王軍華, 姚成, 彭建軍, 頡潭成*, 楊芳, 馬喜強, 徐彥偉

(1.河南科技大學機電工程學院, 洛陽 471003; 2.河南省智能制造裝備工程技術研究中心, 洛陽 471003;3.智能數(shù)控裝備河南省工程實驗室, 洛陽 471003; 4.河南省科學院, 鄭州 450046)

再制造產(chǎn)業(yè)以先進技術和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段將廢舊產(chǎn)品進行修復和改造,是促進制造業(yè)綠色發(fā)展、建設生態(tài)文明的有效途徑之一。《中國制造 2025》 提出創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為本、綠色發(fā)展、結構優(yōu)化、以人為本的基本方針,堅持把可持續(xù)發(fā)展作為建設制造強國的重點,全面推進綠色制造、循環(huán)制造、低碳制造,提高制造業(yè)資源利用率,大力發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)[1-3]。

增材再制造技術是利用激光、電子束和電弧等能量源,在待修復區(qū)域?qū)⒎勰┗蚪z材等材料熔化后形成冶金結合修復金屬零部件的一種綠色再制造技術,按照成型能量源分類,可分為激光增材制造、電弧增材制造和電子束增材制造等[4-5]。激光增材制造是一種以高功率激光束為能量源進行局部破損零部件修復的先進再制造技術。該技術具有修復精度高、效率高、熱影響區(qū)小、工件損傷小、修復區(qū)組織性能好、材料利用率高等特點,在確保修復廢舊產(chǎn)品或零部件幾何尺寸精度的同時,還能保證零部件修復再制造區(qū)域具有良好的組織性能,甚至超越新品[6]。

作為集光、電、機于一體的綜合性修復再制造技術,激光增材制造技術被廣泛應用在鋼鐵冶金、礦山機械、航空航天、軌道交通、船舶、電力和模具等領域,是促進產(chǎn)業(yè)升級和自主創(chuàng)新的新推力[7]。該技術在大型零部件或小批量進口零部件的制造以及修復再制造領域中有著很高的應用價值。

針對激光再制造技術領域的國內(nèi)外相關研究成果,本文分別介紹了激光增材再制造的技術現(xiàn)狀、工藝分類和應用情況,并展望了激光增材再制造技術的發(fā)展趨勢。

1 激光再制造技術現(xiàn)狀

激光增材制造技術又稱激光金屬沉積技術(laser metal deposition, LMD),該技術源于美國Sandia國家實驗室的激光近凈成形技術(laser engineered net shaping, LENS),目前國際上對該技術尚沒有統(tǒng)一的名稱[8]。雖然名稱各不相同,但是技術原理幾乎是一致的,激光增材制造技術被認為是基于激光熔覆等技術對局部破損金屬零部件進行修復的一系列技術措施或工程活動的總稱。近年來,在新形勢政策驅(qū)動下,LMD技術才逐漸成為國際先進材料加工領域的熱點,中外相關政策如表1[9-12]所示,人們對再制造的認識和接受度不斷提高,并迅速進入高速發(fā)展階段,吸引眾多高?；蜓芯繖C構參與其中。

表1 中外相關戰(zhàn)略及政策[9-12]Table 1 Chinese and foreign-related strategies and policies[9-12]

2000年,美國波音公司首先宣布采用LMD技術制造的3個Ti6Al4V合金零部件再F-22和F/A-l8E/F飛機上獲得應用[7]。2009年,德國Fraunhofer研究所[13]對Ti6246整體葉盤修復進行研究(圖1[13]),將受損葉片進行切割加工,并測量葉片切割后的實際幾何尺寸,根據(jù)所測量結果生成修復掃描路徑程序代碼,成功修復了受損葉片。

圖1 Ti6246整體葉盤修復圖[13]Fig.1 Diagram of Ti6246 overall leaf disc restoration[13]

