本文為大家展示激光增材再制造過(guò)程中所面臨的問(wèn)題，并從不同角度對(duì)其進(jìn)行了闡述，還討論了深度學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生等工具的應(yīng)用。

1.引言

制造工具部件包括一系列的價(jià)值增值過(guò)程，并且需要原材料和導(dǎo)電性等特殊要求，使得這一工業(yè)成為原材料和電力世界中的一個(gè)主要的消耗。然而，隨著時(shí)間的流逝，由于摩擦磨損等原因，部件的功能會(huì)部分消失，從而造成部件的失效。這一雙向的材料流動(dòng)，即獲取-制造-使用-拋棄的線性經(jīng)濟(jì)的快速制造模式對(duì)環(huán)境保護(hù)來(lái)說(shuō)是一大威脅，造成環(huán)境資源的不斷浪費(fèi)也是一個(gè)較大的問(wèn)題。數(shù)據(jù)報(bào)道顯示，這一工業(yè)模式為溫室氣體效應(yīng)的21-30%負(fù)責(zé)。這些問(wèn)題，即環(huán)境的惡化和溫室效應(yīng)的威脅，需要發(fā)展和促進(jìn)再制造經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使得一個(gè)終端產(chǎn)品可以有更長(zhǎng)的服役壽命，或者讓其有更長(zhǎng)的服役壽命。在這一經(jīng)濟(jì)形勢(shì)中，經(jīng)常指循環(huán)經(jīng)濟(jì)，其重點(diǎn)就是最大限度的發(fā)揮資源的效用。線性經(jīng)濟(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的對(duì)比見(jiàn)圖1所示。

再制造和再循環(huán)是促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的兩個(gè)主流的技術(shù)（見(jiàn)圖1b）。然而，再循環(huán)只是材料的循環(huán)，而再制造是一個(gè)價(jià)值增值的過(guò)程，是通過(guò)制造或者修復(fù)磨損的區(qū)域的功能性而實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)一步，再循環(huán)是能量強(qiáng)度的問(wèn)題，會(huì)影響環(huán)境。另外一方面，從節(jié)能和節(jié)材的角度來(lái)描述的話，可以大大減少對(duì)廢物和廢品的處理。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所（ANSI）證實(shí)再制造為“一種綜合的和有活力的工業(yè)過(guò)程，通過(guò)前面所述的銷售、租售、使用、磨損或非功能性產(chǎn)品或部件返回到成為像新的或比新品更好的狀態(tài)”，同時(shí)滿足質(zhì)量和性能，通過(guò)可控的，可重復(fù)的和可持續(xù)的工藝過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖1 線性經(jīng)濟(jì)（a）和循環(huán)經(jīng)濟(jì)（b）的對(duì)比圖

數(shù)據(jù)報(bào)道顯示，再制造工業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的階段。美國(guó)的再制造預(yù)計(jì)從2017年到2025年，復(fù)合增長(zhǎng)率為6.6%。進(jìn)一步的，汽車零部件的再制造，在世界范圍內(nèi)預(yù)計(jì)在2025年將達(dá)到30 Billion美元。印度，作為一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)體，同時(shí)也重點(diǎn)發(fā)展和促進(jìn)資源的利用，并在2019年將其作為國(guó)策。在印度，沃爾沃已經(jīng)開(kāi)始了再制造設(shè)備的構(gòu)建，康明斯開(kāi)始了再制造發(fā)動(dòng)機(jī)并在相關(guān)部門得到了因應(yīng)用。

