激光再制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

董世運(yùn)，閆世興

（陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072）

0 前 言

近年來(lái)，再制造產(chǎn)業(yè)在國(guó)家政策支持下獲得了快速發(fā)展，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)綠色、可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。在此過(guò)程中，再制造技術(shù)方法不斷豐富，再制造工程理論和技術(shù)體系不斷發(fā)展和完善。其中，激光再制造技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)再制造技術(shù)，得到了科研院校和企業(yè)的高度重視，應(yīng)用領(lǐng)域快速拓展，創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，呈現(xiàn)出了巨大潛力和廣闊前景。

激光再制造技術(shù)是指應(yīng)用激光對(duì)零部件進(jìn)行再制造處理的各種激光技術(shù)的統(tǒng)稱[1]。目前，激光再制造技術(shù)在中國(guó)正快速發(fā)展，從事激光再制造研究的高校和科研院所越來(lái)越多，研究隊(duì)伍亦逐漸壯大。同時(shí)，激光再制造專業(yè)化企業(yè)和科研團(tuán)隊(duì)不斷涌現(xiàn)，推動(dòng)激光再制造技術(shù)在不同領(lǐng)域裝備維修和延壽中成功應(yīng)用，例如：石化行業(yè)的煙氣輪機(jī)、風(fēng)機(jī)和電機(jī)，電力行業(yè)的汽輪機(jī)和電機(jī)，冶金行業(yè)的熱卷板連軋線、棒材連軋線、線材高速連軋線，鐵路行業(yè)的貨車車輪、車軸、鐵路機(jī)車曲軸，航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件和大型船舶內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)部件等等。多年來(lái)，裝備再制造技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從激光再制造成形理論、技術(shù)工藝、新型材料及應(yīng)用等多方面對(duì)激光再制造技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，推動(dòng)應(yīng)用激光清洗、激光焊接和激光熔覆等激光再制造技術(shù)工業(yè)應(yīng)用，并成功再制造了重載車輛齒類件、軸類件、車輛發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和凸輪軸、發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸蓋等裝備關(guān)鍵零部件。

本文在介紹激光再制造技術(shù)特點(diǎn)和激光再制造工藝流程基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹激光再制造技術(shù)體系及其發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，并從零部件合金材料體系角度，綜述激光再制造技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景，提出激光再制造技術(shù)方法選用原則和方案設(shè)計(jì)原則，為進(jìn)一步開(kāi)展激光再制造技術(shù)研究和促進(jìn)激光再制造技術(shù)工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 激光再制造技術(shù)體系及其發(fā)展

激光再制造技術(shù)已經(jīng)歷30余年發(fā)展歷史，但在其前20余年，由于激光器水平和激光技術(shù)應(yīng)用水平較低，人們對(duì)激光技術(shù)了解少、對(duì)激光再制造技術(shù)認(rèn)識(shí)不夠，工業(yè)應(yīng)用中的激光再制造主要以激光熔覆技術(shù)為主，且其應(yīng)用范圍較小，因此，尚未能建立激光再制造技術(shù)體系。近10余年來(lái)，隨著我國(guó)激光器水平提升、激光應(yīng)用技術(shù)發(fā)展以及再制造產(chǎn)業(yè)的蓬勃興旺，激光再制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用在國(guó)家政策和國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目支持下，也獲得了科研院校以及民用工業(yè)領(lǐng)域和軍工企業(yè)的更廣泛關(guān)注和快速發(fā)展，激光再制造技術(shù)體系逐步建立起來(lái)并不斷發(fā)展。近年來(lái)，激光再制造技術(shù)已由最初主要關(guān)注恢復(fù)零部件損傷部位尺寸和性能的激光熔覆技術(shù)，拓展到了激光再制造全流程相關(guān)的激光技術(shù)及其應(yīng)用。同時(shí)，激光再制造技術(shù)因其再制造的服役性能優(yōu)異、技術(shù)性價(jià)比高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其技術(shù)方法已不再局限于修復(fù)損傷失效零部件，而已經(jīng)反饋到零部件制造工序，激光再制造和激光制造在技術(shù)原理、工藝方法及工程應(yīng)用等方面形成了相互促進(jìn)和產(chǎn)業(yè)互動(dòng)格局。

1.1 激光再制造工藝流程

激光再制造技術(shù)是裝備零部件再制造的技術(shù)途徑之一，因此激光再制造工藝流程必須遵循零部件再制造流程。圖1給出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 28618-2012 機(jī)械產(chǎn)品再制造 通用技術(shù)要求》所提出的機(jī)械產(chǎn)品再制造流程圖[2]。在確定某待再制造裝備（機(jī)械產(chǎn)品）特定零部件擬進(jìn)行激光再制造后，需遵循圖1所示流程圖制定該零部件的激光再制造工藝流程圖。

