2 金屬增材制造技術成形精度對比Table 2 Comparison of the forming precision for the metal additive manufacturing techniques

2.3 力學性能

激光與電子束能量密度要高于電弧，它們的冷卻速率可達106～108 K/s，相比于電弧，其形成的凝固組織更加細小、致密，形成亞穩(wěn)相、超彌散相、納米晶相等特殊結構的概率大大增加[32]。激光的光斑直徑較小，照射時間極短，形成的熔池尺寸小，整體熱輸入較低，對基體的熱影響較小。電子束的瞬間溫度較高，僅需毫秒就可熔化金屬材料，但在對微小及薄壁零件進行成形時，易產(chǎn)生熔化或變形。然而，由于電子束是在真空環(huán)境下進行成形，可以有效的減少成形零件的雜質含量以及氧化缺陷數(shù)量，同時電子束憑借其極高的能量密度以及能量利用率，可以一次性對兩層以上的沉積體進行重熔，能顯著降低零件內(nèi)部氣孔、未熔合等孔洞缺陷的數(shù)量，提高零件的相對密度，但是容易使一些高熱導率、低彈性模量的材料（如紫銅）在加工過程中受熱變形。相比于激光與電子束，電弧熱穩(wěn)定性差，容易造成殘余應力累積，在成形鋁合金、鎂合金等材料時，容易產(chǎn)生熱變形、氣孔、熱裂等缺陷，成形力學性能相對要差一點[14]。如圖2所示，以TC4鈦合金為例，可見選擇性激光熔化技術制備TC4試樣平均力學強度是最好的，電子束成形技術制備TC4試樣平均伸長率是最好的，但是基本都能達到鍛件水平。

圖2 金屬增材制造TC4力學性能對比[18， 33-35]Fig.2 Comparison of the mechanical properties of TC4 formed by the metal additive manufacturing[18,33-35]

3 金屬增材制造技術在裝備維修領域的應用現(xiàn)狀

金屬增材制造技術已經(jīng)在裝備維修領域得到了廣泛的應用。1995年美國國防部門開始將金屬增材制造技術應用于野外裝備維修領域。早在2001年，美軍于阿富汗戰(zhàn)場采用激光熔覆沉積技術對T700黑鷹直升機上的葉輪進行修復，在提高直升機飛行壽命的同時獲得了極大的經(jīng)濟回報。同年美國阿拉巴馬陸軍軍械庫在Optomec公司的幫助下成功搭建激光熔覆修復系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于檢修渦輪發(fā)動機的零部件，并且在該系統(tǒng)正式投入野外使用的第一年（2002年）就為美國軍方節(jié)省軍費開支630萬美元[36]。2013年，美軍將其研發(fā)的二代“移動零部件醫(yī)院”投入阿富汗戰(zhàn)場，該系統(tǒng)能夠在野外環(huán)境中在線修復失效鋼材、鋁材等材質的零件以及完成零部件的成形制造，如圖3所示[37]。

圖3 移動零部件醫(yī)院[37]Fig.3 Mobile parts hospital[37]

除美國軍方外，美國GE公司、德國MTU公司等均開展相應的金屬增材修復技術研究，應用于破損葉輪、葉片修復，適當轉化便可應用于裝備維修領域[38?41]。此外，國外高校也已經(jīng)開展了相關研究。英國克蘭菲爾德大學Busachi[42]等開發(fā)了一套機動性好、抗干擾能力強并且安全環(huán)保的電弧增材制造系統(tǒng)?；谝环N新的半自動幾何重建算法，美國普渡大學Wilson[43]等利用激光直接沉積工藝成功修復損壞的渦輪翼型。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院通過優(yōu)化和控制工藝參數(shù)，對CMSX-4燃氣渦輪單晶葉片進行成功修復，通過電子背散射衍射證明了修復后的晶粒取向與基材相一致[44]，如圖4所示。

圖4 激光增材修復單晶葉片[44]Fig.4 Single crystalblade repaired by the laser additive manufacturing[44]

