激光增材修复技术研究现状及展望.pdf

年 月第 期大型铸锻件 .新技术新材料激光增材修复技术研究现状及展望李青宇 梁景怡 陈珉芮 彭航 张连重 李涤尘 王鑫宇(.中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室四川 成都.中国核动力研究设计院 反应堆燃料及材料重点实验室四川 成都.河南科技大学 机电工程学院河南 洛阳.西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室陕西 西安.西安铂力特增材技术股份有限公司陕西 西安)摘要:在“双碳”背景下激光增材修复技术与绿色制造高度契合可实现受损设备零件的快速修复进一步提升设备的使用寿命、降低设备备品备件的存储量具有重要的环境保护意义 本文介绍了激光增材修复原理及该技术在航空、船舶、工程机械等多个领域的典型应用范例并从修复装备、修复工艺对修复零件微观组织和宏观力学性能的影响方面研究状况进行了深入分析最后讨论了现阶段激光增材修复技术所面临的挑战解决标准体系不完善、设备集成化、智能化程度一般以及材料集约化水平较弱等问题将会是未来该技术发展的主要方向 关键词:激光增材修复应用现状修复装备修复工艺 中图分类号:.文献标志码:.:收稿日期:基金项目:四川省自然科学基金项目()作者简介:李青宇()男博士研究生工程师主要从事为激光增材制造等研究工作通讯作者:彭航()男博士研究生研究员级高级工程师主要从事金属材料工程等研究工作 激光增材修复技术与绿色制造高度契合可实现受损设备零件的快速修复进一步延长设备的使用寿命、及时补损保障运行减少库存、减少额外资源消耗 因此具有重要的环境保护意义 相较于传统电镀修复、喷涂修复和焊接修复激光增材修复技术对于进口采购的、亟需替换的、附加值高的零件可实现高精度快速再制造其修复部分与受损金属零件(基体)部分为良好的冶金结合具有均匀致密的组织以及良好的综合力学性能 本文将从应用领域、修复装备、修复工艺三个方面介绍激光增材修复金属零件的研究现状及进展 激光增材修复原理及领域应用现状.激光增材修复原理激光增材修复技术(也称为增材再制造技术)在激光金属沉积技术上发展而来该技术的原理过程如图 所示 首先对缺损金属零件进行整体三维测量采集缺损零件数据信息建立三维模型并联立原始零件三维模型进行布尔运算获得零件缺损部分的三维数据信息然后通过增材制造切片软件将三维模型转化为二维轮廓几何信息根据几何特征和修复精度要求设定工艺参数并规划扫描路径进一步通过激光金属沉积设备对受损零件进行逐层“冶金凝固成形”再制造 激光增材修复的实际工作场景流程如图 所示 首先进行可修复性评估 如果具有可修复性则对待修复零件进行基体表面去污、修磨处理进一步通过三维测量扫描获取待修复零件的 年第 期大型铸锻件三维模型数据从激光增材修复金属零件数据库(简称为“数据库”)中调取该零件的存储数据(原始三维模型数据、修复材料种类匹配数据和工艺窗口数据等)对零件原始三维模型数据与待修复零件三维模型数据进行布尔运算得到缺损部位三维模型数据进一步对缺损零件三维模型坐标系与机器坐标系进行转化保证匹配性并根据以上数据控制激光熔覆头移动进行同轴送粉激光增材修复最后进行后处理并快速检验修复零件性能和精度是否达到应用指标要求 若评估不具备可修复性则从数据库里快速调用原始零件三维模型数模采用激光金属沉积工艺快速制造零件并进行后处理及性能试验图 激光增材修复原理图 图 激光增材修复流程图 .激光增材修复应用现状 激光增材修复技术目前在航空、船舶、工程机械等多个领域都实现了典型应用示范 在航空领域 实验室、瑞士洛桑理工学院以及 研究所等机构完成了定向晶、单晶叶片的激光增材修复原理试验并对修复工艺窗口进行了初步探索研究 皇家墨尔本理工大学 教授团队、澳大利亚 和创新型制造合作研究所()合作开展了航空航天零件增材制造修复研究证明了该技术可应用于“大黄蜂”以及新型第五代“闪电”战斗机 通过现场激光增材维修零件可大幅缩减维修停机时间、降低备件仓储和运输成本对于优化行业备品备件储运模式具有重要示范效应 美国 公司采用激光增材修复技术完成了 战斗机中机翼梁的检修将检修周期缩短至周 同时该公司还与通用电气、劳斯莱斯等公司合作利用该技术成功实现了对 战斗机发动机风机保护罩的再制造修复 美国 公司采用激光增材修复技术对 舰载机发动机叶片和涡轮整体叶盘进行了快速修复修复后的整体叶盘综合性能符合修理标准要求 而在国内秦仁耀等和杨光等通过激光增材修复技术分别完成了固定发动机用的端轴颈损伤区域和飞机垂尾梁的修复通过对修复后试验件进行测试各项性能满足修复要求 