王楊霄，孫文磊，劉金朵，黃海博

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047)

0 引言

增材再制造技術(shù)作為一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，主要對(duì)失效零件以及誤加工的零件進(jìn)行幾何形狀和力學(xué)性能的恢復(fù)或提高．現(xiàn)在眾多的工業(yè)及國(guó)防重大裝備的生產(chǎn)工藝復(fù)雜且生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，在服役過程中，部分零部件出現(xiàn)磨損、腐蝕等缺陷而引起零件失效，將有可能導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)．因而對(duì)這些高附加值的失效零件進(jìn)行修復(fù)再制造將會(huì)大大提高設(shè)備的服役周期，并在節(jié)約成本的同時(shí)提高設(shè)備的工作效率．而對(duì)于生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的誤加工零件，采用增材再制造技術(shù)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，在提高零件合格率的同時(shí)能夠顯著降低生產(chǎn)成本．

應(yīng)用增材再制造技術(shù)進(jìn)行零件修復(fù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1-4]，Rolls-Royce公司對(duì)RB211型燃?xì)廨啓C(jī)葉片的激光熔覆修復(fù)工藝進(jìn)行了研究，并成功實(shí)現(xiàn)了葉片的修復(fù)；Optpmec Design公司對(duì)T700飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件磨損的激光熔覆修復(fù)工藝進(jìn)行了研究，并成功對(duì)零件的磨損進(jìn)行了修復(fù)；對(duì)于研制的“移動(dòng)零件醫(yī)院”實(shí)現(xiàn)了金屬零部件的快速加工和再制造[2]．天津工業(yè)大學(xué)[3]首次完成了芯棒表面耐高溫合金層的增材制備；封慧等[4]推導(dǎo)得出了激光束對(duì)曲軸軸頸進(jìn)行熔覆的運(yùn)動(dòng)軌跡和相對(duì)速度，繼而在45鋼曲軸頸部位進(jìn)行熔覆實(shí)驗(yàn)，得到的熔覆層組織均勻，無明顯缺陷．

增材再制造技術(shù)是通過高能密度的能量束，將添加在基材表面的熔覆材料與基體表面薄層熔凝在一起，形成冶金結(jié)合．增材再制造和增材制造技術(shù)相近，都是逐層堆積的過程，但增材再制造技術(shù)是在破損零件的基礎(chǔ)上進(jìn)行離散堆積，是通過損傷的零部件獲得破損件模型，通過逆向工程或者與原件對(duì)比得到破損區(qū)域模型，然后進(jìn)行分層處理、路徑規(guī)劃，最后進(jìn)行逐層堆積，由點(diǎn)連成一維的線，然后由一維的線生成二維的面，最后由二維的面堆積形成三維的體，達(dá)到零件修復(fù)的目的．

1 增材再制造技術(shù)面臨的問題

增材再制造技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于車輛、艦船、能源化工、重載機(jī)械等領(lǐng)域，但是該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著挑戰(zhàn)．