發(fā)動(dòng)機(jī)再制造主要包括材料的可控沉積，這些材料包括大多數(shù)的金屬及其合金，沉積到磨損的工件表面，由此，使用能量源來(lái)熔化和沉積原材料。電弧是最常用的作為熱源的應(yīng)用于再制造的一種工藝，但該工藝的問(wèn)題在于較高的熱輸入會(huì)導(dǎo)致熱效應(yīng)和顯微組織的改變，這些改變?cè)斐赏鬯蟮母咝阅芟噙`背。同時(shí)高的熱輸入還會(huì)造成熱影響區(qū)的增大。盡管采用電子束和等離子體來(lái)進(jìn)行沉積時(shí)，其熱輸入相對(duì)較低，但這兩種工藝需要復(fù)雜的裝置。尤其是在采用電子束進(jìn)行沉積的時(shí)候，還需要有較高的真空環(huán)境，從而限制了該技術(shù)對(duì)較小的部件和復(fù)雜形狀部件上的應(yīng)用。此外，還需要額外的時(shí)間來(lái)抽真空，而這個(gè)過(guò)程在采用激光作為能量源的時(shí)候是不需要的。同電弧相比較，激光再制造使用極端的聚焦的能量來(lái)局部的熔化材料，減少了總的熱輸入。較小的熔池也有利于更好的控制沉積材料的尺寸和顯微組織以及相鄰的區(qū)域。得益于這些優(yōu)點(diǎn)，大量的研究基于激光再制造而展開(kāi)。再制造的工藝，包括激光再制造在內(nèi)，見(jiàn)圖2。

圖2 不同的激光再制造技術(shù)

本文盡最大努力總結(jié)激光再制造工藝的現(xiàn)狀。同時(shí)對(duì)存在的挑戰(zhàn)也給與了重點(diǎn)介紹。

2.激光再制造

激光再制造通過(guò)添加粉末（絲材或者膏狀材料）熔化到磨損部件的區(qū)域而實(shí)現(xiàn)的。激光再制造的工藝過(guò)程包括三個(gè)不同的階段，即預(yù)加工階段、沉積過(guò)程和后加工處理過(guò)程，如圖3所示。在預(yù)加工過(guò)程中，原始磨損的部件從母體中拆解出來(lái)，清理從而使其不再受到灰塵、油污、潤(rùn)滑油或者其他臟物質(zhì)的污染。接下來(lái)，對(duì)部件的再制造的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)上的可行性進(jìn)行評(píng)估。預(yù)處理過(guò)程對(duì)再制造來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的過(guò)程，尤其在可達(dá)性、制造熔池和獲得再制造部件的檢驗(yàn)認(rèn)證上尤其如此。沉積的路徑規(guī)劃的實(shí)施主要考慮部件的機(jī)加工和目標(biāo)工件的形狀，以及布爾數(shù)學(xué)體系的加工，如減材加工的實(shí)施對(duì)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行數(shù)字生成。計(jì)算得到的修復(fù)體積轉(zhuǎn)換為STL文件，分層后傳輸給增材再制造設(shè)備。

圖3 以AM為基礎(chǔ)的再制造技術(shù)的工藝鏈

取決于修復(fù)體積、內(nèi)部特征的存在形式以及磨損部件的平坦程度，要么采用激光熔覆（激光能量直接沉積，DED）、要么采用粉末床熔化技術(shù)（ＰＢＦ），可以選擇用來(lái)沉積。PBF工藝包括兩個(gè)步驟，首先，粉末均勻的在基材鋪展開(kāi)來(lái)或者在前一沉積層上鋪展，然而粉末在高能激光束的作用下選擇性的熔化，構(gòu)建成部件的橫截面。另外一方面，DED工藝屬于一步法工藝，移動(dòng)的激光束用來(lái)在基材上形成熔池，粉末原材料以粉末的形式輸送到熔池中，原材料還可以是絲狀或者膏狀。在使用絲材進(jìn)行激光沉積時(shí)，還包括熔滴的傳輸，此時(shí)材料并不是連續(xù)且光滑的，從而造成熔覆層的質(zhì)量不好。輸送角度也是一個(gè)比較重要的問(wèn)題，因?yàn)樗谒徒z時(shí)影響著熔覆層的質(zhì)量。在送粉的時(shí)候，粉末的輸送可以分為同軸和傍軸兩種，均是借助氣體來(lái)保護(hù)熔池以防止氧化，見(jiàn)圖４所示。氧化會(huì)影響熔覆層的潤(rùn)濕角。建議優(yōu)先選用同步送粉，這是因?yàn)樗梢栽诟鞣N方向上均可以實(shí)現(xiàn)較好的沉積。

圖4 同軸和傍軸的LMD工藝

圖4-1 (a) TC4 粉末和; (b) 304L粉末時(shí)采用四個(gè)送粉嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果

