CSIR中央机械所综述丨激光增材再制造所面临的挑战(一)

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1. 引言

制造工具部件包括一系列的价值增值过程，并且需要原材料和导电性等特殊要求，使得这一工业成为原材料和电力世界中的一个主要的消耗。然而，随着时间的流逝，由于摩擦磨损等原因，部件的功能会部分消失，从而造成部件的失效。这一双向的材料流动，即获取-制造-使用-抛弃的线性经济的快速制造模式对环境保护来说是一大威胁，造成环境资源的不断浪费也是一个较大的问题。数据报道显示，这一工业模式为温室气体效应的21-30%负责。这些问题，即环境的恶化和温室效应的威胁，需要发展和促进再制造经济的发展，使得一个终端产品可以有更长的服役寿命，或者让其有更长的服役寿命。在这一经济形势中，经常指循环经济，其重点就是最大限度的发挥资源的效用。线性经济和循环经济的对比见图1所示。

再制造和再循环是促进循环经济的两个主流的技术（见图1b）。然而，再循环只是材料的循环，而再制造是一个价值增值的过程，是通过制造或者修复磨损的区域的功能性而实现的。进一步，再循环是能量强度的问题，会影响环境。另外一方面，从节能和节材的角度来描述的话，可以大大减少对废物和废品的处理。美国国家标准研究所（ANSI）证实再制造为“一种综合的和有活力的工业过程，通过前面所述的销售、租售、使用、磨损或非功能性产品或部件返回到成为像新的或比新品更好的状态”，同时满足质量和性能，通过可控的，可重复的和可持续的工艺过程来实现的。

图1 线性经济（a）和循环经济（b）的对比图

数据报道显示，再制造工业正处于蓬勃发展的阶段。美国的再制造预计从2017年到2025年，复合增长率为6.6%。进一步的，汽车零部件的再制造，在世界范围内预计在2025年将达到30 Billion美元。印度，作为一个新的经济体，同时也重点发展和促进资源的利用，并在2019年将其作为国策。在印度，沃尔沃已经开始了再制造设备的构建，康明斯开始了再制造发动机并在相关部门得到了因应用。

发动机再制造主要包括材料的可控沉积，这些材料包括大多数的金属及其合金，沉积到磨损的工件表面，由此，使用能量源来熔化和沉积原材料。电弧是最常用的作为热源的应用于再制造的一种工艺，但该工艺的问题在于较高的热输入会导致热效应和显微组织的改变，这些改变造成同服役所要求的高性能相违背。同时高的热输入还会造成热影响区的增大。尽管采用电子束和等离子体来进行沉积时，其热输入相对较低，但这两种工艺需要复杂的装置。尤其是在采用电子束进行沉积的时候，还需要有较高的真空环境，从而限制了该技术对较小的部件和复杂形状部件上的应用。此外，还需要额外的时间来抽真空，而这个过程在采用激光作为能量源的时候是不需要的。同电弧相比较，激光再制造使用极端的聚焦的能量来局部的熔化材料，减少了总的热输入。较小的熔池也有利于更好的控制沉积材料的尺寸和显微组织以及相邻的区域。得益于这些优点，大量的研究基于激光再制造而展开。再制造的工艺，包括激光再制造在内，见图2。

图2 不同的激光再制造技术

本文尽最大努力总结激光再制造工艺的现状。同时对存在的挑战也给与了重点介绍。

2. 激光再制造技术

激光再制造通过添加粉末（丝材或者膏状材料）熔化到磨损部件的区域而实现的。激光再制造的工艺过程包括三个不同的阶段，即预加工阶段、沉积过程和后加工处理过程，如图3所示。在预加工过程中，原始磨损的部件从母体中拆解出来，清理从而使其不再受到灰尘、油污、润滑油或者其他脏物质的污染。接下来，对部件的再制造的经济性和技术上的可行性进行评估。预处理过程对再制造来说是一个非常重要的过程，尤其在可达性、制造熔池和获得再制造部件的检验认证上尤其如此。沉积的路径规划的实施主要考虑部件的机加工和目标工件的形状，以及布尔数学体系的加工，如减材加工的实施对修复区域进行数字生成。计算得到的修复体积转换为STL文件，分层后传输给增材再制造设备。