1.1 殘余應(yīng)力難以消除

殘余應(yīng)力是增材制造中的“第一瓶頸難題”，在增材再制造中同樣存在這一難題．在激光熔覆過程中，激光光斑照射區(qū)域以極高的速度被加熱，使得材料溫度快速升高并熔化，成形區(qū)的金屬材料會(huì)因?yàn)榫植渴軣嵩斐审w積膨脹，膨脹的成型區(qū)遇到周邊較冷區(qū)域便會(huì)產(chǎn)生彈性熱應(yīng)力，當(dāng)局部快速加熱導(dǎo)致的熱應(yīng)力值超過基體的屈服極限時(shí)，成形區(qū)域便會(huì)產(chǎn)生彈性熱壓縮變形[5]；而在成形區(qū)冷卻階段，其相對(duì)于周邊區(qū)域會(huì)出現(xiàn)縮短、變窄，形成塑性熱壓縮變形，并隨著溫度的降低最終演變?yōu)闅埓嬖诹慵械臍堄鄳?yīng)力[6]．殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致零件出現(xiàn)裂紋、變形，并影響零件的耐腐蝕、抗疲勞等性能．激光熔覆同激光3D打印不同，激光熔覆的基體材料同再制造材料一般不是同種材料，所以影響殘余應(yīng)力變化的參數(shù)如屈服強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)也有差異，因而容易造成殘余應(yīng)力的積累．在制備過程中通過輔助方法能夠減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生．欽蘭云[7]等在鈦合金激光沉積過程中引入超聲振動(dòng)，測(cè)定表明超聲振動(dòng)能夠打碎初生枝晶，在繼續(xù)結(jié)晶過程中熔體得到補(bǔ)充從而減少了枝晶間的拉應(yīng)力，并得出了隨著掃描速度的提高，殘余應(yīng)力也會(huì)有所下降．LEUDERS等[8]采用激光熔覆制備了Ti-6Al-4V涂層，并分析了熱處理對(duì)涂層表面殘余應(yīng)力的影響：經(jīng)過溫度為800°C，時(shí)間為2 h的表面熱處理后，表面殘余應(yīng)力沿沉積高度從230 Mpa降低到10 Mpa，沿掃描方向從120 Mpa降低為5 Mpa．

1.2 修復(fù)區(qū)性能達(dá)不到服役要求

再制造零件質(zhì)量的一個(gè)重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是零件的性能是否達(dá)到或超過新品[9]．基于激光、電子束、等離子電弧等熱源的增材再制造過程是一個(gè)熱源密度高度集中的過程，成形組織一般為鑄態(tài)組織，而許多零件在經(jīng)過擠壓、鍛造或軋制等加工過程后，其結(jié)晶組織為性能優(yōu)于鑄態(tài)組織的變形組織，因而若采用增材再制造技術(shù)修復(fù)此類零件，性能將達(dá)不到新品水平．激光熔覆技術(shù)對(duì)裂紋及其敏感，裂紋產(chǎn)生的直接原因是內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，根據(jù)產(chǎn)生的位置可以將裂紋分為熔覆層裂紋、界面矩裂紋和搭接裂紋，熔覆層裂紋一般是因?yàn)槿鄹矊觾?nèi)部的應(yīng)力得不到有效的釋放而產(chǎn)生[10]．搭接裂紋主要是由于搭接接頭的不合理選擇而產(chǎn)生．裂紋的產(chǎn)生是多種因素綜合作用的結(jié)果，因而很難將其徹底消除．眾多學(xué)者采用預(yù)熱緩冷、熱處理以及外部輔助的方法在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂紋的控制．李美艷[11]通過探究預(yù)熱對(duì)激光熔覆涂層的影響得出了對(duì)基板的預(yù)熱能夠顯著降低涂層的冷卻速度和殘余應(yīng)力，當(dāng)溫度超過350°C時(shí)能夠有效的抑制涂層中裂紋的產(chǎn)生；余本海和于群[12,13]等通過試驗(yàn)得出了電磁攪拌能夠使熔池溫度分布相對(duì)均勻，同時(shí)細(xì)化晶粒，改善涂層偏析，遏制應(yīng)力集中，從而有效地抑制涂層裂紋的形成．

1.3 增材再制造的智能化、自動(dòng)化程度低

增材制造技術(shù)針對(duì)同種零件可以采用完全相同的制造方法，而增材再制造卻無法實(shí)現(xiàn)這一加工方式[14]．在再制造過程中，待修復(fù)的毛坯種類千差萬別，待修復(fù)部位的損傷方式、位置以及損傷程度各不相同．在修復(fù)過程中，一般是先通過損傷的零部件獲得破損件模型，采用逆向工程方法或者與原件對(duì)比來得到破損區(qū)域模型，然后進(jìn)行分層處理，進(jìn)而得到掃描路徑，最后進(jìn)行逐層掃描，由點(diǎn)連成一維的線，然后由一維的線生成二維的面，最后由面堆積生成三維的體．目前在實(shí)際操作中，針對(duì)復(fù)雜零件的路徑規(guī)劃大部分是通過機(jī)器人仿真方式來完成．對(duì)于特殊的路徑規(guī)劃，甚至還需要人工進(jìn)行再制造操作，因而還無法實(shí)現(xiàn)再制造過程的智能化控制．