2010年,Yilmaz等[14]提出了一種通過逆向工程和自由曲面建模的方法來修復復雜幾何零件,結果表明使用該方法可以有效地縮短修復零件的時間。2014年,Wilson等[15]提出了一種新的半自動幾何重建算法,成功修復了渦輪翼型的缺陷。2017年,美國Sandia國家實驗室和空軍研究實驗室[16]利用激光熔覆技術成功修復了F-22戰(zhàn)斗機的渦輪葉片(圖2[16]);2018年,美國俄克拉馬州Tinker空軍基地后勤維修中心使用Optomec LENS技術成功修復了F-15戰(zhàn)斗機的渦輪葉片,恢復了葉片的幾何形狀和力學性能。2018年,Yu等[17]采用傳統(tǒng)焊接工藝和激光添加劑金屬層沉積技術相結合,修復了灰口鑄鐵,結果表明:與純鑄鐵FC300試樣相比,各修復部位的極限強度均降低了16%。2019年,Onuike等[18]研究了矩形和梯形兩種不同幾何形狀的槽對Inconel 718內(nèi)部裂紋的修復效果,并指出沉積取向?qū)π迯秃髽嫾W性能的影響,結果表明:構建取向是保證金屬零件高質(zhì)量修復的關鍵。

圖2 渦輪葉片修復圖[16]Fig.2 Turbine blade repair diagram[16]

2020年,張群莉等[19]提出了不同時效處理對激光增材再制造IN718合金組織及性能的影響,結果表明:時效處理不能改變激光增材再制造IN718合金的外延生長組織特征。2020年,齊振佳等[20]研究了硼對激光增材制造TC4鈦合金微觀組織及力學性能的影響,結果表明:添加微量硼可以有效細化原始柱狀晶和晶內(nèi)的板條α相,對比沒有添加硼的激光增材制造TC4,TC4-0.05B的塑性明顯提高,但強度的變化不明顯;沉積態(tài)和固溶時效態(tài)TC4-0.05B力學性能的各向異性都較小。2020年,Zhu等[21]研究了H13鋼粉對斷裂的45鋼齒輪的再制造策略,結果表明:再生牙基本能恢復破損前的外觀,具有較高的硬度和較好的耐磨性。2021年,Wolff等[22]通過原位高速高分辨率X射線成像,揭示了增材制造過程中的4種孔隙形成機制,證實了原料粉末內(nèi)部的孔隙率在工藝過程中誘發(fā)了孔隙。2021年,夏國俊等[23]探索了IN939合金激光熔覆成形工藝,并進一步開展了IN939增材修復鎳基合金梯形槽試驗研究,結果表明:激光增材修復后(圖3[23]),IN939 鎳基合金修復區(qū)的機械性能與結合性能良好,采用 IN939 粉材進行鎳基高溫合金的激光增材修復具備可行性。

圖3 激光增材修復IN939試樣形貌[23]Fig.3 Topography of laser additive repair IN939 specimen [23]

2021年,任維彬等[24]針對激光立體成形變半徑圓筒件邊部及外沿塌陷、熱累積效應引起力學性能下降等增材制造難點,提出了脈沖激光成形FeCrNiCu 合金圓筒件優(yōu)化路徑及工藝,實現(xiàn)了變半徑圓筒結構的直接熔覆成形(圖4[24]),驗證了該結構件良好的組織構成以及力學性能。

H為高度;h為單層高度;α為傾斜角圖4 變半徑圓筒[24]Fig.4 Variable radius cylinder [24]

2021年,Shim等[25]對損壞的630不銹鋼部件進行修復(圖5[25]),分析修復后熱處理對這類零件力學性能造成的變化,以恢復修復前的力學性能。結果表明,修復后的零件經(jīng)熱處理后,大部分組織變?yōu)轳R氏體或硬化馬氏體,拉伸性能和硬度得到改善,可以獲得與零件損壞前相似的機械性能。

圖5 630不銹鋼鋼修復圖[25]Fig.5 Repair of 630 stainless steel[25]