在船舶领域由于海洋高湿度、高盐度的环境对金属具有强烈的腐蚀性 公司在美国主要提供基于激光增材修复技术的涡轮发动机修复服务负责修复 发动机(该燃气涡轮发动机是濒海战斗舰推进系统的组成部分)旨在确保船舶推进系统的安全可靠运行闫灿斌等针对船舶主轴铜套的损坏处开展了激光增材修复研究突破了铜基合金熔覆能量控制、大型薄壁件变形及热影响区控制等关键技术解决了铜合金修复过程的激光反射率高关键问题不仅实现了铜套修复而且一定程度上还对铜套性能有提升作用 中国舰船研究设计中心的罗恒等提出了一种面向船用维修保障增材装备设计方案有助于实现远航条件下零部件的临场维修与及时更换()链轮修复前()链轮修复后图 链轮修复前、后外观图 李青宇:激光增材修复技术研究现状及展望 年第 期 在工程机械领域神华神东煤炭集团设备管理中心项目部引入激光增材修复技术对磨损相对严重的链轮进行修复如图 所示 与采购新链轮进行更换相比该技术节约了 的采购资金并且修复后的链轮性能略高于新件水平 郭辰光等借助激光增材修复技术对矿用链轮磨损域修复工艺进行研究再制造链轮修复域硬度值达到 修复域无裂纹、气孔缺陷熔覆层与基体呈现出良好的冶金结合性能 激光增材修复装备现状 在激光增材修复装备领域美国、德国、日本和法国等发达国家开发出了一系列激光增材修复装备 其中美国国防部主导开发了一项高柔性临场零件制造系统称为“移动零件医院”该系统配备了五轴车铣床用于对成形后的零件进行机械加工解决了修复部件“控形”与“控性”的矛盾 等研制出一套用于高性能激光熔覆的先进工艺系统采用功率为 的光纤耦合二极管激光器和自主研制的激光加工头沉积效率可达到 系统集成了过程传感器可确保高功率水平下长期稳定运行对于海上设备的液压缸及发电厂组件等较大部件的临场修复具有一定的优势 等开发了一种用于老化核设备修复的便携式激光加工系统如图 所示将激光加工头、复合型光纤()、准连续波()光纤激光器和光束耦合元件等组件安装在移动式机架上该系统可用于狭窄空间的零件修复目前已成功地完成了 英寸管内壁 的凹坑修复 法国 公司研制出了 修复设备该设备具备五轴增减材功能主要用于大型金属零件的修复工作拥有 的幅面成形尺寸配备净化系统的可控气氛、沉积头和 激光器(沉积精度.沉积效率)同时也可选择 沉积头和 激光器(沉积精度.沉积效率 )()修复系统()修复零件图 便携式激光增材修复图片 国内也有诸多单位开展了激光增材修复专用设备的研制 其中西安交通大学、华中科技大学以及空军装备部武汉汽车修理厂合作研制出了战场环境下的 打印维修保障系统如图 所示 该系统集成了扫描、反求、修复和打印等功能能够在战场环境下快速打印或修复受损零件北京大学研制了移动式高功率激光再制造系统该系统基于高功率激光熔覆和柔性磨削加工技术集成了先进的高能束技术、材料成型技术、无损检测技术和数控磨削技术 该系统采用体积小、重量轻的半导体激光器和非固定安装的工业机器人可方便地实现激光熔覆系统的现场移动 通过更换不同规格磨削加工设备可以实现对不同工件的精密机械加工 天津工业大学研发了一种复合工业应用的集成化大功率柔性再制造系统如图 所示 该系统主要由运动执行系统(自由度机器人与 自由度工作台)、能量供给系统(高功率激光器与光纤耦合传输)、送粉系统(送粉器与同轴送粉工作头)、温度检测视觉系统(相机与窄带滤光片)和激光再制造工作站(机器人控制器与移动计算机)组成该系统主要适用于大型工件的修复工作 中国科学院宁波材料技术与工程研究所则推出了激光裂纹修复系统该系统包含脉冲激光器和连续激光器脉冲激光器可对待修复零件进行减材处理即实现修复前的清洗工作及修复后的精修工作连续脉冲激光可对待修复零件进行增材处理即实现待修复部分的增材修复工作该系统主要适用于航空发动机、飞机起落架、燃气轮机、舰船零部件的修复工作图 战场环境 打印维修保障系统 ()系统整体外观图()现场修复工作图图 基于机器人的柔性激光再制造系统 年第 期大型铸锻件表 激光增材修复装备对比表 名称研发单位运行系统特点应用范围 打印维修保障系统西安交通大学等三轴悬臂式运动平台现场扫描反求打印一体化修复野外、战场维修高功率激光再制造系统北京大学工业机器人实时移动维修大零件野外维修集成式高功率柔性再制造系统天津理工大学 自由度机器人温度检测视觉系统大型工件修理激光裂纹修复系统宁波材料技术与工程学院 轴机器人增减材复合成形航空发动机、起落架等 对国内自主研制的激光增材修复装备进行对比结果如表 所示 