圖1 機(jī)械產(chǎn)品再制造流程

對(duì)特定零部件進(jìn)行激光再制造時(shí)，可以依據(jù)如圖2所示激光再制造工藝流程，重點(diǎn)關(guān)注激光再制造技術(shù)方法及其工藝方案和工藝實(shí)施過(guò)程。以工業(yè)應(yīng)用最廣泛的激光熔覆方法再制造局部損傷零部件為例，首先要對(duì)損壞零部件進(jìn)行失效分析，根據(jù)失效原因和失效狀態(tài)制定合適的激光再制造方案，并對(duì)損傷零件進(jìn)行預(yù)處理，然后通過(guò)激光工藝試驗(yàn)獲得最佳激光再制造工藝參數(shù)和實(shí)施方法，在完成局部缺損部位激光熔覆再制造成形后，應(yīng)當(dāng)對(duì)沉積成形熔覆層進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，最終對(duì)再制造零部件進(jìn)行可靠性評(píng)估和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等。

圖2 激光再制造工藝流程

1.2 激光再制造技術(shù)體系

廣義而言，激光再制造技術(shù)體系包含對(duì)應(yīng)于零部件由舊件入廠至再制造后重新服役應(yīng)用的激光再制造全流程各工序所涉及的相關(guān)技術(shù)，是裝備制造技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)、激光加工工藝技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、檢測(cè)與控制技術(shù)等多種技術(shù)相結(jié)合而形成的有效的科學(xué)技術(shù)體系，其具體構(gòu)成如圖3所示[3]。其中，針對(duì)具體零部件的激光再制造而言，人們一般重點(diǎn)關(guān)注激光再制造工藝技術(shù)及其專用材料。

圖3 激光再制造技術(shù)體系構(gòu)成

狹義而言，激光再制造技術(shù)體系是零部件再制造全流程各工序涉及的各種激光應(yīng)用技術(shù)所構(gòu)成的材料激光加工技術(shù)體系。為此，按激光束對(duì)零部件材料作用結(jié)果的不同，激光再制造技術(shù)主要可分為兩大類，即激光表面改性技術(shù)和激光加工成形技術(shù)，如圖4所示，圖中列出了部分常用激光再制造技術(shù)方法[3]。

圖4 常用激光再制造技術(shù)方法

激光加工成形技術(shù)主要包括激光焊接、激光切割、激光打孔、激光快速成形等。激光切割和激光打孔都是利用高功率密度激光束輻射工件表面，在極短時(shí)間內(nèi)加熱材料，使其迅速熔化、汽化、燒蝕，實(shí)現(xiàn)鉆孔或者切割的目的。激光焊接同樣基于高能密度激光同材料的相互作用，利用激光作為熱源熔化并連接工件。激光快速成形基于激光熔覆技術(shù)，在數(shù)控模型的控制下，用高功率激光束燒結(jié)金屬粉末直接形成金屬零部件或者在廢舊部件上缺損部位燒結(jié)金屬粉末恢復(fù)零部件形狀和功能。

激光表面改性技術(shù)主要有激光淬火、激光熔凝、激光合金化、激光熔覆和激光沖擊等。激光淬火和激光熔凝屬于熱工藝處理，通過(guò)改變材料表層組織來(lái)改變表面性能。激光合金化和激光熔覆屬于熱化學(xué)工藝處理，通過(guò)向材料表層添加合金元素或者增強(qiáng)顆?；蛟诓牧媳砻嬷苽洳煌牧象w系的表層來(lái)改變表面性能，其特點(diǎn)是通過(guò)改變材料表層成分，然后實(shí)現(xiàn)改變材料表層組織和性能的目的。

激光再制造技術(shù)體系是開(kāi)放性的技術(shù)體系。一方面，產(chǎn)品再制造全流程各工序不斷應(yīng)用新興的新型激光技術(shù)方法；另一方面，在某產(chǎn)品或某零件再制造的實(shí)踐中，激光熔覆等激光再制造技術(shù)只是完成核心工序環(huán)節(jié)，其前后工序尚需借助其他激光再制造技術(shù)手段或非激光手段完成；再者，傳統(tǒng)激光再制造技術(shù)方法和其他再制造技術(shù)方法融合復(fù)合，形成新型復(fù)合再制造技術(shù)，提升再制造產(chǎn)品質(zhì)量或效率等。產(chǎn)品再制造多工序特性決定了激光再制造技術(shù)體系的發(fā)展活力和開(kāi)放性。