2022年,Barragan等[26]將定向能量沉積(directed energy deposition, DED)和高速加工(high speed machining, HSM)等技術相結合,采用復合再制造技術修復注塑模具零件,以提高表面精加工和尺寸精度,結果表明:與其他表面精整工藝相比,HSM工藝在相對較短的時間內(nèi)使粗糙度值降低了約90%。2022年, Chen等[27]研究了激光熔覆原位 TiC和TiB2增強鐵基涂層對損傷的 45鋼的再制造,結果表明:原位陶瓷復合涂層可作為損傷零件再制造的理想候選材料,并可進一步提高損傷零件的耐磨性。2022年,嚴文高等[28]制備了不同Nd含量的TC11鈦合金單道熔覆和單道多層激光增材制造試樣,研究了Nd添加對顯微組織和力學性能的影響。結果表明:隨著Nd含量增加,激光增材制造TC11-1.0Nd相比純TC11樣品抗拉強度提高,而屈服強度、伸長率和顯微硬度降低。2022年,Wu等[29]提出了一種基于增材制造與數(shù)控加工的TC4葉片自適應復合再制造工藝,并測試了再制造區(qū)域、過渡區(qū)域、過渡區(qū)的力學性能,結果表明:自適應混合再制造工藝獲得的葉片具有足夠的力學性能。TC4葉片的修復如圖6[29]所示。

圖6 TC4葉片修復圖[29]Fig.6 TC4 blade repair diagram[29]

2022年,Wang等[30]使用水下激光定向能量沉積修復HSLA-100 鋼,結果表明:再制造的樣品的微觀結構比通過空氣再制造的樣品更堅硬,證明了在高壓氧水下環(huán)境中對 HSLA-100 鋼進行高質(zhì)量再制造的可行性。2022年,張琦等[31]提出一種失效數(shù)據(jù)驅(qū)動的磨損失效零件增材再制造的神經(jīng)網(wǎng)絡量化評價方法。以碎煤機端盤為例對所提方法進行驗證,結果表明:該方法的可行性與有效性。2023年,Xu等[32]提出了一種連續(xù)波激光沉積-脈沖激光精加工復合修復30CrMnSiNi2A超高強度鋼的方法。探討了不同工藝參數(shù)對合金表面形貌、顯微組織、顯微硬度和耐磨性的影響,結果表明:與未激光加工相比,表面粗糙度和磨損率分別降低了64.96%和27.68%,顯微硬度提高了23.67%。

2 激光再制造工藝類型

按材料送入方式不同,激光增材再制造工藝可分為預置式和同步式。前者又稱為兩步式激光沉積技術,是將沉積材料預置于待修復區(qū)域,而后使用高能激光束掃描形成與基體冶金結合的修復體。相比之下,同步法較為常用。同步法激光沉積技術又分為送粉式和送絲式,送粉式又可分為同軸送粉和旁軸送粉,同軸送粉又可分為光內(nèi)送粉式和傳統(tǒng)式。送絲式又可分為冷絲和熱絲。同步式激光熔覆沉積按材料送給工藝的方法分類如圖7所示。

圖7 按材料送給工藝分類Fig.7 Classification by material to process

2.1 預置粉末式激光沉積

預置式激光沉積技術是將處理好的待熔覆粉末材料預先置于基材表面熔覆部位,然后用激光束掃描預置在基材表面的熔覆材料使其熔化后與基體材料形成冶金結合的修復結構[33]。工藝流程為:基材表面的預處理—預置熔覆粉末—預熱—激光掃描—后熱處理。

2020年,Zhou等[34]分別用預置FeCoNiCrMn和FeCoNiCrAl粉末激光焊接退火后的FeCoNiCrMn板。與基體合金相比,各焊縫的屈服強度均有明顯提高。2020年,Yang等[35]通過60TiFe、B4C、Cr、Ni和Si預混合粉末的原位反應,在Q235基體上成功制備了ATiB2-TiC/Fe復合涂層。2021年,Anjos等[36]采用粉末冶金法制備了Ti-10Nb和Ti-3Mo合金,并用預置Nb和Mo粉末進行激光表面合金化,粉末沉積方案如圖8[36]所示。2021年,Jiang等[37]預置Ni35粉末在40Cr鋼上來制備薄涂層。系統(tǒng)地研究了粉末尺寸和預設厚度對稀釋率、微觀結構和涂層性能的影響。2022年,Zeng等[38]探討了激光熔覆中粉末比和預設粉末工藝參數(shù)對Ni35A+SiC熔覆層性能和缺陷的耦合效應,結果表明:硬度隨粉末比例和掃描速度的增加而增加,隨激光功率的增加而減少。