图3 以AM为基础的再制造技术的工艺链

取决于修复体积、内部特征的存在形式以及磨损部件的平坦程度，要么采用激光熔覆（激光能量直接沉积，DED）、要么采用粉末床熔化技术（PBF），可以选择用来沉积。PBF工艺包括两个步骤，首先，粉末均匀的在基材铺展开来或者在前一沉积层上铺展，然而粉末在高能激光束的作用下选择性的熔化，构建成部件的横截面。另外一方面，DED工艺属于一步法工艺，移动的激光束用来在基材上形成熔池，粉末原材料以粉末的形式输送到熔池中，原材料还可以是丝状或者膏状。在使用丝材进行激光沉积时，还包括熔滴的传输，此时材料并不是连续且光滑的，从而造成熔覆层的质量不好。输送角度也是一个比较重要的问题，因为他在送丝时影响着熔覆层的质量。在送粉的时候，粉末的输送可以分为同轴和傍轴两种，均是借助气体来保护熔池以防止氧化，见图４所示。氧化会影响熔覆层的润湿角。建议优先选用同步送粉，这是因为它可以在各种方向上均可以实现较好的沉积。

图4 同轴和傍轴的LMD工艺

图4-1 (a) TC4 粉末和; (b) 304L粉末时采用四个送粉嘴进行实验和模拟的结果

对于凝固，一层凝固材料就形成了，然后继续沉积和堆垛，从而一个３D的部件就形成了。制造的部件从加工床中移除并清理。差的表面质量、内部缺陷和尺寸精度的差异均靠后续的机加工来保证。当前的后续的机加工技术将在随后的章节来讨论。部件机加工后，开始进行检查。然而，涂漆或者额外的其他检查方法以确保部件的性能得到了保证和改善。

此外，为了保证致密度，还需要对工艺参数进行优化以及对制造方位进行选择。粉末的形状、颗粒直径以及纯度均是决定制造部件致密度的关键因素。后处理工艺，如热处理、机加工、热等静压和激光重熔等均可以用来消除内部缺陷以提高材料的致密度。

当同传统工艺相比较的时候，激光再制造可以提供小的热影响区、较好的冶金结合、由于快的冷却速度而形成的优异的显微组织、较少的裂纹、变形和稀释率。同时有可能制造单晶结构和定向凝固的组织。

为了采用增材制造技术来制造悬垂结构，有时非常有必要来通过额外的支撑结构来实现。由于这一支撑结构增加了额外的制造时间和制造成本，同时还降低了表面质量，因此有必要来尽可能的减少或消除支撑结构。采用优化制造方向、拓扑优化等手段来设计和进行工艺优化，可以最大限度的减少支撑结构的存在。以粉末床为例，部件的支撑就是松散的粉末，从而有助于减少支撑结构的应用。而在DED中，多轴的沉积系统可以动态的调整，从而也可以最大限度的减少支撑结构。对再制造而言，由于最初的目前是重构原始的尺寸，所以拓扑优化就不再实用。同时，并不会经常存在比较适合的表面来沉积而支撑起沉积。因此，部件的机加工和制造方位以及多轴沉积系统用来避免需要支撑的系统。实际上，并没有一个单一的激光再制造部件需要支撑系统，这在文献中多有报道。

关于激光再制造工程部件的现有文献中，大多数都是关于DED的，这是因为DED具有前述中所提到的优点，很少有报道是采用PBF工艺来进行再制造的。Optomec公司（美国）向大家展示了利用DED工艺进行不同复杂形状部件的再制造，如转子、压缩机定子和喷嘴，这些部件M1 Abram坦克、齿轮箱和涡轮整体叶盘以及AGT1500涡轮发动机上的部件。他们同时还发展了一种用于修复内部缺陷的深度修理加工头。另外一方面，美国西门子公司采用PBF修炼了烧蚀区，该区域是涡轮叶片和汽轮机叶片尖端的烧蚀。采用激光再制造技术修复不同的部件可以在现有文献中查阅到，每一领域的占比见图5。

图5 激光再制造在不同领域中应用的占比和激光再制造的文献数量

DED还有一个非常重要的能力就是可以通过不同材料的添加而制备出功能梯度材料。例如，硬化材料沉积在部件表面来增强其性质，由此，再制造部件的功能性质就可以超过原材料。

同传统的制造工艺先比较，激光为基础的再制造具有热影响区小、更佳的冶金结合、由于快速凝固冷却而形成的优异的显微组织、较少的裂纹、较小的变形和小的稀释率等优点。同时该技术还可以制备出单晶和定向凝固的组织。

