深度解析：激光增材再制造技术及应用

本文简介激光增材再制造的技术特点，介绍该技术在国防、能源动力、工业装备等领域的应用现状，展示了其应用前景。深入分析了激光增材再制造技术的四个关键问题：残余应力问题、基体热影响区问题、界面匹配性问题、再制造过程智能化及自动化问题。指出这四个问题是制约激光增材再制造技术大规模商业化应用的“瓶颈难题”。

一、引言

激光增材制造技术，又称为激光3D打印技术，是在计算机辅助下，把三维实体模型切片处理为二维层片，二维层片再离散为一维线条，采用激光熔覆技术进行逐点堆积，最终实现三维实体零件成形的激光制造技术（其基本原理和过程如图1所示）。同传统制造技术相比，该技术具有柔性化、易于实现智能化、生产周期短、能生产出很高力学性能的零件等特点，该技术已经在航空、国防、交通、能源、冶金、矿采等领域得到了广泛的应用，并展现出诱人前景。

图1  激光增材制造技术原理

激光增材再制造是以激光熔覆技术为基础，对服役失效零件及误加工零件进行几何形状及力学性能恢复的技术行为。现代工业及国防的许多重大装备生产工艺复杂、工序长、成本高，这些装备在服役的过程中，一些关键零部件往往会由于磨损、腐蚀、疲劳、事故等原因而失效，从而影响设备正常运行使用，如能对这些高附加值零件进行修复再制造，则可以保证设备正常运转、节约成本，创造极大的经济效益。一些零件的加工程序复杂、难度高，容易出现误损伤，许多时候，误加工的零件只能做报废处理，这将造成极大的浪费和损失，对这些误加工的零件进行增材制造修复，可以大大提高零件合格率，缩短生产周期，提高经济效益，挽回损失。激光增材再制造是一种先进的再制造修复手段，该技术热源能量集中，可在对基体性能影响较小的情况下，实现零件的几何形状及力学性能的高质量恢复，采用该技术对服役失效及误加工零部件进行再制造修复，具有很好的现实意义。目前激光增材再制造技术已经在航空发动机、燃气轮机、钢铁冶金、军队伴随保障等领域得到了广泛的应用。

激光增材再制造技术原理与激光3D打印技术相近，但又有其自身的特点。典型的激光增材再制造流程如下：拆解—清洗—分类—检测—判别—再制造修复—（热处理）—后加工—检验。对于拆解清洗后的待再制造件，需要先进行无损检测及寿命评估，然后对于能再制造零件进行再制造修复，接着再进行后热处理及后加工，最后对再制造零件的质量进行检测评价，判定再制造产品是否合格，其中最核心的阶段是修复阶段。同激光3D打印技术相比，激光增材再制造技术还需要关注再制造过程对基体的热损伤、再制造材料同基体的界面、再制造材料同基体的物性匹配等问题，问题更为复杂。对于激光3D打印技术，整个零件都是通过逐点扫描堆积成形的，因此，其制造周期相对较长、成本较高，与此相对，激光增材再制造以失效或者误加工零件为基体，需要恢复的尺寸往往很有限，其制造周期短、成本低，因此，其经济效益和社会效益更加显著。