圖8 預置粉末激光焊接示意圖[36]Fig.8 Schematic diagram of pre-powder laser welding[36]

2.2 同步送粉式激光沉積

同步送粉式激光沉積技術原理是高能激光束照射基材形成液態(tài)熔池,合金粉末在載氣帶動下由送粉噴嘴射出后進入熔池,隨送粉噴嘴與激光束的同步移動形成熔覆層。按照送粉位置不同可分為同軸送粉(圖9)和旁軸送粉式(圖10)。同步送粉式激光沉積技術具有易實現(xiàn)自動化、易控制和激光能量利用率高等優(yōu)點,若同時采用同軸保護氣,可以有效防止熔池氧化,能夠制備出表面成形良好的熔覆層。因此,同步送粉式激光沉積技術目前應用最為廣泛。

圖9 同軸送粉原理圖Fig.9 Coaxial powder feeding schematic

圖10 旁軸送粉原理圖Fig.10 Side shaft powder feeding schematic

2020年,Tan等[39]采用高速攝影的方法,觀察了不同進粉時間下粉末流的動態(tài)演化。結合粉末流模擬,討論了各通道特性的演化對粉末散度的貢獻。2021年,He等[40]采用同步送粉激光沉積法成功制備了無明顯冶金缺陷的TA15/Ti2AlNb梯度復合組織,并進行了不同的熱處理,結果表明:隨著Ti2AlNb比例的增加,顯微硬度先增加后降低。2021年,Liu等[41]采用自行設計的送粉噴嘴和優(yōu)化的工藝參數(shù),研究了同步送粉水下激光熔覆新工藝凝固組織及溫度場。2022年,Clya等[42]研究了在NaB襯底上沉積CuNi2SiCr材料的力學性能,結果表明:沉積層的顯微組織具有低強度、低硬度、高韌性的特點,制備的樣品如圖11[42]所示。2022年,Yang等[43]提出了同軸送粉激光熔覆法來連接光纖傳感器和基體。分段建立了粉末流動的濃度場模型,得到了顆粒的有效數(shù)量模型和相應的激光衰減率,并驗證了連接的有效性。2023年,吳昌鼎等[44]基于順序熱-力耦合有限元方法,在304不銹鋼基板上沉積GH4169 合金粉末,并探討了激光功率和掃描速度對不同區(qū)域的溫度場和殘余應力的影響。2023年,Guo等[45]為了提高同軸送粉激光熔覆工藝中的粉末利用率,減少粉末浪費,采用歐拉-拉格朗日理論建立了激光熔覆中氣粉兩相流的模擬模型。利用 FLUENT 模擬了不同工藝條件下的粉末粒度、粉末粒形系數(shù)、載氣流量和粉末進給量,并通過實驗驗證了結果。

圖11 NaB上沉積CuNi2SiCr制備的樣品[42]Fig.11 Samples prepared by depositing CuNi2SiCr on NaB[42]

2.3 熔絲式激光沉積

熔絲式激光沉積技術是金屬材料增材制造領域的關鍵技術之一,其原理圖如圖12所示。熔絲式激光沉積工藝中,絲材可以從激光前后不同方向送入,與光軸成一定角度,即使送絲過程發(fā)生微小波動,也能保證熔滴過渡穩(wěn)定,熔覆成形好。相對于廣泛應用的同步送粉式激光沉積技術,熔絲式激光沉積技術具有材料利用率高、速度快和成形控制精確等優(yōu)點。若不考慮激光沉積過程中飛濺現(xiàn)象的影響,沉積層體積通常為所送絲體積,材料利用率近似為100%。熔絲式激光沉積技術可用于修補各種模具裂紋、崩角和模具飛邊等部位,加工后不會出現(xiàn)氣孔。