國內(nèi)關于金屬增材制造技術在裝備維修領域的應用也有一定的技術積累。西安交通大學在激光直接成形裝備、3D打印修復裝備、直接成形及修復工藝技術方面都有眾多成果，已經(jīng)研制出以“五軸聯(lián)動增減材復合加工中心”、“野外環(huán)境3D打印維修保障系統(tǒng)”為代表的典型裝備。中國科學院沈陽自動研究所快速成形實驗室對某主戰(zhàn)機種發(fā)動機渦輪導向器的裂紋沖蝕進行多層激光熔覆修理，獲得了無缺陷的改性熔覆層[35]。大連理工大學Liu[45]等采用激光熔覆沉積技術對汽車發(fā)動機缸蓋缸體進行維修，如圖5所示。裝甲兵工程學院再制造國家重點實驗室采用激光、電弧、等離子熔覆以及填絲再制造等金屬增材再制造技術，對齒輪零件、軸類零件以及葉片類零件等修復研究[46?47]。哈爾濱工業(yè)大學孫云飛[48]建立了大缺陷電弧增材修復多層多道和單層多道熔覆有限元模型，研究大缺陷電弧增材修復過程中分層方式和熔覆路徑對溫度場、應力場的影響規(guī)律。中廣核核電運營有限公司王凱[49]等，對核級法蘭面進行在線電弧增材再制造維修，如圖6所示，結果表明電弧增材再制造工藝具有穩(wěn)定性以及可靠性，能夠用來對法蘭面進行修復。

圖5 激光熔覆修復缸蓋[45]Fig.5 Cylinder head repaired by the laser cladding technology[45]

圖6 電弧增材修復法蘭[49]Fig.6 Flange repaired by the wire and arc additive manufacturing technology[49]

由此可見，金屬增材制造技術已經(jīng)應用于軍事、航空航天、核電、車輛等眾多領域的裝備維修。雖然目前金屬增材制造技術在裝備維修領域的應用很大程度上還處于實驗室研究階段，經(jīng)金屬增材制造修復后的裝備應用實例還比較少，缺乏實踐數(shù)據(jù)，但是對于野外環(huán)境下?lián)p傷裝備的應急維修具有很大的實踐指導意義。

4 分析評價

不同于日常裝備維修，野外裝備應急維修具有以下特點及要求：（1）時間緊，任務重。野外環(huán)境應急維修要求選用的應急維修技術必須要在短時間內(nèi)恢復裝備全部或部分功能，使其能夠投入使用。在野外環(huán)境下，裝備具有移動空間大、所處環(huán)境變化差異大、裝備損傷率高和工作節(jié)奏快等特點，因此要求維修技術必須具有高度機動能力。一旦裝備出現(xiàn)故障，應急維修技術的設備、材料等就要能夠迅速到位，維修設備立即展開，快速修理。（2）維修環(huán)境惡劣，修復難度大。野外環(huán)境惡劣，不可控因素多，同時缺少相應的工具、設備、動力，增加了修復難度。因此要求應急修復技術具有良好的抗干擾性、工藝方法簡單、操作便捷，降低對人工的要求，不需或少需外界能源及其他輔助條件。（3）損壞零件種類多，對修復質量要求高。野外裝備零件具有種類多、材質廣、損傷隨機性大的特點。對于某些重要零部件，例如齒輪、連桿等的修復質量有很高的要求。因此要求野外應急維修技術有較高的損傷修復率，可以保證裝備完成關鍵任務[50?52]。

因此將金屬增材制造技術應用于野外裝備應急維修，除了提到的成形效率、精度及力學性能三個參考因素以外，還要考慮金屬增材制造設備的機動性以及抗干擾能力。結合野外應急維修的特點，從成形質量、成形能力、設備機動性和設備抗干擾能力幾個方面對這幾種金屬增材制造技術用于野外裝備應急保障的可行性進行分析。

