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深度解析 | 激光增材再制造技术及应用

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。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。

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。

二、激光增材再制造技术应用现状

激光增材再制造技术是装备高性能修复先进技术,已经在不同工业领域高端装备高附加值零件维修中获得了重要应用。英国Rolls-Royce公司把激光熔覆技术用于RB211型燃气轮机叶片的修复;美国Optpmec Design公司采用激光熔覆成形技术对T700飞机发动机零件的磨损进行修复;美国Huffman公司也采用激光熔覆成形技术对镍基高温合金及钛合金航空叶片进行了修复;美军已成功研制的“移动零件医院”(简称为MPH系统)利用激光熔覆技术进行金属零件的快速制造和再制造,该系统已经列装美国海军和陆军,并在阿富汗战场发挥了重要作用。目前激,光熔覆技术已在世界各主要工业国家获得了大量的研究和应用。

在我国,激光增材再制造技术也在近十几年取得很大进展,其工程化应用范围也逐步扩大,在航空工业和武器装备维修领域发挥了重要作用。某工厂采用激光增材再制造技术,对航空发动机叶片及飞机其它承力件进行修复再制造。中科院自动化所将增材再制造技术用于航空发动机涡轮导向器及船舶叶片的修复。装备再制造技术国防科技重点实验室是国内再制造领域唯一的国家级重点实验室,在激光增材再制造方面,承担完成了装备预先研究项目、国家自然科学基金项目、国家973项目和企业合作项目等一系列国家、军队和企业科研任务,在激光增材再制造的材料、工艺、性能表征等方面做了深入研究和探索,解决了重载车辆发动机凸轮轴、铸铁缸盖、渗碳齿轮以及高速列车车轴、大型压缩机叶轮和多种轴类件等典型装备零件再制造技术难题,创造了显著经济效益和社会效益。

激光增材再制造技术已经成为高端装备服务领域的重要技术手段。国内已经有激光增材再制造企业近300家,其中沈阳大陆激光技术有限公司是国内最早基于激光熔覆技术开展激光增材再制造服务的高科技公司,已把激光增材再制造技术应用于多个工业领域,成功解决了航空装备、冶金设备、石化设备、能源电力设备和矿采设备等重要零部件的应急抢修和再制造难题,创造了重大的经济效益和社会效益。

目前,浙江工业大学、西北工业大学、华中科技大学、天津工业大学、装甲兵工程学院、广州中科院先进技术研究所、南京先进技术研究院、沈阳大陆激光技术有限公司、辽宁思达思克实业有限公司等科研院所和企业对激光增材再制造技术工艺、装备和材料及应用进行了深入研究和实践,已经形成了高校、科研院所和工厂企业三方竞争而又协作发展的格局,构成了我国激光增材再制造技术研究和应用的主力军。

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