圖12 熔絲式激光沉積系統(tǒng)原理圖Fig.12 Schematic diagram of fused wire laser deposition system

2022年,Frlich等[46]在AlSi10Mg結構上,采用熔絲法激光沉積制備聚乳酸(polylactide,PLA),研究了激光粉末床熔融基板熔融絲制造的互鎖界面,最終制備了AlSi10mg /PLA雜化試樣,進一步改善幾何和材料適應性成為可能。2022年,Guo 等[47]通過水下送絲激光沉積技術和激光沉積氣體屏蔽噴嘴,成功地在5052鋁合金上制造出具有均勻成型的水下激光沉積層。2023年,Steiner等[48]設計了激光材料沉積過程中用同軸送絲測量電阻的實驗裝置并進行工藝控制,其目的是研究電阻測量是否可用于識別過程中斷。結果表明:測量是可能的,并可以檢測進程中止。電阻測量樣品的路徑規(guī)劃如圖13[48]所示。2023年,Peng等[49]研究了激光送絲過程中駝峰形成的機理。并通過數(shù)值模型研究了激光功率、導絲和送絲速度對駝峰形成的影響,結果表明:數(shù)值模擬結果與實驗結果吻合較好。

圖13 電阻測量樣品的路徑規(guī)劃[48]Fig.13 Path planning for resistance measurement samples [48]

2.4 光內(nèi)同軸送粉/送絲式激光沉積

光內(nèi)同軸式送粉激光沉積是一種新型的增材制造工藝,其原理示意圖如圖14所示。該工藝采用一種新型送粉噴嘴,用錐鏡將光束分割再通過環(huán)形拋物鏡反射匯聚于一點,粉末流從中間噴射而出,達到了光包粉的效果[50-51]。光內(nèi)同軸送粉在粉末利用率和光束方面有顯著的優(yōu)點,一方面,光內(nèi)送粉裝置只有單根粉管,較容易實現(xiàn)粉末匯聚,能大大提高粉末利用率及成形表面質(zhì)量;另一方面,環(huán)型激光的能量分布呈馬鞍或月牙形,能量分布更均勻合理,在改善圓形實心光斑引起的邊緣熔化不充分現(xiàn)象的同時,還可有效改善熱量積累現(xiàn)象,有利于多道搭接多層堆積成形[52-53]。

圖14 光內(nèi)同軸送粉系統(tǒng)示意圖Fig.14 Schematic diagram of the optical internal coaxial powder feeding system

2020年,Shi等[54]針對不等高零件的精確控制提出了新的控制策略。采用內(nèi)束式送粉噴嘴進行大傾角沉積,對典型懸垂結構和不等高結構的“扇形”和“彎管”零件進行沉積,實現(xiàn)了幾何穩(wěn)定收斂的過程,其系統(tǒng)示意圖如圖15[54]所示。2021年,Lu等[55]研究了環(huán)形光束外側較高能量對薄壁零件表面粗糙度和波浪的影響。結果表明:激光功率對表面光潔度有明顯影響。隨著激光功率的增加,粗糙度下降,波紋先增加后減少。2022年,Wang等[56]通過采用環(huán)形光束的激光重熔策略來改善束內(nèi)供粉制造的Ti-6Al-4V合金其機械性能略差的問題。2022年,Yang等[57]采用內(nèi)束送粉法高速激光熔覆技術制備Stellite6涂層,系統(tǒng)研究了Stellite6涂層的顯微組織、硬度和沖蝕磨損性能。結果表明:所有Stellite6涂層均無明顯缺陷,涂層厚度隨熔覆速度的增加而減小,隨激光功率的增加而增大。

類似的,光內(nèi)同軸式送絲激光沉積技術原理示意圖如圖16所示。相比旁軸送絲,光內(nèi)同軸送絲的被熔絲材與激光光束同軸垂直送進,在掃描成形加工時,其送進方向、送進角和送進位置均不變,可消除掃描方向性影響[58]。

圖16 光內(nèi)同軸送絲系統(tǒng)示意圖Fig.16 Schematic diagram of the optical internal coaxial wire feeding system