近年來(lái)，隨著再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展和激光再制造技術(shù)應(yīng)用拓展，從業(yè)工程師和科技人員在激光再制造技術(shù)應(yīng)用的工程實(shí)踐中，以工程背景為牽引、從實(shí)際需求出發(fā)，不斷創(chuàng)新激光再制造技術(shù)方法、研發(fā)激光再制造技術(shù)新工藝新裝備。與此同時(shí)，傳統(tǒng)再制造和維修手段難以解決的高端裝備高性能零部件的再制造延壽，對(duì)激光再制造提出了更高技術(shù)指標(biāo)要求，驅(qū)動(dòng)激光再制造的技術(shù)方法創(chuàng)新和應(yīng)用拓展。激光清洗、激光增材制造、激光精整/拋光、超快激光打孔等新興激光加工技術(shù)迅速發(fā)展，超聲波、電磁場(chǎng)等能場(chǎng)輔助激光熔覆技術(shù)在工業(yè)中獲得成功應(yīng)用，有效推動(dòng)了激光再制造技術(shù)體系發(fā)展。

2 不同合金材料零部件的激光再制造技術(shù)應(yīng)用

激光再制造技術(shù)因其技術(shù)先進(jìn)性和再制造產(chǎn)品質(zhì)量與性能優(yōu)越性，已在冶金、電力、石化、礦采、交通（飛機(jī)、艦船、火車、汽車）、紡織等各工業(yè)領(lǐng)域裝備再制造中廣泛應(yīng)用，在重要裝備零部件再制造中發(fā)揮了不可替代的作用，解決了諸多維修和再制造延壽難題，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨著激光器技術(shù)發(fā)展和激光再制造技術(shù)成本迅速降低，裝備零件激光再制造的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)已得到普遍認(rèn)可，激光再制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將更加明顯。近年來(lái)，在新形勢(shì)政策驅(qū)動(dòng)下，工業(yè)制造領(lǐng)域更加重視節(jié)能減排、全壽命周期管理和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)等要求，人們對(duì)再制造的認(rèn)識(shí)和接受度不斷提高，激光再制造技術(shù)研究應(yīng)用的深度與廣度將越來(lái)越深入而廣泛，將為建設(shè)節(jié)約型社會(huì)作出更大貢獻(xiàn)[4-6]。

針對(duì)激光再制造技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，很多文獻(xiàn)從工業(yè)領(lǐng)域角度入手，梳理總結(jié)了以激光熔覆技術(shù)應(yīng)用為主的激光再制造技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，本文從材料方面入手，簡(jiǎn)要梳理不同工業(yè)領(lǐng)域中裝備不同材料材質(zhì)金屬零部件的激光再制造技術(shù)應(yīng)用，重點(diǎn)介紹鋼鐵、鎳合金、鈦合金和鋁合金等幾種典型的工業(yè)主干材料零部件的激光再制造技術(shù)應(yīng)用情況并指出其存在的主要問(wèn)題。

2.1 鋼鐵零部件

鋼鐵材料是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛、用量最大的金屬材料，因而鋼鐵零部件激光再制造也是需求量最大、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益巨大的技術(shù)方向，在諸多行業(yè)領(lǐng)域均具有巨大市場(chǎng)潛力。目前，鋼鐵零部件激光再制造仍然以激光熔覆技術(shù)為主體，主要是通過(guò)制備高性能激光熔覆層，恢復(fù)零部件局部損傷局域的原始尺寸并提升其耐磨損、耐腐蝕、抗疲勞性能等服役性能。針對(duì)低碳鋼、不銹鋼等焊接性良好的鋼鐵零部件，其激光再制造技術(shù)工藝已較成熟并獲得大量工業(yè)應(yīng)用。但是，高碳鋼、鑄鐵、高性能合金鋼等高碳含量或高性能要求的鋼鐵件的激光再制造，仍需根據(jù)具體零件材料特性和服役性能等要求，對(duì)其激光熔覆再制造所需材料、技術(shù)工藝參數(shù)和實(shí)施方法等進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化研究，才能獲得質(zhì)量性能合格的激光再制造件。這也是近年來(lái)鋼鐵零部件激光再制造領(lǐng)域研究和創(chuàng)新應(yīng)用的重點(diǎn)方向之一。