尽管激光再制造具有如上诸多的优点，要使用激光再制造技术来制备出无缺陷的激光沉积层来依然面临着巨大的挑战，最大的阻碍在于如何获得高质量的再制造部件。

3. 激光再制造所面临的挑战

由于激光再制造工艺包括大量的工艺参数和复杂的热循环，甚至是工艺过程中的一个小的变化都会带来熔覆质量、缺陷和精度的变化。而且，单独的缺陷累积会影响到最终的部件。仔细的研究激光沉积工艺过程，可以看到它包括非常复杂的物理过程{见图6-1}。同时还存在一些同系统相关的参数，则这些参数同工艺参数一起使得整个过程变得更为复杂。而且，熔覆尺寸、表面质量（粗糙度）、稀释率、机械性能和显微组织等均会由于一个小小的变化而受到极大的影响。不同的系统参数、粉末性能、基材、粉末的喷射时的物理现象以及沉积层的不同特征见图6。

图6 激光熔覆时熔覆层质量、不同的输入参数和物理现象

图6-1 激光制造时的影响因素图

3.1 尺寸精度和熔覆层的几何形状

层层堆积的制造过程，沉积道的几何形状是决定沉积层质量的一个重要参数。控制沉积层的高度、熔覆层边缘处的角度均匀性在整个熔覆边缘处的角度的一致是没有必要的。而且，沉积层的宽度决定着沉积的时间。正确的理解不同工艺参数和沉积道之间的关系有助于获得需要的熔覆道的形状，如高度、宽度和边缘角度等。不同工艺参数以及他们的相互作用对沉积层的几何形状的影响见图7。图 7-1为增材制造时所遇到的缺陷汇总。

图7 不同的工艺参数及其对熔覆形状的影响

部件的尺寸精度用沉积的均匀性和可重复性来表示。由于在激光再制造的过程中，熔覆道的宽度和高度是mm量级的，几乎所有的再制造应用均需要通过多层沉积和多道搭接来形成一定的厚度。在搭接时控制熔覆层的形状是一个巨大的挑战，这是因为先前的熔道的存在会对该物理过程产生影响，见图8（a）。图8（b）显示的为第一个熔道的几何形状和紧随其后的熔道在使用同一套参数加工时明显的差别。再制造部件的尺寸精度同时也会由于沉积过程中的热应力的作用所形成的热应力而施加影响。

图8 (a) 不同质量和热流对搭接道的影响；(b) 在沉积后得到的熔覆道

在熔覆道开始时的过堆积、尖角处以及熔覆道的结束处均是影响尺寸精度的关键点。熔覆层的形状在开始、终止结束以及由于这些变化所造成的影响见图9。热传导比较差的时候，加速延迟、沉积头的减速等均会造成尖角处的过堆积。这是因为激光头或沉积面具有一定的质量和惯性，从而造成它需要一定的时间进行加速或减速，而抓取或减速均需要一定的时间。进一步的，基于CNC控制的激光再制造，命令的执行是一步步的完成的。经常在开始的阶段，激光头和粉末先打开，沉积头的运动紧随其后。相似地，沉积头的结束阶段，沉积头先停止，然后是激光头和粉末开始关闭。这就导致了熔覆层在开始和结束时形状的不准确性。

图9 激光沉积的开始和停止时的缺陷: (a) 过沉积Over-building, and (b) 在闭合的熔覆道上开始和结束时的不匹配的熔覆道的横截面

稀释率可以通过熔覆层的截面金相来表示。然而，同时也有很多数学公式来进行计算，见图10（a）。沉积层的稀释率是熔覆时的一个非常重要的参数，影响着沉积层的显微组织、沉积层的机械性能等。过度的稀释对熔覆层的形状具有负面的影响，同时对沉积层的质量也有影响。因为此时它具有较大的热影响区和会造成大的变形，甚至是基材中裂纹的产生。然而，一定的稀释率是必须的，且要避免在界面处形成脆性相，否则，沉积层会从基材剥离开来。较为理想的稀释率范围为8-15%。

图10 (a) 定义激光熔覆层的横截面时的形状参数；(b) 基于稀释率的不同的润湿性

在高温条件下沉积时，氧化就会变得至关重要了。它会影响到材料的润湿性且会让熔覆层的润湿性变差和没有充分的稀释。高的激光功率、低的扫描速度、低的送粉速度都会导致在基材上产生较高的热量，增加了熔池的深度，由此增加了稀释率。