2019年,吉紹山等[59]利用研制的三光束光內(nèi)送絲裝置進行了單向以及多向單道熔覆實驗,研究了成形表面質(zhì)量以及單道熔覆層的組織和硬度。熔覆層形貌如圖17[59]所示。2020年,蔣偉偉等[60]利用神經(jīng)網(wǎng)絡模型和二次回歸模型研究了光內(nèi)同軸送絲激光熔覆各工藝參數(shù)的工藝區(qū)間,以及參數(shù)與熔覆層幾何形貌映射關系。結果表明:二次回歸模型未能擬合送絲熔覆多變量耦合的非線性過程,而BP神經(jīng)網(wǎng)絡得到較好的預測結果。2020年,張吉平[61]對多道多層送絲實體堆積成形工藝開展研究。研究了熔覆過程光絲耦合特征,得到了不同光絲耦合方式下絲材進入熔池的過渡形式。2022年,陳源等[62]從技術分類及原理、加工制造特性、成形精度控制以及增材件的組織性能等方面,論述了光絲同軸激光增材制造取得的研究進展。

圖17 熔覆層表面形貌[59]Fig.17 Surface morphology of the clad layer [59]

2.5 絲粉同步式激光沉積

絲粉同步式激光沉積技術原理示意圖如圖18[7]所示,該技術是由送粉式激光沉積技術和熔絲式激光沉積技術復合而成,兼具二者優(yōu)點,在復合材料構件增材制造和再制造領域有良好的應用前景。

CNC為數(shù)控平臺;α為傾斜角度圖18 絲粉同步式系統(tǒng)示意圖[7]Fig.18 Schematic diagram of the silk-powder synchronous system [7]

2019年,李福泉等[63]利用絲粉同步式激光沉積技術直接制備成型良好的WCp/Al復合材料單層與疊層沉積件,對工藝參數(shù)進行優(yōu)化,獲得了成型良好的單層沉積件。2022年, Zhou等[64]研究了送粉速度對同軸線上送粉的SS 316L零件的表面質(zhì)量、缺陷和微觀結構的影響。結果表明:線沉積樣品的表面光潔度比用高送粉率制造的原狀樣品要好得多。2022年,韓彬等[65]采用絲粉協(xié)同高速激光熔覆研究不銹鋼層組織性能,采用高速激光熔覆技術制備17-4PH絲材、17-4PH絲材協(xié)同B4C粉末及17-4PH絲材協(xié)同Cr3C2粉末3種熔覆層。結果表明:17-4PH絲材協(xié)同B4C粉末熔覆層硬度顯著提高,而17-4PH絲材協(xié)同Cr3C2粉末熔覆層在3.5%NaCl 溶液中的耐蝕性明顯提升。2023年,Mi 等[66]采用并行送絲送粉激光沉積(CWPLD)方法制備了SiCp/Al基復合材料,研究了制備的SiCp/Al復合材料的顯微組織和力學性能。結果表明:復合材料的維氏硬度波動劇烈,復合材料的塑性低于WLD法制備的Al試樣,復合材料的抗拉強度高于WLD法制備的Al試樣的抗拉強度。在拉伸試驗中,斷口觀察僅發(fā)現(xiàn)SiC斷裂。拉伸試樣斷口未見SiC與Al基體脫粘。嵌段樣品形貌如圖19[66]所示。

圖19 SiCp/Al嵌段樣品的形貌[66]Fig.19 Morphology of SiCp/Al block sample [66]

3 激光增材再制造的應用

增材再制造技術作為新興的前沿技術,發(fā)展較快并成為機械工業(yè)領域發(fā)展的重點。目前,激光再制造技術已在航空、航天、國防工業(yè)、礦山機械、能源動力、冶金裝備等工業(yè)領域?qū)嶋H應用。

外國激光再制造技術的應用主要集中于國防工業(yè)及航空、航天領域。中國激光再制造技術在軍用領域主要用于構建軍用航空發(fā)動機關鍵零部件再制造核心技術體系;在民用工業(yè)領域,激光再制造技術已在風電設備、礦山機械、能源動力、冶金裝備等領域的風電機組部件、煤礦液壓支架、汽輪機轉(zhuǎn)子及葉片、冶金輥道、芯棒、軋機牌坊等大型裝備及關鍵零部件的修復中實現(xiàn)應用。