2 基于能束的增材再制造技術(shù)

高能束主要包括激光、電子束、離子束，基于高能束的表面熔覆具有高能量密度的特點(diǎn)，可制備高性能的表面合金層，從而進(jìn)一步提高材料表面的硬度和耐磨性[15]．

2.1 激光熔覆技術(shù)

激光增材再制造技術(shù)是利用高能激光束將送入的金屬粉末熔化，熔池快速凝固后形成合金沉積層．同時(shí)根據(jù)零件模型各截面三維分層的數(shù)據(jù)，逐線、逐層堆積材料，直至三維金屬零件或修補(bǔ)零件成形．

基于激光的增材再制造（激光熔覆）技術(shù)是表面工程中的先進(jìn)技術(shù)之一，其工藝過程主要是：首先建立零件的三維幾何模型，然后對(duì)三維CAD模型進(jìn)行切片分層，將三維零件轉(zhuǎn)換為二維平面，再根據(jù)平面輪廓設(shè)計(jì)出盡可能優(yōu)化的熔覆軌跡（激光熔覆成形工藝流程如圖1所示）．高能激光束密度高達(dá)104～106W/cm2，加熱速度快、時(shí)間短，相變的驅(qū)動(dòng)力大，能夠?qū)崿F(xiàn)激光相變硬化；形成的熔池尺寸小，激光作用下的熱影響區(qū)也就較小，基體熱變形不明顯[16]．

國(guó)外的激光熔覆技術(shù)發(fā)展較早，廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、模具等工業(yè)加工領(lǐng)域，菲亞特公司最早實(shí)現(xiàn)了采用激光熔覆技術(shù)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥座的表面處理，大幅度提高了零件表面的耐熱性．20世紀(jì)90年代中期，Sandia實(shí)驗(yàn)室就與United Technologies Pratt&Whitney(UTPW)公司開發(fā)了激光近似制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了成形件相對(duì)于鍛造件的強(qiáng)度和塑性方面的顯著提高[2]．劉干成、黃博[17]等針對(duì)小模數(shù)齒輪齒頂較薄，若采用單道熔覆，在齒輪中部會(huì)因?yàn)槟芰窟^于集中而造成熔覆缺陷的問題，提出了采用雙道激光在小模數(shù)齒輪齒面制備合金涂層的方法，即將原激光束的能量按一定配比分配到兩個(gè)激光束上進(jìn)行加工．解決了齒頂燒蝕以及齒輪中部能量過于集中的問題，涂層的稀釋率得到了顯著降低；任維彬[18]等采用激光熔覆技術(shù)，設(shè)計(jì)并應(yīng)用成形形狀監(jiān)測(cè)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了體積損傷壓縮機(jī)葉片的高精度成形．

在激光熔覆過程中，提高再制造產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素之一是高性能熔覆材料的選取．目前主要圍繞陶瓷粉末、復(fù)合材料粉末、自熔性合金粉末以及高熵合金粉末進(jìn)行研究，在擴(kuò)大激光熔覆應(yīng)用范圍的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)再制造產(chǎn)品性能的提高．李英男[19]等在U71Mn道岔尖軌表面熔覆了Fe-W-Cr鐵基涂層，顯著提高了熔覆層表面硬度和耐磨性．

圖1 激光熔覆技術(shù)Fig 1 Laser cladding technology

2.2 電子束表面熔覆技術(shù)