成形質量：成形質量主要包括成形件的尺寸精度、表面粗糙度和力學性能。上述幾種金屬增材制造技術制件的力學性能理論上都能滿足應急保障的要求，其中選擇性激光熔化技術制備TC4試樣平均力學強度是最好的，電子束成形技術制備TC4試樣平均伸長率最好，但是基本都能達到鍛件水平。粉床類金屬增材制造技術的成形精度普遍要高于絲材類金屬增材制造技術，其中選擇性激光熔化技術成形尺寸精度以及粗糙度甚至能達到20 μm，但是距離實際零件精度要求仍有很大的差距。

成形能力：野外裝備應急維修除了進行零件的直接制造，還需要對受損零件進行維修。選擇性激光熔化和電子束成形技術能夠直接制備出成形精度高、相對密度高、力學性能優(yōu)良的金屬零件，但并不適用于受損零件的維修，相較于其余幾種金屬增材制造技術，應用比較單一。

設備機動性：電子束成形以及電子束熔絲設備對真空度有一定的要求，需要很好的密閉性，在移動式野外維修時不具有優(yōu)勢。就原材料來講，絲材比粉末材料便于攜帶，不易受到污染，對野外環(huán)境具有更好的適應性。相比之下，電弧熔絲技術采用絲材為原料，載體是通用的焊接設備，設備組成簡單，成本低，克服了其余幾種設備昂貴、體積龐大等缺點，其機動性更好一些。

設備抗干擾能力：野外環(huán)境復雜多變，金屬增材制造設備易受振動、沖擊、噪音等干擾而失靈?；阡伔鄣倪x擇性激光熔化和電子束成形設備對于粉層均勻性有很高的要求，同時由于粉末粒徑小、質量輕，極易受到外界擾動而影響維修以及直接成形的質量，也容易造成粉末泄露產(chǎn)生安全隱患。由于電子束成形設備對真空度有較高的要求，在野外較大振動、沖擊環(huán)境下容易造成設備損傷。相比之下，同步送粉（絲）類的激光熔覆沉積以及電弧熔絲設備對外界抗干擾能力要更好一些。

表3對上述幾種金屬增材制造技術關于野外裝備應急維修的適用性進行總結?？梢娂す馊鄹渤练e技術綜合水平良好，電弧熔絲技術除尺寸精度、表面粗糙度外其余性能均較好。因此電弧熔絲以及激光熔覆沉積技術更適于野外裝備應急維修。

表3 金屬增材制造技術適用性分析Table 3 Suitability analysis of metal additive manufacturing technology

5 存在問題以及發(fā)展趨勢

5.1 存在問題

目前，金屬增材制造技術的研究主要在實驗室環(huán)境下展開，而野外環(huán)境與實驗室環(huán)境有很大的差異，對設備、工藝等方面的要求也不盡相同。欲將激光熔覆沉積以及電弧熔絲技術應用于野外裝備應急維修還存在亟待解決的問題。

（1）修復材料不足問題突出。野外裝備損傷零部件材質種類繁多，而野外應急維修裝備攜帶維修材料種類以及總量受限，針對不同材質零件不具備同種材質維修的能力。同時野外裝備零件在服役過程中的損傷具有復雜性、突發(fā)性和隨機性特點，而野外受損裝備對維修具有較高的時效性要求。為了保證野外裝備應急維修的時效性以及經(jīng)濟性要求，金屬增材修復設備不可能隨行攜帶大量不同材質的修復材料，很難保證在金屬增材修復損傷裝備零件過程中采用同質修復材料對損傷零件進行修復。

（2）修復性能達不到使用要求。基于激光、電子束、電弧的增材制造的結晶組織為鑄態(tài)組織，而許多裝備零部件的組織屬于變形組織，都是通過鍛造、軋制以及熱處理等工藝手段制備而來，其力學性能要遠遠高于鑄態(tài)組織。因此，采用鑄態(tài)組織對變形組織進行匹配修復，其修復層的力學性能很難達到零件母體的性能。而且零件待修復區(qū)域的母體受增材制造過程中反復的熱影響以及熱循環(huán)的作用，在組織晶粒進一步長大的同時，修復界面區(qū)域容易產(chǎn)生應力集中而產(chǎn)生裂紋，降低零件原有性能。