對(duì)于凝固，一層凝固材料就形成了，然后繼續(xù)沉積和堆垛，從而一個(gè)３D的部件就形成了。制造的部件從加工床中移除并清理。差的表面質(zhì)量、內(nèi)部缺陷和尺寸精度的差異均靠后續(xù)的機(jī)加工來(lái)保證。當(dāng)前的后續(xù)的機(jī)加工技術(shù)將在隨后的章節(jié)來(lái)討論。部件機(jī)加工后，開(kāi)始進(jìn)行檢查。然而，涂漆或者額外的其他檢查方法以確保部件的性能得到了保證和改善。

此外，為了保證致密度，還需要對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以及對(duì)制造方位進(jìn)行選擇。粉末的形狀、顆粒直徑以及純度均是決定制造部件致密度的關(guān)鍵因素。后處理工藝，如熱處理、機(jī)加工、熱等靜壓和激光重熔等均可以用來(lái)消除內(nèi)部缺陷以提高材料的致密度。PBF和DED的工藝對(duì)比見(jiàn)表１，僅限于再制造方面的對(duì)比。

當(dāng)同傳統(tǒng)工藝相比較的時(shí)候，激光再制造可以提供小的熱影響區(qū)、較好的冶金結(jié)合、由于快的冷卻速度而形成的優(yōu)異的顯微組織、較少的裂紋、變形和稀釋率。同時(shí)有可能制造單晶結(jié)構(gòu)和定向凝固的組織。

為了采用增材制造技術(shù)來(lái)制造懸垂結(jié)構(gòu)，有時(shí)非常有必要來(lái)通過(guò)額外的支撐結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于這一支撐結(jié)構(gòu)增加了額外的制造時(shí)間和制造成本，同時(shí)還降低了表面質(zhì)量，因此有必要來(lái)盡可能的減少或消除支撐結(jié)構(gòu)。采用優(yōu)化制造方向、拓?fù)鋬?yōu)化等手段來(lái)設(shè)計(jì)和進(jìn)行工藝優(yōu)化，可以最大限度的減少支撐結(jié)構(gòu)的存在。以粉末床為例，部件的支撐就是松散的粉末，從而有助于減少支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。而在DED中，多軸的沉積系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)的調(diào)整，從而也可以最大限度的減少支撐結(jié)構(gòu)。對(duì)再制造而言，由于最初的目前是重構(gòu)原始的尺寸，所以拓?fù)鋬?yōu)化就不再實(shí)用。同時(shí)，并不會(huì)經(jīng)常存在比較適合的表面來(lái)沉積而支撐起沉積。因此，部件的機(jī)加工和制造方位以及多軸沉積系統(tǒng)用來(lái)避免需要支撐的系統(tǒng)。實(shí)際上，并沒(méi)有一個(gè)單一的激光再制造部件需要支撐系統(tǒng)，這在文獻(xiàn)中多有報(bào)道。

關(guān)于激光再制造工程部件的現(xiàn)有文獻(xiàn)中，大多數(shù)都是關(guān)于DED的，這是因?yàn)镈ED具有前述中所提到的優(yōu)點(diǎn)，很少有報(bào)道是采用PBF工藝來(lái)進(jìn)行再制造的。Optomec公司（美國(guó)）向大家展示了利用DED工藝進(jìn)行不同復(fù)雜形狀部件的再制造，如轉(zhuǎn)子、壓縮機(jī)定子和噴嘴，這些部件M1 Abram坦克、齒輪箱和渦輪整體葉盤以及AGT1500渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的部件。他們同時(shí)還發(fā)展了一種用于修復(fù)內(nèi)部缺陷的深度修理加工頭。另外一方面，美國(guó)西門子公司采用PBF修煉了燒蝕區(qū)，該區(qū)域是渦輪葉片和汽輪機(jī)葉片尖端的燒蝕。采用激光再制造技術(shù)修復(fù)不同的部件可以在現(xiàn)有文獻(xiàn)中查閱到，每一領(lǐng)域的占比見(jiàn)圖5。

圖5 激光再制造在不同領(lǐng)域中應(yīng)用的占比和激光再制造的文獻(xiàn)數(shù)量

DED還有一個(gè)非常重要的能力就是可以通過(guò)不同材料的添加而制備出功能梯度材料。例如，硬化材料沉積在部件表面來(lái)增強(qiáng)其性質(zhì)，由此，再制造部件的功能性質(zhì)就可以超過(guò)原材料。