本文作者團(tuán)隊(duì)針對(duì)重載車輛柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸蓋、凸輪軸與曲軸等球墨鑄鐵件和灰鑄鐵件的激光再制造技術(shù)，基于激光熔覆和激光直接沉積增材制造技術(shù)原理開(kāi)展了多年研究，研制了鑄鐵件激光熔覆再制造專用粉體材料和技術(shù)工藝方法，突破了激光再制造鑄鐵件中的氣孔和裂紋等缺陷控制、應(yīng)力應(yīng)變調(diào)控和性能調(diào)控等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了表面磨損、局部結(jié)構(gòu)裂紋和局部體積缺損等不同損傷形式的鑄鐵件的激光再制造延壽[7-9]。同時(shí)，作者團(tuán)隊(duì)采用激光熔覆再制造技術(shù)修復(fù)了某型艦船主機(jī)柴油機(jī)的球墨鑄鐵缸蓋（見(jiàn)圖5）。大修廠在艦船修理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其氣缸蓋氣閥座孔表面因腐蝕出現(xiàn)漏水，導(dǎo)致主機(jī)不能正常使用，影響該型艦艇的在航率。其氣缸蓋材質(zhì)為球墨鑄鐵，焊接性差、修復(fù)難度大。在不對(duì)氣缸蓋進(jìn)行整體或局部預(yù)熱的條件下，采用激光熔覆技術(shù)對(duì)氣缸蓋閥座孔表面進(jìn)行再制造修復(fù)，有效控制了熔覆氣孔和裂紋，成形熔覆層表面光亮、連續(xù)，無(wú)裂紋和氣孔等缺陷，熔覆層與基體呈良好冶金結(jié)合，氣缸蓋基體熱影響區(qū)小。熔覆層厚度1.0～1.2 mm，預(yù)留了后續(xù)機(jī)加工余量。機(jī)加工的氣閥座孔裝配氣閥座后，對(duì)氣缸蓋整體進(jìn)行了常溫和熱態(tài)水壓測(cè)試，結(jié)果顯示均未出現(xiàn)滲漏，缸蓋氣閥座密封性良好，氣缸蓋再制造達(dá)到了預(yù)期效果。

圖5 某型艦船柴油機(jī)缸蓋氣門閥座激光熔覆再制造

軋輥是激光再制造技術(shù)的常見(jiàn)應(yīng)用對(duì)象。圍繞球墨鑄鐵軋輥磨損失效問(wèn)題，任嘉等[10]研究了多種合金材料激光熔覆修復(fù)軋輥的技術(shù)方法，發(fā)現(xiàn)鎳基合金應(yīng)用在球鐵軋輥上具有良好的工藝成形性和優(yōu)異的綜合性能。齒類件是激光再制造技術(shù)應(yīng)用中常見(jiàn)的高性能合金鋼件之一。王東[11]開(kāi)展了齒面磨損失效的17CrNiMo6合金鋼傳統(tǒng)齒輪的激光熔覆再制造技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了再制造齒類件性能接近新品水平。針對(duì)石油平臺(tái)35CrMo鋼大齒輪、42CrMo鋼小齒輪的齒面缺陷修復(fù)需求，采用光纖激光堆焊方法再制造修復(fù)了磨損與開(kāi)裂失效的齒輪齒面（見(jiàn)圖6），檢測(cè)與試驗(yàn)證明激光再制造修復(fù)齒輪滿足服役工況要求[12]。作者團(tuán)隊(duì)針對(duì)某型重載車輛測(cè)減速器主動(dòng)齒輪軸（18CrNiWA合金鋼）齒輪齒面損傷，開(kāi)展了激光熔覆再制造修復(fù)工藝和材料研究，獲得了重載齒輪齒面激光熔覆專用材料及其激光熔覆再制造方法[13]。

圖6 石油平臺(tái)35CrMo鋼大齒輪、42CrMo鋼小齒輪齒面的激光再制造修復(fù)

圖7 激光熔覆再制造高壓柱塞泵曲軸箱曲軸頸

反應(yīng)釜配套高壓清洗泵采用日本制造JPCM-33370型高壓三柱塞泵，因一側(cè)主軸承磨損失效，導(dǎo)致曲軸燒瓦情況發(fā)生，損壞件包括曲軸、連桿大頭瓦塊、連桿，李暢樂(lè)等[14]采用激光熔覆錫（Sn）基巴氏合金對(duì)曲軸頸、連桿大頭孔進(jìn)行了激光再制造修復(fù)，修復(fù)件運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)完全滿足運(yùn)行要求。

圖8 汽輪機(jī)末級(jí)葉片

在礦采機(jī)械維修領(lǐng)域，作為綜采裝備關(guān)鍵零部件之一，礦用圓環(huán)鏈輪（基材34CrNiMo6合金鋼）在工作過(guò)程中承受脈動(dòng)、沖擊等載荷作用，極易發(fā)生鏈窩磨損失效。郭辰光等[15]基于激光增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了磨損失效鏈輪的激光再制造，沉積層與基體冶金結(jié)合良好，表面無(wú)裂紋及氣孔缺陷，滿足工況性能要求[15]。

在電力領(lǐng)域，某企業(yè)進(jìn)口型6B燃機(jī)組設(shè)備老舊，原燃機(jī)轉(zhuǎn)子軸（NiCrMo-V/CrMo-V合金鋼）軸頸嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致燃機(jī)振動(dòng)高而跳機(jī)。姚楚渠等[16]采用激光熔覆再制造技術(shù)和鎳基合金粉體材料，在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)對(duì)軸頸進(jìn)行了修復(fù)，修復(fù)后機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行效果良好。黃弋力等[17]采用激光熔敷Stellite 6 合金粉末方法，再制造修復(fù)了核電站汽輪機(jī)用2Cr13不銹鋼葉片，該葉片在服役過(guò)程中易出現(xiàn)水蝕而導(dǎo)致葉片尖端減薄等局部損傷。如圖8所示，再制造修復(fù)葉片的激光熔覆層厚度達(dá)2 mm，未出現(xiàn)裂紋、夾雜、未熔合等缺陷。