（3）設備集成化程度不高，機動性差。野外裝備應急維修要求維修設備具有很強的機動性，能夠快速抵達修復現(xiàn)場，高效優(yōu)質的完成修復任務。然而目前的金屬增材制造設備組成復雜、體積結構龐大，設備各系統(tǒng)之間集成化程度差，不便于來回轉移。此外，野外環(huán)境裝備應急維修不僅是受損零件維修，還可能是零件的重新制造，因此成形效率也是一項必要的能力指標，然而目前金屬增材制造設備的成形效率距離野外應急維修需求仍存在一定差距。

5.2 發(fā)展趨勢

根據(jù)野外裝備應急維修快速、精確保障裝備的目標和提高裝備再生能力的要求，可以推斷未來野外應急維修金屬增材制造技術將從以下方面展開。

（1）開展集約化金屬增材修復技術研究，以少數(shù)普適性較高的材料對不同材質的失效零件進行修復，解決野外裝備應急維修材料種類不齊全以及材料攜帶總量不足的問題，可以從以下兩個方面進行考慮。其一是從現(xiàn)有的材料中挑選普適性較高的材料，對不同材質的損傷零件進行修復。然而這種方法存在不足之處，損傷零件材質主成分各有差異，例如鐵、鈦、鎳、銅等成分種類，能夠挑選的普適性程度較高的粉末材料種類有限，同時大多數(shù)情況下也只能針對具有相同主元素的損傷零件進行修復，具有局限性。其二是針對不同的材料體系進行集約化修復材料設計，研究不同合金元素在增材修復過程中對集約化修復材料以及零件材料體系的協(xié)同影響，使其即能滿足異質材料金屬增材修復過程中的匹配性問題，同時又能兼顧各自力學性能的達標，形成專有的集約化修復材料設計方法，制備出覆蓋多種材料體系以及適應不同工藝參數(shù)的集約化材料。

（2）一方面進一步通過優(yōu)化工藝、改善設備等手段提高金屬增材制造成形件本身形貌質量以及力學性能，另一方面開展復合技術研究，將高能束增材成形與聲、磁、力等能場以及先進機加等技術結合起來，進一步細化增材件的內(nèi)部組織，提高金屬增材修復的成形精度、性能和效率。解決金屬增材成形件尺寸精度、性能無法滿足直接使用要求以及金屬增材制造設備價格昂貴，普適性不高的問題。

（3）金屬增材制造設備朝著桌面式、便攜式、可拆、可折疊式發(fā)展，便于以方艙等方式隨行攜帶，提高裝備的原位維修能力。將金屬增材制造設備集成起來，能夠通過海陸空等方式快速到達修復現(xiàn)場，對難于拆卸、不易轉移的大型裝備進行高效優(yōu)質原位修復以及技術支撐。

6 結論

通過對常見金屬增材制造技術進行對比分析，結合野外裝備應急維修的特點以及金屬增材制造技術在裝備維修領域的應用現(xiàn)狀，得出激光熔覆沉積以及電弧熔絲技術更適用于野外裝備應急維修，但是仍受到材料不足以及設備自身原因等因素的制約。對此，一方面要開展材料集約化研究，進一步優(yōu)化工藝參數(shù)，通過與其他制造技術相結合的方式，解決修復性能無法滿足實際需求這一問題；另一方面要進一步提高金屬增材制造設備的結構穩(wěn)定性以及機動性，開展野外金屬增材修復工藝研究，增強野外抗干擾能力。相信隨著金屬增材制造技術的進一步發(fā)展，其在野外裝備應急維修領域將會占據(jù)越來越重要的地位。