3.2 表面粗糙度

基材的表面粗糙度以及由于沉积所造成的粗糙度也会影响到沉积质量。Ibrahim等人的研究表明，单层熔覆FeCrMoCB非晶粉末到不含Ni的不锈钢上的时候，熔覆道的宽度、高度均随着基材表面粗糙度的下降而增加。粉末的颗粒大小也会影响到表面粗糙度。经常来说，熔覆时的表面均不会太光滑。沉积层的表面粗糙度显著的受到粉末质量、扫描速度和搭接率的影响。激光沉积后，如果表面太粗糙就需要进行后续的机加工以获得好的表面质量，表面粗糙时不仅会影响到表面质量，也会影响到气孔的形成。控制搭接率（见图11）是一个比较关键的因素，这是因为多道扫描才能覆盖一个比光斑还大的面积。两道搭接时一般搭接率在29-50%。进一步的，粉末也会影响到沉积层的表面质量，粗颗粒的粉末会造成粗糙的表面。此外，LMD工艺得到的表面是比较差的，在随后的沉积层很有可能形成气孔。表面粗糙度增加有可能造成空隙。相似地，Thijs等人的研究就提到过，长的气孔就是由于表面粗糙度的原因而形成的。

图11 (a) 熔覆道没有搭接的时候； (b)搭接不良的时候； (c) 比较理想的搭接

熔覆层的表面粗糙度极大的受到熔池的扰动的影响，较大的扰动本身有利于粉末的混合，从而导致未熔粉末极少暴漏在表面。部分熔化的粉末也会保留在沉积表面，从而增加了表面粗糙度。非均匀的沉积表面的聚集在连续沉积层中，同时也会造成多层沉积的波荡起伏。不同的粉末输送方式，即同轴额傍轴，也会影响到能量的输送密度，从而造成如图12所述的粉末未熔化的黏附现象。

图12 大量的没有熔化的粉末

沉积层的台阶效应，同样会造成沉积层的表面粗糙度大，它取决于倾斜的角度和沉积层的厚度。

3.3 气孔、裂纹和不理想的显微组织

气孔、不理想的显微组织和热影响区是非常重要的决定沉积层性能的参数。熔覆道的高宽比不适宜时或者润湿性较差时，熔道之间就会形成空穴，而层间的空穴经常发生在相邻的沉积层上，这是因为未熔合造成的，从而形成拉长的气孔。内部搭接形成的气孔可以通过倾斜激光束来减少。然而，这种方式并不是最佳解决方案，倾斜角小于5°可以有助于避免光的反射，尤其是加工高反的材料时。尽管内部搭接气孔也可以通过选择适当的工艺参数来避免。高宽比大于5和搭接率为50%也会形成搭接气孔。层间内部气孔的形成原因可谓模棱两可，而诸如气体捕获、粉末内部的气孔以及高的稀释率都认为是形成层间内部气孔的形成原因。熔池的尺寸也会影响到沉积层初始气孔的形成。熔池宽度上的较高的搭接率也会造成气孔，这是因为层层之间存在未熔合造成的，而且，低的搭接率会造成匙孔气孔。

沉积层的疲劳性能也会严重的受到诸如气孔的影响，这是因为气孔作为裂纹的萌生源而存在。气孔可以通过增加能量密度和使用较细的粉末来降低。然而，高的能量密度会导致在熔池的根部形成匙孔，同时会由于蒸发造成低熔点的元素的贫化。经常需要后续热处理来改善其显微组织，但这一操作会对界面的结合强度产生不利的影响。

沉积层中显微组织的控制是一个非常复杂的问题。组织的形成主要受到热历史的影响，同时对不同的工艺参数都非常敏感。而且，层层堆积的制造模式，在沉积随后的一层的时候，前一沉积层被再次加热，从而使显微组织发生了改变。晶粒尺寸对局部的凝固状态非常敏感，而晶粒的生长方向则主要取决于晶粒在基材中的方向。沉积层中显微组织的晶粒是不同的，并且是随机的，这主要是因为他们主要受到两个因素的控制，即热历史和基材显微组织中晶粒的方位。这将反过来影响到沉积层的疲劳性能。沉积层中的夹杂物也会影响到显微组织和恶化机械性能。