航空維修領(lǐng)域，飛機(jī)起落架半軸（30CrMnSiNi2A合金鋼）是飛機(jī)主起落架連接機(jī)輪和起落架活塞桿的關(guān)鍵承力件。孫兵兵等[18]采用激光熔覆技術(shù)對(duì)半軸損傷區(qū)域進(jìn)行了激光再制造修復(fù)，并通過(guò)噴丸強(qiáng)化形成表面壓應(yīng)力層。再制造半軸的熔覆層組織均勻，無(wú)氣孔、夾渣、裂紋和未熔合等缺陷；維修后區(qū)域的室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到了母材的92.0%，沖擊性能超過(guò)了母材，激光熔覆層與半軸合金鋼耐磨性能相當(dāng)，滿足了半軸的維修要求。

在模具修復(fù)領(lǐng)域，模具在工作過(guò)程中工況復(fù)雜，表面長(zhǎng)時(shí)間處于高溫、高壓磨損狀態(tài)下，高硬模具表面易出現(xiàn)磨粒磨損和微小裂紋等缺陷，高頻率的生產(chǎn)中極易發(fā)生模具突然斷裂的現(xiàn)象。霍立軍等[19]激光增材再制造修復(fù)了沖裁模具（9CrSi模具鋼），修復(fù)后模具表面硬度和耐磨性優(yōu)于基體材料，滿足沖裁模具服役工況。

2.2 鈦合金零部件

鈦合金具有比強(qiáng)度強(qiáng)、耐高溫、無(wú)磁性、抗腐蝕、無(wú)毒和生物相容性好等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其在航空航天、化工、能源、生物醫(yī)學(xué)和海洋工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但相對(duì)鋼鐵材料而言，鈦合金材料及其構(gòu)件制造加工困難、成本高，主要應(yīng)用于具有特殊性能要求的高附加值零部件，因此鈦合金零部件的激光再制造需求更加迫切、經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。同時(shí)，鈦合金本身具有性質(zhì)活潑、導(dǎo)熱系數(shù)小、激光吸收率大、凝固相結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。這些特性給鈦合金零部件激光再制造提供驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)，也帶來(lái)了技術(shù)挑戰(zhàn)，使得鈦合金零部件激光再制造成為近年來(lái)激光加工技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

近年來(lái)，在鈦合金零部件的再制造全流程技術(shù)鏈條中，激光清洗、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光熔覆、激光直接能量沉積等不同的激光技術(shù)工藝均有大量研究和成功應(yīng)用。但人們關(guān)注焦點(diǎn)仍然是表面損傷或局部缺損的鈦合金零部件的激光再制造形狀恢復(fù)和材料性能提升，典型零部件對(duì)象有航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、反應(yīng)釜、蒸餾塔、熱交換器、醫(yī)療骨植入體等。在鈦合金激光焊接、激光熔覆、激光直接沉積增材成形等需要經(jīng)歷“熔化-凝固”歷程的激光再制造技術(shù)研究和應(yīng)用中，其研究重點(diǎn)在于激光再制造鈦合金件的形狀和性能控制，主要圍繞氣孔和夾雜缺陷、應(yīng)力變形、材料組織成分和性能等方面。

TC4鈦合金（Ti6Al4V）因擁有高斷裂韌性、低密度、高強(qiáng)度、優(yōu)良的耐腐蝕性能和優(yōu)越的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣、市場(chǎng)保有量最大的鈦合金。國(guó)內(nèi)外對(duì)TC4鈦合金零部件的激光再制造技術(shù)開(kāi)展了系統(tǒng)研究，其技術(shù)應(yīng)用已較成熟。國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、沈陽(yáng)航空大學(xué)等高等院校以及航天科工集團(tuán)公司和航空工業(yè)集團(tuán)公司等重點(diǎn)企業(yè)均深入研究和成功應(yīng)用了鈦合金零件的激光再制造技術(shù)[20]，成功實(shí)現(xiàn)了多種鈦合金零部件的再制造延壽，創(chuàng)造了顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。例如，徐翔宇等[21]基于激光熔覆技術(shù)在TC4鈦合金葉片表面上使用TC4粉末進(jìn)行激光增材修復(fù)，研究了TC4鈦合金激光熔覆區(qū)和過(guò)渡區(qū)的微觀組織、拉伸力學(xué)性能和沖擊韌性，發(fā)現(xiàn)修復(fù)后葉片組織均勻，力學(xué)性能達(dá)到航空鈦合金使用標(biāo)準(zhǔn)。TC6鈦合金廣泛用于制造航空器重要承力構(gòu)件，范朝等[22]針對(duì)TC6鈦合金件再制造修復(fù)，研究了在TC6鈦合金件局部損傷部位激光直接能量沉積TA15鈦合金層的激光再制造技術(shù)方法，結(jié)果表明再制造修復(fù)件成形良好、界面結(jié)合處無(wú)裂紋無(wú)氣孔。TA19鈦合金用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片，葉片在服役過(guò)程中遭受高溫高速氣流沖蝕及可能的外物撞擊，出現(xiàn)點(diǎn)坑、裂紋、葉片掉角、卷邊甚至斷裂等局部損傷，阮雪茜等[23]選用TA19鈦合金粉末作為修復(fù)材料，采用激光直接能量沉積技術(shù)對(duì)TA19鈦合金葉片進(jìn)行激光增材再制造，再制造修復(fù)后葉片的室溫拉伸性能、高周疲勞性能均與同批次鍛件水平相當(dāng)，且再制造葉片變形量滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 鎳基合金零部件