同傳統(tǒng)的制造工藝先比較，激光為基礎(chǔ)的再制造具有熱影響區(qū)小、更佳的冶金結(jié)合、由于快速凝固冷卻而形成的優(yōu)異的顯微組織、較少的裂紋、較小的變形和小的稀釋率等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該技術(shù)還可以制備出單晶和定向凝固的組織。

盡管激光再制造具有如上諸多的優(yōu)點(diǎn)，要使用激光再制造技術(shù)來(lái)制備出無(wú)缺陷的激光沉積層來(lái)依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，最大的阻礙在于如何獲得高質(zhì)量的再制造部件。

3.激光再制造所面臨的挑戰(zhàn)

由于激光再制造工藝包括大量的工藝參數(shù)和復(fù)雜的熱循環(huán)，甚至是工藝過(guò)程中的一個(gè)小的變化都會(huì)帶來(lái)熔覆質(zhì)量、缺陷和精度的變化。而且，單獨(dú)的缺陷累積會(huì)影響到最終的部件。仔細(xì)的研究激光沉積工藝過(guò)程，可以看到它包括非常復(fù)雜的物理過(guò)程{見(jiàn)圖6-1}。同時(shí)還存在一些同系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)，則這些參數(shù)同工藝參數(shù)一起使得整個(gè)過(guò)程變得更為復(fù)雜。而且，熔覆尺寸、表面質(zhì)量（粗糙度）、稀釋率、機(jī)械性能和顯微組織等均會(huì)由于一個(gè)小小的變化而受到極大的影響。不同的系統(tǒng)參數(shù)、粉末性能、基材、粉末的噴射時(shí)的物理現(xiàn)象以及沉積層的不同特征見(jiàn)圖6。

圖6 激光熔覆時(shí)熔覆層質(zhì)量、不同的輸入?yún)?shù)和物理現(xiàn)象

圖6-1 激光制造時(shí)的影響因素圖

3.1尺寸精度和熔覆層的幾何形狀

層層堆積的制造過(guò)程，沉積道的幾何形狀是決定沉積層質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)?？刂瞥练e層的高度、熔覆層邊緣處的角度均勻性在整個(gè)熔覆邊緣處的角度的一致是沒(méi)有必要的。而且，沉積層的寬度決定著沉積的時(shí)間。正確的理解不同工藝參數(shù)和沉積道之間的關(guān)系有助于獲得需要的熔覆道的形狀，如高度、寬度和邊緣角度等。不同工藝參數(shù)以及他們的相互作用對(duì)沉積層的幾何形狀的影響見(jiàn)圖7。圖 7-1為增材制造時(shí)所遇到的缺陷匯總。

圖7 不同的工藝參數(shù)及其對(duì)熔覆形狀的影響

部件的尺寸精度用沉積的均勻性和可重復(fù)性來(lái)表示。由于在激光再制造的過(guò)程中，熔覆道的寬度和高度是mm量級(jí)的，幾乎所有的再制造應(yīng)用均需要通過(guò)多層沉積和多道搭接來(lái)形成一定的厚度。在搭接時(shí)控制熔覆層的形狀是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)橄惹暗娜鄣赖拇嬖跁?huì)對(duì)該物理過(guò)程產(chǎn)生影響，見(jiàn)圖8（a）。圖8（b）顯示的為第一個(gè)熔道的幾何形狀和緊隨其后的熔道在使用同一套參數(shù)加工時(shí)明顯的差別。再制造部件的尺寸精度同時(shí)也會(huì)由于沉積過(guò)程中的熱應(yīng)力的作用所形成的熱應(yīng)力而施加影響。

圖8 (a) 不同質(zhì)量和熱流對(duì)搭接道的影響；(b) 在沉積后得到的熔覆道

在熔覆道開(kāi)始時(shí)的過(guò)堆積、尖角處以及熔覆道的結(jié)束處均是影響尺寸精度的關(guān)鍵點(diǎn)。熔覆層的形狀在開(kāi)始、終止結(jié)束以及由于這些變化所造成的影響見(jiàn)圖9。熱傳導(dǎo)比較差的時(shí)候，加速延遲、沉積頭的減速等均會(huì)造成尖角處的過(guò)堆積。這是因?yàn)榧す忸^或沉積面具有一定的質(zhì)量和慣性，從而造成它需要一定的時(shí)間進(jìn)行加速或減速，而抓取或減速均需要一定的時(shí)間。進(jìn)一步的，基于CNC控制的激光再制造，命令的執(zhí)行是一步步的完成的。經(jīng)常在開(kāi)始的階段，激光頭和粉末先打開(kāi)，沉積頭的運(yùn)動(dòng)緊隨其后。相似地，沉積頭的結(jié)束階段，沉積頭先停止，然后是激光頭和粉末開(kāi)始關(guān)閉。這就導(dǎo)致了熔覆層在開(kāi)始和結(jié)束時(shí)形狀的不準(zhǔn)確性。