3.1 航空行業(yè)

Qin等[67]采用LMD在18Cr2Ni4WA鋼表面激光熔覆高Co-Ni二次硬化鋼,制備了高鈷-鎳二次硬化鋼涂層,熔敷層組織由過飽和鐵素體、晶界奧氏體、針狀M3C滲碳體和細小的M2C碳化物組成,修復后表面硬提高20%,并應用于飛機定位銷的修復。劉偉等[68]研究了LMD修復17-4PH 不銹鋼的組織和力學性能,沉積區(qū)組織由馬氏體板條和少量的二次強化相粒子如M7C3和NbC碳化物組成,熱影響區(qū)組織由鐵素體條帶和馬氏體板條組成,修復后綜合力學性能與鍛件相當。鞏水利等[69]采用激光增材修復技術對某型號航空發(fā)動機鈦合金整體葉輪損傷部位進行修復(圖20[69]),順利通過試車考核。

圖20 航空發(fā)動機整體葉輪[69]Fig.20 Aero-engine integral impeller[69]

美國Optomec Design公司利用激光熔覆修復技術實現(xiàn)了T700型渦輪發(fā)動機葉盤葉片(AM355鋼)翼型前緣修復,通過低周疲勞自旋試驗和高轉(zhuǎn)速自旋試驗對修復進行了機械驗證,結果表明:修復狀態(tài)良好,符合使用要求[70]。葉盤葉片前緣修復后及后續(xù)機加工如圖21[70]所示。

圖21 葉片前緣修復[70]Fig.21 Blade leading edge repair[70]

Gasser等[71]采用激光粉末定向能量沉積(laser powder directed energy deposition,LP-DED)技術成功地修復了BR715 HPT外殼(鎳基合金Nimonic PE16)磨損法蘭(圖22[71])以及BR715高性能混凝土前排減震線槽(Ti6Al4V合金),如圖23[71]所示。

圖22 BR715 HPT外殼法蘭的修復[71]Fig.22 Repair of BR715 HPT housing flange [71]

圖23 BR715前排減震線槽的修復[71]Fig.23 BR715 repair of front shock absorbing wire channels [71]

Koehler等[72]在封閉惰性氣體室中修復了飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)子上的鈦葉片(圖24[72]),選擇合適工藝參數(shù)和沉積策略可獲得致密、精細的結晶組織,結果表明修復后在拉伸和疲勞強度方面,其力學性能至少與基體材料相當。

圖24 發(fā)動機轉(zhuǎn)子鈦葉片修復[72]Fig.24 Titanium blade repair on engine rotor[72]

3.2 船舶行業(yè)

王思明等[73]針對為探究激光增材修復技術修復彈體結構裂紋的可行性和有效性,借助有限元仿真手段對裂紋部位進行應力仿真,成功模擬出導彈船艙裂紋的擴展路徑。并采用激光增材修復技術對裂紋艙段完成了修復某型導彈艙段裂紋,修復后的艙段滿足導彈使用要求。閆燦斌等[74]、李育森[75]對船舶主軸銅套激光增材制造修復應用進行了研究,通過理論分析和試驗驗證對工藝參數(shù)進行優(yōu)化,并使用有限元技術模擬了再制造零件溫度場,成功修復了主軸銅套,并已交付用戶使用3年。Saboori等[76]采用激光熔覆對某船用柴油機曲軸進行修復,沉積材料與基體材料間獲得了良好的冶金結合。修復后曲軸頂部和底部狀態(tài)良好,如圖25[76]所示。

圖25 修復后曲軸[76]Fig.25 Repaired crankshaft[76]

Piscopo等[77]采用激光熔覆工藝成功修復了船用MAN B&W活塞(圖26[77]),修復后的活塞表現(xiàn)出更高的硬度和耐腐蝕性,可有效延長活塞的使用壽命。