鎳基合金是指載650～1 000 ℃高溫下具有較高強(qiáng)度與一定抗氧化腐蝕能力等綜合性能的一類合金。鎳基合金常作為高溫合金用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件（如葉片和葉盤(pán)）等航空航天零部件，但由于服役環(huán)境極為苛刻，常誘發(fā)多重失效。鎳基合金零部件激光再制造技術(shù)研究已有20余年歷史，典型對(duì)象有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃燒室等高溫部件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件等。

GH738合金用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)、封嚴(yán)圈等零部件，零部件在惡劣服役環(huán)境下易出現(xiàn)表面磨損、裂紋等損傷。卞宏友等[24]采用GH536合金粉末對(duì)GH738合金損傷試樣進(jìn)行激光沉積修復(fù)，激光沉積修復(fù)件室溫抗拉強(qiáng)度為GH738鍛件的66.5% 。

GH4169合金是一種時(shí)效沉積強(qiáng)化的鎳基高溫合金，在650℃以下具有良好的強(qiáng)度和塑性，被用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、渦輪盤(pán)、壓氣機(jī)靜子內(nèi)環(huán)等零部件。王輝明等[25]采用激光熔覆修復(fù)技術(shù)修復(fù)了損傷失效的GH4169合金壓氣機(jī)靜子內(nèi)環(huán)。熔覆層和基體材料形成了良好的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，熔覆區(qū)微觀組織優(yōu)良，顯微組織細(xì)小均勻，具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，激光熔覆修復(fù)層室溫拉伸和高溫拉伸性能達(dá)到了鍛件標(biāo)準(zhǔn)的90%。壓氣機(jī)靜子內(nèi)環(huán)激光熔覆修復(fù)區(qū)域經(jīng)機(jī)械加工后，外形尺寸符合圖紙要求，熒光檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，激光熔覆修復(fù)結(jié)果理想。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片在運(yùn)行后葉冠磨損，葉片材料為鎳基鑄造高溫合金K403，針對(duì)渦輪葉片采用氬弧焊堆焊阻尼葉冠時(shí)存在焊后變形大、易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋的問(wèn)題，孫紅梅[26]采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行了實(shí)際修復(fù)，攻克了葉片修復(fù)后變形大、易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋等難題，實(shí)現(xiàn)了葉片阻尼葉冠的修復(fù)，修復(fù)后的葉片符合相關(guān)技術(shù)要求。K418鎳基高溫合金以其良好的高溫強(qiáng)度與抗熱蝕性能，被廣泛應(yīng)用于渦輪葉片、汽輪機(jī)導(dǎo)向葉片等熱端部件。由于在極端工作條件下的高溫腐蝕、沖刷磨損等，K418合金零部件易出現(xiàn)局部裂紋或損壞失效。林鑫等[27]采用激光立體成形技術(shù)對(duì)K418合金葉片進(jìn)行了再制造成形修復(fù)。

為獲得良好的蠕變抗性，鎳基高溫合金中普遍存在40%～80%含量的γ′-Ni3(Al，Ti)金屬間化合物，導(dǎo)致高溫合金的可焊性較差[28]。因此，在高溫合金激光再制造修復(fù)中，裂紋控制至關(guān)重要。常見(jiàn)裂紋有凝固裂紋和熱裂紋，凝固裂紋在凝固最后階段產(chǎn)生，保留在熔覆層頂部，而熱裂紋在熱影響區(qū)形成并保留下來(lái)，對(duì)于合金的危害更大。Li 等[29]采用超聲微鍛造處理GH3039激光熔覆層，由于在凝固過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)引起柱狀晶破裂，細(xì)化了熔覆層晶粒，且減少了裂紋率，提升了熔覆層的力學(xué)性能。Cheng等[30]采用電磁攪拌輔助激光熔覆方法對(duì)Inconel718合金件進(jìn)行再制造修復(fù)，電磁攪拌作用影響激光熔池熔體流動(dòng)，在一定程度上抑制合金中Laves相的形成，改善了修復(fù)合金層拉伸性能。