圖9 激光沉積的開(kāi)始和停止時(shí)的缺陷: (a) 過(guò)沉積Over-building, and (b) 在閉合的熔覆道上開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的 不匹配的熔覆道的橫截面

稀釋率可以通過(guò)熔覆層的截面金相來(lái)表示。然而，同時(shí)也有很多數(shù)學(xué)公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)圖10（a）。沉積層的稀釋率是熔覆時(shí)的一個(gè)非常重要的參數(shù)，影響著沉積層的顯微組織、沉積層的機(jī)械性能等。過(guò)度的稀釋對(duì)熔覆層的形狀具有負(fù)面的影響，同時(shí)對(duì)沉積層的質(zhì)量也有影響。因?yàn)榇藭r(shí)它具有較大的熱影響區(qū)和會(huì)造成大的變形，甚至是基材中裂紋的產(chǎn)生。然而，一定的稀釋率是必須的，且要避免在界面處形成脆性相，否則，沉積層會(huì)從基材剝離開(kāi)來(lái)。較為理想的稀釋率范圍為8-15%。

圖10 (a) 定義激光熔覆層的橫截面時(shí)的形狀參數(shù)；(b) 基于稀釋率的不同的潤(rùn)濕性

在高溫條件下沉積時(shí)，氧化就會(huì)變得至關(guān)重要了。它會(huì)影響到材料的潤(rùn)濕性且會(huì)讓熔覆層的潤(rùn)濕性變差和沒(méi)有充分的稀釋。高的激光功率、低的掃描速度、低的送粉速度都會(huì)導(dǎo)致在基材上產(chǎn)生較高的熱量，增加了熔池的深度，由此增加了稀釋率。

3.2表面粗糙度

基材的表面粗糙度以及由于沉積所造成的粗糙度也會(huì)影響到沉積質(zhì)量。Ibrahim等人的研究表明，單層熔覆FeCrMoCB非晶粉末到不含Ni的不銹鋼上的時(shí)候，熔覆道的寬度、高度均隨著基材表面粗糙度的下降而增加。粉末的顆粒大小也會(huì)影響到表面粗糙度。經(jīng)常來(lái)說(shuō)，熔覆時(shí)的表面均不會(huì)太光滑。沉積層的表面粗糙度顯著的受到粉末質(zhì)量、掃描速度和搭接率的影響。激光沉積后，如果表面太粗糙就需要進(jìn)行后續(xù)的機(jī)加工以獲得好的表面質(zhì)量，表面粗糙時(shí)不僅會(huì)影響到表面質(zhì)量，也會(huì)影響到氣孔的形成。控制搭接率（見(jiàn)圖11）是一個(gè)比較關(guān)鍵的因素，這是因?yàn)槎嗟罀呙璨拍芨采w一個(gè)比光斑還大的面積。兩道搭接時(shí)一般搭接率在29-50%。進(jìn)一步的，粉末也會(huì)影響到沉積層的表面質(zhì)量，粗顆粒的粉末會(huì)造成粗糙的表面。此外，LMD工藝得到的表面是比較差的，在隨后的沉積層很有可能形成氣孔。表面粗糙度增加有可能造成空隙。相似地，Thijs等人的研究就提到過(guò)，長(zhǎng)的氣孔就是由于表面粗糙度的原因而形成的。

圖11(a) 熔覆道沒(méi)有搭接的時(shí)候； (b)搭接不良的時(shí)候； (c) 比較理想的搭接 .