圖26 MAN B&W活塞修復[77]Fig.26 MAN B&W piston repair[77]

3.3 模具行業(yè)

尹研[78]利用Nd:YAG脈沖激光在Cr12MoV 基體上熔覆SDK11絲材,用于修復模具表面損傷,修復后增材層的硬度是基體的3倍。胡方濤[79]、李班[80]采用激光熔覆技術在H13鋼基體表面上制備NiCr-Cr3C2的復合熔覆層,修復損傷的H13模具鋼,修復后表面顯微硬度得到顯著提高,隨著 Cr3C2-NiCr含量的上升,熔覆層顯微硬度也隨之升高。與基體相比,熔覆后的模具使用壽命得到了明顯提高。Ahn[81]使用LP-DED工藝修復了一個熱鍛模,如圖27[81]所示。結果表明:修復后的模具使用壽命比原來的模具高2.5倍。

圖27 熱鍛工具修復[81]Fig.27 Hot forging tool repair [81]

Bennett等[82]使用LP-DED工藝修復了一個汽車模具(圖28[82]),修復后的模具與原模具壽命相同。而采用傳統(tǒng)工藝修復的此類模具,其壽命不足原模具的30%。

圖28 汽車模具修復[82]Fig.28 Automotive mold repair[82]

4 激光再制造技術的發(fā)展趨勢

金屬零部件激光增材再制造技術具有廣泛的應用潛力,未來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化,在更為廣泛的工業(yè)領域得到推廣應用[83],需要加強以下幾方面的研究。

(1)工藝技術的系統(tǒng)化和集成化:激光增材再制造正朝著工藝技術系統(tǒng)化和集成化的方向迅速發(fā)展。目前難點在于整合不同的制造步驟,確保高度的協(xié)同性,以實現(xiàn)高效生產(chǎn)并降低生產(chǎn)成本。未來發(fā)展趨勢將聚焦于開發(fā)全面的生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng),包括數(shù)字化工藝流程、自動化機器人和實時數(shù)據(jù)分析。將激光增材再制造技術與機器人、精密切削等技術集成,構建全面的大制造體系,促進激光增材再制造技術進一步推廣應用。

(2)激光增材再制造的智能化和適應性:實現(xiàn)激光增材再制造的智能化是一項重要挑戰(zhàn),在國家相關政策推動下,需要增材制造軟硬件系統(tǒng)具備智能化和自適應性的功能。目前難點在于高度復雜的控制系統(tǒng)和傳感技術。未來將采用人工智能和機器學習來優(yōu)化制造參數(shù)、實現(xiàn)實時質(zhì)量控制,并適應不同材料和復雜幾何形狀的要求,以實現(xiàn)高度靈活和自適應的生產(chǎn)過程。

(3)粉體材料的專用化及集約化:粉體材料在增材再制造中起著關鍵作用,但其性能和特性需要更多專用化和優(yōu)化。突破制粉技術的瓶頸、研制激光增材制造及再制造專用的粉末是急需解決的關鍵問題。未來將采用定制化的粉體配方,以滿足不同行業(yè)和應用的需求,并尋求粉末資源的更集約使用,以減少浪費和環(huán)境影響。

(4)增材再制造零部件的檢測和評價技術:高質(zhì)量的增材再制造零部件需要先進的檢測和評價技術,以及專門的檢測方法及驗收標準,以確保制造零部件的可靠性和性能,不能照搬傳統(tǒng)制件檢測方法。目前難點在于非破壞性檢測、缺陷檢測和材料特性的準確測量。未來將集中于開發(fā)高精度的成像和傳感技術,以實現(xiàn)快速而可靠的質(zhì)量控制,同時減少制造過程中的廢品率。

5 結論

激光再制造技術作為綠色制造技術領域的先進再制造技術,是具有潛力的前沿性技術,符合中國實現(xiàn)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標。隨著中國激光器與激光應用技術等多方面自主創(chuàng)新能力水平的提升,激光再制造技術體系不斷完善,應用領域不斷拓展,中國激光增材再制造技術發(fā)展恰逢其時,發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>