2.4 鋁合金零部件

鋁合金是應(yīng)用最為廣泛的輕合金金屬。鋁合金零部件具有結(jié)構(gòu)輕、比強(qiáng)度較好等特點(diǎn)，被廣泛用于飛機(jī)、火箭、汽車、高速列車、儀器儀表等各行業(yè)裝備設(shè)施，達(dá)到減重和承載等目的。無(wú)論是鑄造鋁合金，還是變形鋁合金，鋁合金零部件的激光再制造均有巨大市場(chǎng)需求。但鋁合金導(dǎo)熱性好、熔點(diǎn)低、易氧化、對(duì)激光吸收率低，鋁合金零部件的激光熔覆、激光焊接等激光再制造技術(shù)面臨易形成氣孔和夾雜、熱影響區(qū)軟化等技術(shù)難題。我國(guó)開(kāi)展鋁合金零部件的激光修復(fù)與再制造延壽技術(shù)研究已有30余年歷史，掌握了鋁合金件激光再制造的缺陷、應(yīng)力和性能的控制理論與方法，實(shí)現(xiàn)了多牌號(hào)鋁合金不同結(jié)構(gòu)零部件的激光修復(fù)與再制造。雖然如此，但鋁合金件激光再制造工藝影響因素復(fù)雜、質(zhì)量控制難度大，保持激光再制造鋁合金件質(zhì)量和性能穩(wěn)定性比較困難，因此鋁合金件激光再制造技術(shù)的規(guī)?；I(yè)應(yīng)用較少。

徐濱士和董世運(yùn)團(tuán)隊(duì)采用同步送絲激光熔覆方法再制造修復(fù)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造鋁合金缸蓋，采用“激光清洗+同步送絲激光堆焊”方法修復(fù)了某型飛機(jī)2A12鋁合金蒙皮表面點(diǎn)蝕坑和局部腐蝕區(qū)域，采用激光窄間隙填絲焊技術(shù)再制造修復(fù)了鋁合金缸體裂紋。毛鎮(zhèn)東等[31]采用激光窄間隙焊接技術(shù)對(duì)15 mm 厚的A7N01P-T4 鋁合金高速列車車體MIG焊接頭進(jìn)行激光再制造修復(fù)，鋁合金車體修復(fù)成形質(zhì)量好，解決了焊縫氣孔、液化裂紋和側(cè)壁未熔合等缺陷。呂云卓等[32]基于激光增材制造技術(shù)原理，采用AlSi10Mg鋁合金粉末，激光再制造修復(fù)了裂紋損傷的2A14 鋁合金汽車輪轂（如圖9所示），克服了鋁合金熱裂、氣孔和熔合不充分等技術(shù)難題，鋁合金輪轂修復(fù)區(qū)域填充飽滿，加工處理后修復(fù)區(qū)域表面光滑，且無(wú)明顯的裂紋和氣孔等缺陷，達(dá)到使用要求。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所基于激光熔覆沉積增材原理，再制造修復(fù)了某型飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋁合金薄壁零件，實(shí)現(xiàn)了鋁合金零件的高性能、無(wú)缺陷一體化再制造修復(fù)，修復(fù)后的綜合力學(xué)性能可超過(guò)原件水平。

圖9 鋁合金汽車輪轂

3 激光再制造技術(shù)方法選用原則

激光再制造技術(shù)如何選用一直是裝備管理者和維修人員十分關(guān)心的問(wèn)題。一般而言，針對(duì)某特定零部件的再制造延壽，在設(shè)計(jì)其再制造技術(shù)方案時(shí)，是否選用和如何選用激光再制造技術(shù)，一般需要考慮如下幾方面原則。

（1）工藝適應(yīng)性原則。該原則是指針對(duì)待再制造零部件的材料、結(jié)構(gòu)、損傷特征和再制造技術(shù)要求，從激光再制造技術(shù)方法、材料、激光設(shè)備和工藝等多方面，綜合評(píng)價(jià)激光再制造技術(shù)方法是否適用于該零部件、是否可以有效實(shí)施。

（2）產(chǎn)品性能原則。該原則是指針對(duì)待再制造零部件的服役性能要求，對(duì)比分析和評(píng)價(jià)激光再制造產(chǎn)品性能與其他再制造技術(shù)方法的再制造產(chǎn)品性能，判斷激光再制造技術(shù)是否具有性能優(yōu)勢(shì)。