熔覆層的表面粗糙度極大的受到熔池的擾動(dòng)的影響，較大的擾動(dòng)本身有利于粉末的混合，從而導(dǎo)致未熔粉末極少暴漏在表面。部分熔化的粉末也會(huì)保留在沉積表面，從而增加了表面粗糙度。非均勻的沉積表面的聚集在連續(xù)沉積層中，同時(shí)也會(huì)造成多層沉積的波蕩起伏。不同的粉末輸送方式，即同軸額傍軸，也會(huì)影響到能量的輸送密度，從而造成如圖12所述的粉末未熔化的黏附現(xiàn)象。

圖12 大量的沒(méi)有熔化的粉末

沉積層的臺(tái)階效應(yīng)，同樣會(huì)造成沉積層的表面粗糙度大，它取決于傾斜的角度和沉積層的厚度。

3.3氣孔。裂紋和不理想的顯微組織

氣孔、不理想的顯微組織和熱影響區(qū)是非常重要的決定沉積層性能的參數(shù)。熔覆道的高寬比不適宜時(shí)或者潤(rùn)濕性較差時(shí)，熔道之間就會(huì)形成空穴，而層間的空穴經(jīng)常發(fā)生在相鄰的沉積層上，這是因?yàn)槲慈酆显斐傻模瑥亩纬衫L(zhǎng)的氣孔。內(nèi)部搭接形成的氣孔可以通過(guò)傾斜激光束來(lái)減少。然而，這種方式并不是最佳解決方案，傾斜角小于5°可以有助于避免光的反射，尤其是加工高反的材料時(shí)。盡管內(nèi)部搭接氣孔也可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)來(lái)避免。高寬比大于5和搭接率為50%也會(huì)形成搭接氣孔。

層間內(nèi)部氣孔的形成原因可謂模棱兩可，而諸如氣體捕獲、粉末內(nèi)部的氣孔以及高的稀釋率都認(rèn)為是形成層間內(nèi)部氣孔的形成原因。熔池的尺寸也會(huì)影響到沉積層初始?xì)饪椎男纬?。熔池寬度上的較高的搭接率也會(huì)造成氣孔，這是因?yàn)閷訉又g存在未熔合造成的，而且，低的搭接率會(huì)造成匙孔氣孔。

沉積層的疲勞性能也會(huì)嚴(yán)重的受到諸如氣孔的影響，這是因?yàn)闅饪鬃鳛榱鸭y的萌生源而存在。氣孔可以通過(guò)增加能量密度和使用較細(xì)的粉末來(lái)降低。然而，高的能量密度會(huì)導(dǎo)致在熔池的根部形成匙孔，同時(shí)會(huì)由于蒸發(fā)造成低熔點(diǎn)的元素的貧化。經(jīng)常需要后續(xù)熱處理來(lái)改善其顯微組織，但這一操作會(huì)對(duì)界面的結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響。

沉積層中顯微組織的控制是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。組織的形成主要受到熱歷史的影響，同時(shí)對(duì)不同的工藝參數(shù)都非常敏感。而且，層層堆積的制造模式，在沉積隨后的一層的時(shí)候，前一沉積層被再次加熱，從而使顯微組織發(fā)生了改變。晶粒尺寸對(duì)局部的凝固狀態(tài)非常敏感，而晶粒的生長(zhǎng)方向則主要取決于晶粒在基材中的方向。沉積層中顯微組織的晶粒是不同的，并且是隨機(jī)的，這主要是因?yàn)樗麄冎饕艿絻蓚€(gè)因素的控制，即熱歷史和基材顯微組織中晶粒的方位。這將反過(guò)來(lái)影響到沉積層的疲勞性能。沉積層中的夾雜物也會(huì)影響到顯微組織和惡化機(jī)械性能。

3.4殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力主要取決于加熱、冷卻和熱物理性質(zhì)、掃描策略。加工參數(shù)等，殘余應(yīng)力會(huì)造成沉積層的變形。殘余應(yīng)力要么是拉應(yīng)力，要么是壓應(yīng)力。Shrivastavs等人利用熱機(jī)械有限元模擬來(lái)評(píng)估Ni-5Mo-5Al沉積層中的殘余應(yīng)力。得到殘余應(yīng)力基本上是拉應(yīng)力。拉應(yīng)力狀態(tài)的殘余應(yīng)力對(duì)制造部件的疲勞性能是有害的，然而，壓應(yīng)力狀態(tài)的殘余應(yīng)力可以提高部件的服役能力。

殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致在沉積層中形成微裂紋，在長(zhǎng)度方向上存在的裂紋（平行于表面）會(huì)導(dǎo)致沉積層的碎裂，而微小裂紋垂直于表面，并且分割開(kāi)的裂紋會(huì)在熱循環(huán)時(shí)提供應(yīng)變。Saboori等人使用兩種不同的掃描策略（0-90°和0-67°）來(lái)制造316L不銹鋼立方體，在立方體的頂部，在兩種情形下得到的殘余應(yīng)力相似。然而，考慮到側(cè)邊，可以得出0-67°的掃描策略得到的參與用力較低。

4.面臨的挑戰(zhàn)

如下的章節(jié)將探討激光沉積再制造過(guò)程中所遇到的問(wèn)題。

4.1復(fù)合激光增材制造

為了最大限度的發(fā)揮多種工藝的優(yōu)勢(shì)，激光沉積工藝可以同其他工藝或其他能量源一起。比較典型的，不同的后處理工藝，如機(jī)加工、噴丸、熱處理、冷/熱等靜壓。攪拌摩擦焊等均可以用來(lái)解決諸如形狀精度、表面粗糙度、表面裂紋、殘余應(yīng)力、氣孔等問(wèn)題。然而，復(fù)雜形狀部件的機(jī)加工或內(nèi)部形狀的加工是比較困難的，這是因?yàn)槲锢砜臻g的限制、收縮和包裹等。為了解決上述問(wèn)題，可以引入另外一種工藝來(lái)解決，而不是事后解決。目前商業(yè)上的激光增材復(fù)合制造的一個(gè)典型案例就是DMG的增減材復(fù)合制造，見(jiàn)圖13。

圖13 DMG的激光增減材設(shè)備

圖13-1 各種增減材的組合及其實(shí)際例子

4.2激光重熔

在激光沉積時(shí)，沉積層重新使用連續(xù)波模式的激光再掃描一遍。重熔不能引起材料的蒸發(fā)，只是將材料進(jìn)行重新分配。激光重熔對(duì)減少表面的粗糙度和降低殘余應(yīng)力比較有幫助。同時(shí)還可以起到消除沉積層中的氣孔、裂紋而提高了材料的致密度，見(jiàn)圖14（a、b）。重熔同時(shí)還可以起到提高疲勞性能的作用，這是因?yàn)橹厝蹨p少了表面和次表面的缺陷。在AISI1020不銹鋼上沉積IN625時(shí)，重熔過(guò)的材料的高周疲勞性能提高了幾乎3倍。圖14（c、d）則為典型的熔覆層的斷裂特征，其中一個(gè)樣品為重熔后的樣品。此外，激光重熔還能細(xì)化顯微組織和提高機(jī)械性能的作用。為了提高SLM時(shí)材料的致密度和表面質(zhì)量，可以用表面重熔來(lái)提高。采用重熔也可以讓表面的臺(tái)階效應(yīng)降低10-15%，同時(shí)對(duì)傾斜的表面和曲線的表面也有效果。沉積層的表面粗糙度也可以通過(guò)重熔來(lái)改善，見(jiàn)圖15中的示意圖所示。再重熔等離子噴涂的時(shí)候，也可以起到細(xì)化晶粒的作用。

圖14 通過(guò)重熔消除裂紋: (a) 沒(méi)有重熔的情況；(b) 對(duì)沉積層進(jìn)行重熔(熔覆層: Ni-5Mo-5Al, 基材: AISI 1020);疲勞后 斷裂后的界面: (c) 沒(méi)有重熔的結(jié)果；(d) 重熔后的結(jié)果 (熔覆材料: Inconel 625, 基材: AISI 1020)

圖15 對(duì)沉積層重熔后提高了表面粗糙度的示意圖

無(wú)氣孔、致密的沉積層還可以提高層間的結(jié)合力，重熔所造成的晶粒細(xì)化可以提高顯微硬度、摩擦磨損性能等機(jī)械性能。因此，重熔對(duì)再制造部件的磨損性能是有益的。

為了展示兩種不同的掃描策略的影響，用如圖16（a、b）中所示的掃描策略來(lái)重熔In625。在第一種情形中，重熔同沉積的掃描方向一致，在另外一種情況下，重熔同沉積的掃描方向相垂直。激光功率、掃描間距、掃描速度同沉積時(shí)一樣。圖16（c、d）為重熔后的效果。