電子束表面熔覆技術(shù)相對(duì)于激光熔覆技術(shù)，電子束掃描過程的偏轉(zhuǎn)通過電來控制，因而能量分布較為均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)較大面積的掃描；電子束功率最高可達(dá)109W/cm2，并且能量利用率高達(dá)90%以上，熔覆速度極快，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于難熔材料的熔覆，與基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，但是電子束熔覆的熱影響區(qū)相對(duì)較大[20]；由于在真空環(huán)境下工作，有效的避免了雜質(zhì)混入和氧化問題，容易獲得相對(duì)優(yōu)質(zhì)的表面熔覆層，熔覆層的表面處理成本比激光束表面的處理成本要低得多，但是不易實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式現(xiàn)場(chǎng)的增材再制造．目前針對(duì)電子束的表面改性技術(shù)的相關(guān)研究已有報(bào)道．Hamatani[21]等采用電子束對(duì)高速氧燃?xì)鈬娡客繉舆M(jìn)行了表面處理，研究了電子束對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響．Zenker[22]等人針對(duì)鋼表面硬化層進(jìn)行電子束硬化處理，從而提高了涂層組織的均勻性和涂層的抗腐蝕性能．陸斌鋒[23]等分別采用激光和電子束在903鋼表面原位合成了（Cr、Fe）7C3復(fù)合層，并進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明電子束掃描更易制備可控組織梯度的熔覆層，熔覆層的顯微硬度也有一定提高．

2.3 等離子電弧熔覆技術(shù)

等離子電弧熔覆技術(shù)是以等離子電弧作為熱源，能量密度一般為105～106W/cm2，工作過程是以鎢極作為負(fù)極，以焊槍作為正極形成非轉(zhuǎn)移弧回路，電離氬氣分子，在焊槍噴嘴和鎢極間形成引弧，然后以基體作為正極，鎢極作為負(fù)極形成新回路，在高頻高壓激發(fā)下形成主弧[24]．采用逐層疊加原理不斷添加焊絲，實(shí)現(xiàn)成形的目的，等離子電弧熱源的送絲沉積效率要比激光沉積效率高幾十倍，并且材料的利用率高，材料幾乎能做到零浪費(fèi)，并且電弧的設(shè)備成本低．趙繼圓[25]通過電弧熔覆制備了Ti-Si金屬間化合物涂層，研究了隨電流增加，表面層顯微組織類型的變化．UOZATO[26]等研究了鐵基合金材料中加入不同含量的Ni粉對(duì)柴油機(jī)氣缸內(nèi)壁的熔覆層耐磨性能的影響．

3 增材再制造輔助成形技術(shù)

在增材再制造過程中加入超聲振動(dòng)、感應(yīng)加熱、電磁等外場(chǎng)輔助能對(duì)熔覆層的成形過程進(jìn)行干預(yù)，從而影響成形組織、精度等，提高修復(fù)質(zhì)量以及修復(fù)部位的力學(xué)性能．目前基于以上外加能場(chǎng)輔助熔覆的方法已經(jīng)得到了相關(guān)應(yīng)用．

3.1 超聲振動(dòng)輔助成形技術(shù)

在激光熔覆過程中加入超聲振動(dòng)能夠有效提高金屬涂層的力學(xué)性能．其強(qiáng)化作用主要通過超聲空化和聲流效應(yīng)兩方面來實(shí)現(xiàn)[27]．超聲輔助振動(dòng)針對(duì)激光熔覆過程中發(fā)揮的作用主要有以下四方面：減小或消除熔覆層裂紋、均勻熔覆層的化學(xué)組織、除氣和細(xì)化晶粒．對(duì)于Ti6Al4V合金，通過超聲場(chǎng)空化和聲流的作用，除可降低成形件的表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力，還可減少枝晶間的拉應(yīng)力[28]；在制備高熵合金涂層過程中引入超聲振動(dòng)能夠有效的細(xì)化晶粒，并在一定程度上降低殘余應(yīng)力和晶界濕潤(rùn)問題，從而提高涂層的耐腐蝕性能[29]；針對(duì)成形裂紋敏感性較強(qiáng)的鎳基高溫合金，加入超聲輔助振動(dòng)可以打碎熔池內(nèi)部原本方向性較強(qiáng)的柱狀結(jié)晶組織，從而使得熔覆層的裂紋敏感性得到降低[13]．

3.2 輔助感應(yīng)加熱技術(shù)