（3）工藝成本原則。該原則是指根據(jù)待再制造零部件的技術(shù)要求，綜合對(duì)比分析其激光再制造方法和其他再制造技術(shù)方法的再制造全流程成本消耗，評(píng)價(jià)激光再制造技術(shù)是否具有工藝成本優(yōu)勢(shì)。很多情況下，激光再制造技術(shù)的工藝成本高于電弧堆焊、熱噴涂和電鍍電刷鍍等再制造技術(shù)的工藝成本，但是激光再制造產(chǎn)品具有顯著性能優(yōu)勢(shì)，綜合分析而言，激光再制造技術(shù)具有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。在高端裝備或苛刻工況服役零部件的再制造時(shí)，常以性價(jià)比優(yōu)勢(shì)作為選用再制造技術(shù)方法的重要原則。

（4）生產(chǎn)效率原則。該原則是指根據(jù)待再制造零部件的再制造工作量和工期要求，評(píng)判特定激光再制造技術(shù)方法是否滿足要求。

（5）支撐條件原則。該原則是指根據(jù)待再制造零部件的激光再制造施工需求，從設(shè)備條件、人員條件、技術(shù)積累、施工環(huán)境條件、外協(xié)條件等多方面，綜合評(píng)判是否可以采用某再制造技術(shù)方法。

其實(shí)，在各行業(yè)裝備零部件的再制造實(shí)踐中，上述幾方面原則是密不可分的，往往需要綜合分析評(píng)價(jià)后才能給出最佳的再制造方案。

4 激光再制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，激光再制造技術(shù)蓬勃發(fā)展并獲得了廣泛認(rèn)可，但同時(shí)也遇到了多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)或應(yīng)用實(shí)踐難題。其實(shí)，這些挑戰(zhàn)或難題正是激光再制造技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力和機(jī)遇，也是目前和今后一段時(shí)間激光再制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

（1）基于高功率激光應(yīng)用的高效率高質(zhì)量激光再制造。在該方面，國(guó)內(nèi)多家單位開(kāi)展了能場(chǎng)復(fù)合激光再制造技術(shù)、高速（超高速）激光熔覆技術(shù)、多技術(shù)復(fù)合激光再制造技術(shù)、高功率激光焊接技術(shù)等方向的創(chuàng)新研究與應(yīng)用。

（2）基于超快激光應(yīng)用的精密再制造和功能性再制造。隨著皮秒/飛秒激光設(shè)備系統(tǒng)成本降低和超快激光加工技術(shù)發(fā)展，超快激光制造技術(shù)已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)高端裝備零部件對(duì)防污、聲、光、電、磁等特殊功能升級(jí)需求以及高端零部件高性能精密維修需求，超快激光微納增材技術(shù)、超快激光表面織構(gòu)化技術(shù)等在再制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究也逐步興起。

（3）適應(yīng)裝備服役現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)激光再制造技術(shù)。隨著激光器及其成套設(shè)備系統(tǒng)的小型化模塊化發(fā)展和運(yùn)行穩(wěn)定性可靠性提升，適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)線大型裝備零部件和偏遠(yuǎn)野外作業(yè)裝備現(xiàn)場(chǎng)搶修需要的現(xiàn)場(chǎng)激光再制造技術(shù)、適應(yīng)遠(yuǎn)洋艦船維修保障的水下激光再制造技術(shù)等方面的研究得到了我國(guó)政府相關(guān)部門的大力支持和大量資金投入。

（4）適應(yīng)特殊服役環(huán)境下裝備的特殊環(huán)境激光再制造技術(shù)。在該方面，近年來(lái)，太空環(huán)境下激光再制造、輻射污染環(huán)境下激光再制造、低溫環(huán)境下激光再制造等多種不同極端環(huán)境下的激光裝備再制造需求已引起激光技術(shù)應(yīng)用、裝備維修保障、裝備管理與使用等不同領(lǐng)域相關(guān)人員的高度關(guān)注，國(guó)內(nèi)已有多個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展這些方面研究。

（5）基于“智能 + ”的智能激光再制造技術(shù)。在國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和相關(guān)政策推動(dòng)下，適應(yīng)今后智能化制造發(fā)展趨勢(shì)，提高激光再制造成套設(shè)備系統(tǒng)中軟件系統(tǒng)的集成度和自動(dòng)化程度，并充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，創(chuàng)新發(fā)展數(shù)字化、網(wǎng)路化、智能化激光再制造技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

激光再制造技術(shù)作為綠色制造技術(shù)領(lǐng)域的先進(jìn)再制造技術(shù)，符合我國(guó)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量綠色發(fā)展等政策要求。隨著我國(guó)激光器與激光應(yīng)用技術(shù)等多方面自主創(chuàng)新發(fā)展和水平提升，激光再制造技術(shù)體系及各種技術(shù)工藝不斷成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，專業(yè)人才隊(duì)伍不斷壯大，可以說(shuō)我國(guó)激光再制造技術(shù)適逢“天時(shí)、地利、人和”的良好發(fā)展機(jī)遇，具有巨大發(fā)展?jié)摿兔篮们熬啊?/p>