3.4 残余应力

残余应力主要取决于加热、冷却和热物理性质、扫描策略。加工参数等，残余应力会造成沉积层的变形。残余应力要么是拉应力，要么是压应力。Shrivastavs等人利用热机械有限元模拟来评估Ni-5Mo-5Al沉积层中的残余应力。得到残余应力基本上是拉应力。拉应力状态的残余应力对制造部件的疲劳性能是有害的，然而，压应力状态的残余应力可以提高部件的服役能力。

残余应力会导致在沉积层中形成微裂纹，在长度方向上存在的裂纹（平行于表面）会导致沉积层的碎裂，而微小裂纹垂直于表面，并且分割开的裂纹会在热循环时提供应变。Saboori等人使用两种不同的扫描策略（0-90°和0-67°）来制造316L不锈钢立方体，在立方体的顶部，在两种情形下得到的残余应力相似。然而，考虑到侧边，可以得出0-67°的扫描策略得到的参与用力较低。

4. 面临的挑战

如下的章节将探讨激光沉积再制造过程中所遇到的问题。

4.1 复合激光增材制造

为了最大限度的发挥多种工艺的优势，激光沉积工艺可以同其他工艺或其他能量源一起。比较典型的，不同的后处理工艺，如机加工、喷丸、热处理、冷/热等静压。搅拌摩擦焊等均可以用来解决诸如形状精度、表面粗糙度、表面裂纹、残余应力、气孔等问题。然而，复杂形状部件的机加工或内部形状的加工是比较困难的，这是因为物理空间的限制、收缩和包裹等。为了解决上述问题，可以引入另外一种工艺来解决，而不是事后解决。目前商业上的激光增材复合制造的一个典型案例就是DMG的增减材复合制造，见图13。

图13 DMG的激光增减材设备

图13-1 各种增减材的组合及其实际例子

4.2 激光重熔

在激光沉积时，沉积层重新使用连续波模式的激光再扫描一遍。重熔不能引起材料的蒸发，只是将材料进行重新分配。激光重熔对减少表面的粗糙度和降低残余应力比较有帮助。同时还可以起到消除沉积层中的气孔、裂纹而提高了材料的致密度，见图14（a、b）。重熔同时还可以起到提高疲劳性能的作用，这是因为重熔减少了表面和次表面的缺陷。在AISI1020不锈钢上沉积IN625时，重熔过的材料的高周疲劳性能提高了几乎3倍。图14（c、d）则为典型的熔覆层的断裂特征，其中一个样品为重熔后的样品。此外，激光重熔还能细化显微组织和提高机械性能的作用。为了提高SLM时材料的致密度和表面质量，可以用表面重熔来提高。采用重熔也可以让表面的台阶效应降低10-15%，同时对倾斜的表面和曲线的表面也有效果。沉积层的表面粗糙度也可以通过重熔来改善，见图15中的示意图所示。再重熔等离子喷涂的时候，也可以起到细化晶粒的作用。

图14 通过重熔消除裂纹: (a) 没有重熔的情况；(b) 对沉积层进行重熔(熔覆层: Ni-5Mo-5Al, 基材: AISI 1020);疲劳后断裂后的界面: (c) 没有重熔的结果；(d) 重熔后的结果 (熔覆材料: Inconel 625, 基材: AISI 1020)

图15 对沉积层重熔后提高了表面粗糙度的示意图

无气孔、致密的沉积层还可以提高层间的结合力，重熔所造成的晶粒细化可以提高显微硬度、摩擦磨损性能等机械性能。因此，重熔对再制造部件的磨损性能是有益的。

为了展示两种不同的扫描策略的影响，用如图16（a、b）中所示的扫描策略来重熔In625。在第一种情形中，重熔同沉积的扫描方向一致，在另外一种情况下，重熔同沉积的扫描方向相垂直。激光功率、扫描间距、扫描速度同沉积时一样。图16（c、d）为重熔后的效果。

同时，证据还表明，重熔时扫描方向垂直于沉积方向时还可以得到相对较好的表面粗糙度。

图16 补救措施: (a) 沿着扫描道次进行重复； (b) 垂直于扫描道次重熔；重熔后的表面：(c) 沿着扫描道次重熔；Along the clad track, and (d)垂直于扫描道次重熔。(基材直径: 28 mm, 基材高度: 10 mm)

未完待续…

原文链接：Addressing the challenges in remanufacturing by laser-based material deposition techniques, Optics & Laser Technology, 144, 107404.

https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107404

来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2023-05-29