目前主要还存在以下问题:对于适用于野外现场修复装备及技术国内尚处于起步阶段与国外的相关装备研制水平还存在很大的差距执行系统大多为机器人系统的携行性差不能适应现场的多变性每一台装备都有与其相匹配的工艺窗口因此大都处于实验研究阶段设备的功能不全且集成性差从修复零件前处理到模型建立到增材修复再到后期处理需要尽快完成多功能集成装备研制激光增材修复装备还未实现闭环控制相关检测设备的还有待增加 激光增材修复工艺及性能现状 激光增材修复工艺研究主要是通过优化工艺参数的方法使修复零件的组织和性能满足目标要求激光增材修复工艺窗口主要包括激光功率、扫描速度、送粉率、扫描路径等工艺窗口的变化会对修复零件的组织和性能产生直接影响 在组织形态方面 等通过激光增材修复工艺使用钴基合金对 工具钢进行了修复基体与修复区结合部分主要是柱状晶结构修复区主要是树枝晶结构和枝晶间共晶 中国科学院沈阳自动化研究所针对铝合金薄壁零件在激光增材修复过程中出现的成形区产生融塌、层间条状缺陷、内部组织不致密等问题提出了调节激光能量、高效输送粉末、实时控制熔池温度、调控组织缺陷及零件性能等方法解决了铝合金结构件无缺陷一体化原位修复的难题 齐宝路等在 定向凝固基板上进行同种材料的定向激光增材修复并对热处理前后的显微组织进行了观察分析 沉积态的 为典型的柱状晶组织一次枝晶间距约为 热处理后晶粒尺寸约为 有 强化相和碳化物析出 李尧等通过研究感应加热条件下激光增材修复高温合金 的组织和显微硬度分布规律揭示了感应加热对高温合金修复层附近组织与性能的调控机制 徐子法等对 镍基合金板材进行同材料激光增材修复试验研究了激光功率、扫描速度、离焦量等工艺窗口对修复区显微组织的影响规律通过优化工艺窗口实现了镍基高温合金无冶金缺陷修复 在力学性能方面 等在 工具钢修复研究中发现与基材力学性能进行对比修复后零件的极限拉伸强度和硬度均得到提升延展性降低 等研究了同材料激光增材修复 过程中工艺窗口(基体厚度、扫描速度、基体预热温度、扫描路径、分层层数)对显微组织和机械性能的影响热影响区深度主要取决于基体厚度(.厚基体 .厚基体 )修复件的密度受分层层数和基体预热温度的影响分层层数越多密度越大基体预热温度越大密度越小 并且随着基体厚度的增加硬度越大 杨光等分析研究了不同激光扫描路径(短边往复扫描、长边往复扫描、层间交错扫描)对修复件残余应力与变形的影响三种扫描路径下基体和修复区均是两端残余应力值较大中间低采用层间交错扫描路径时修复区残余应力值最小表面质量最优 在激光增材修复设备确定的条件下工艺窗口的优化成为了提高修复零件质量的主要措施如何提高修复零件的质量对于激光增材修复工艺的推广与发展起着至关重要的影响 不同的设备不同的待修复零件对应不同的工艺窗口对工艺窗口的持续优化是激光增材修复技术的重点工作之一 激光增材修复面临的挑战 目前激光增材修复技术在诸多工业领域已经取得了突破性进展但距离大规模应用仍然面临诸多挑战 ()激光增材修复标准体系不完善 当前激光增材修复面临越来越广泛的应用场景对于修复后零件的性能评价标准则仍处于研究编制阶段 尽管修复后的零件常规短时性能能够达到原零件性能水平但对于疲劳、长时持久和蠕变性能的评价仍然需要进行试验评价标准体系不完善将阻碍激光增材修复技术在工业中工程化应用李青宇:激光增材修复技术研究现状及展望 年第 期 ()激光增材修复设备集成化、智能化程度一般 激光增材修复金属零件的多功能集成化、智能化设备目前仍处于研究阶段并且设备的不稳定性会对工业化生产带来一定的隐患 提升设备集成化、智能化程度将前中后期工艺流程集中批量处理能够极大地缩减设备占用面积提升修复效率缩短零件修复时间 ()激光增材修复材料集约化水平较弱 由于待修复零件的材料种类各异需要根据具体情况采用不同工艺窗口进行修复 因此寻找一种性能良好的材料可适应多种待修复零件提高材料集约化水平便于粉末存储管理、大幅降低修复成本、提升设备特殊场景的保障能力 结束语 激光增材修复技术是一种综合了三维反求技术、数控技术、激光金属沉积技术和材料科学的先进修复技术 目前在航空、船舶、工程机械等多个领域都实现了典型应用示范且诸多发达国家都针对修复设备开展了大规模研制 然而 目前仍面临着标准体系不完善、设备集成化、智能化程度一般以及材料集约化水平较弱等问题距离大规模应用仍然面临诸多挑战 伴随着相关问题的解决以及科学技术的不断突破激光增材修复技术将为绿色制造带来一场革命参考文献 温家浩 丁永春 赵智垒.增材修复技术应用现状及展望.应用激光 ():.郭洋 张建勋 熊建坤 等.铸造镍基高温合金增材修复技术的研究现状.稀有金属材料与工程 ():.张安峰 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