感應(yīng)加熱作為一種環(huán)保節(jié)能的加熱方式，其實(shí)質(zhì)是電加熱形式．通過設(shè)計(jì)感應(yīng)加熱的線圈形狀和大小以及放置位置來對(duì)金屬零件進(jìn)行局部加熱，能夠有效降低基體與沉積層之間的溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)去應(yīng)力[30]．感應(yīng)加熱能夠有效解決大型零件的熱處理問題，在對(duì)于Ni60A+20%WC復(fù)合粉末的熔覆過程中，隨著感應(yīng)預(yù)熱溫度的增加，能夠允許的最大送分量和最大激光掃描速度都會(huì)增加，即熔覆效率得到提高，同時(shí)通過優(yōu)選工藝參數(shù)可得到無裂紋的碳化鎢金屬陶瓷層[31]．黃永俊[32]等采用激光輔助感應(yīng)加熱技術(shù)制備了鎳基合金熔覆涂層，感應(yīng)能量的加入使得熔池凝固的速度降低，從而材料的組織相對(duì)粗大，熔覆層硬度降低，并且在感應(yīng)能量增加時(shí)，基體溫度也隨之增加，熔覆層的殘余拉應(yīng)力也得到了明顯降低．

3.3 電磁輔助成形技術(shù)

通過合理的施加電磁場(chǎng)能夠觸發(fā)柱狀晶轉(zhuǎn)變，抑制金屬流動(dòng)等[33]．在再制造過程中，按照磁場(chǎng)的作用對(duì)象可以分為三種：對(duì)電弧的形態(tài)控制、對(duì)熔滴過渡控制以及對(duì)熔池的流動(dòng)控制．在電弧作為熱源時(shí)，在外加磁場(chǎng)的作用下，電弧的形態(tài)，電流的密度以及氣動(dòng)壓力、溫度場(chǎng)都會(huì)發(fā)生變化．焊接電弧會(huì)由于外加交變橫向磁場(chǎng)而發(fā)生周期性的擺動(dòng)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度在6 mT至14 mT時(shí)，電弧的周期性偏轉(zhuǎn)將會(huì)對(duì)熔池施加一個(gè)攪拌作用從而細(xì)化晶粒，改善組織性能[34]．

4 展望與總結(jié)

再制造技術(shù)結(jié)合輔助成形技術(shù)能夠細(xì)化組織，減小涂層內(nèi)部缺陷，降低殘余應(yīng)力以及裂紋的產(chǎn)生，從而有效提高再制造區(qū)域的內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能，基于此，增材再制造在零件修復(fù)方面具有巨大的市場(chǎng)前景．綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于增材再制造所做的大量研究，筆者認(rèn)為未來再制造的研究有以下幾個(gè)方面：

（1）多能束能場(chǎng)復(fù)合發(fā)展．單一能束能場(chǎng)在成形過程中有一定的局限性，激光、電子束、等離子電弧等熱源能束與超聲振動(dòng)、電磁等能場(chǎng)相結(jié)合可以細(xì)化晶粒、降低殘余應(yīng)力以及熱變形，減小熔覆層內(nèi)部缺陷，進(jìn)而有效提高零件內(nèi)部的力學(xué)性能，是增材再制造的一個(gè)重要發(fā)展方向．

（2）復(fù)雜零件熔覆路徑和姿態(tài)優(yōu)化．掃描路徑和掃描方式是獲得良好熔覆質(zhì)量的關(guān)鍵因素．通過熔覆路徑、姿態(tài)的優(yōu)化不但可以提高熔覆過程的智能化、自動(dòng)化程度，還可以大大提高熔覆效率，減小熔覆過程所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，從而得到高質(zhì)量的熔覆層．

（3）再制造全過程智能化．《中國(guó)制造2025》提出發(fā)展智能再制造，在再制造過程中實(shí)現(xiàn)智能判斷和智能決策，從而在提高熔覆穩(wěn)定性和靈活性的同時(shí)提高再制造效率，實(shí)現(xiàn)再制造過程智能化．