同時(shí)，證據(jù)還表明，重熔時(shí)掃描方向垂直于沉積方向時(shí)還可以得到相對(duì)較好的表面粗糙度。

圖16 補(bǔ)救措施: (a) 沿著掃描道次進(jìn)行重復(fù)； (b) 垂直于掃描道次重熔；重熔后的表面：(c) 沿著掃描道次重熔；Along the clad track, and (d)垂直于掃描道次重熔 。(基材直徑: 28 mm, 基材高度: 10 mm)

4.3過(guò)程監(jiān)控/實(shí)時(shí)監(jiān)控

由于層層堆積的制造過(guò)程是一種伴隨著時(shí)間的流逝而進(jìn)行的一個(gè)過(guò)程，并且再制造部件往往也是一個(gè)昂貴的存在。探測(cè)和防止在沉積過(guò)程中的異?？梢苑乐箷r(shí)間的浪費(fèi)和資源的浪費(fèi)。在激光陳及時(shí)結(jié)合過(guò)程控制和監(jiān)控，可以獲得無(wú)缺陷的且可接受的精度和準(zhǔn)確性的單道沉積層。由此，不僅節(jié)省了時(shí)間，也節(jié)約了成本。而且，為了獲得可重復(fù)性?？蓮?fù)制?？煽刂坪鸵妆O(jiān)控的沉積層是必不可少的。

在激光沉積時(shí)，除了工藝參數(shù)之外，各種不同的信號(hào)要么來(lái)自于激光-材料的相互作用，要么來(lái)自粉末傳感器的相互作用，均可以用來(lái)檢測(cè)來(lái)確保過(guò)程的魯棒性。工藝過(guò)程中的信號(hào)可以利用各種不同的技術(shù)來(lái)探測(cè)，如光學(xué)、熱的、聲的技術(shù)。然而，將工藝參數(shù)、工藝信號(hào)和沉積層的質(zhì)量關(guān)聯(lián)在一起則需要破解工藝信號(hào)的密碼，這一監(jiān)控技術(shù)見(jiàn)圖17。

圖17實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制的示意圖

圖17-1 在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)

圖17-2 復(fù)合增材制造的時(shí)候，從機(jī)理和能量源的角度出發(fā)得到的性能-機(jī)理-能量源-復(fù)合工藝的流程圖

圖17-2 不同傳感器的控制監(jiān)測(cè)軟件的界面圖： (a) 相機(jī)Camera ；(b) 熱成像相機(jī)Thermal camera ；(c) 激光掃描（Laser scanner）；(d) 電力傳感器electrical sensors；(e)熔池視覺(jué)傳感器 Melt pool vision sensor。

4.3.1光學(xué)監(jiān)控技術(shù)

光學(xué)監(jiān)控技術(shù)主要用來(lái)控制粉末的流量、稀釋率、匙孔現(xiàn)象、熔池的形狀和成分、熱和冷裂紋、層間的搭接、沉積層的形態(tài)變化等。工藝信號(hào)通過(guò)光電二極管、高速相機(jī)等捕獲。同時(shí)還可以利用照相和不同的過(guò)濾器以減少對(duì)比度和過(guò)濾額外的噪音。此外，激光位移傳感器、光學(xué)發(fā)射光譜和激光多普勒振動(dòng)儀也可以用來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

光電二極管是一種半導(dǎo)體器件，可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并且具有快速反應(yīng)的特點(diǎn)，當(dāng)光達(dá)到光電二極管的時(shí)候，信號(hào)開(kāi)始通過(guò)它的電流，同輸入的光的強(qiáng)度成比例。通常來(lái)說(shuō)，InGaAs光電二極管用來(lái)探測(cè)紅外區(qū)域的光，而硅光二極管則用來(lái)探測(cè)紫外區(qū)域的光。

CCD（充電耦合裝置）和互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體（CMOS）相機(jī)是兩種不同類型的用于監(jiān)控的相機(jī)。對(duì)CCD相機(jī)，信號(hào)為像素，通過(guò)剪切或相機(jī)中的單個(gè)電流來(lái)獲取，然而，在CMOS相機(jī)中，每一像素都有自己的處理電流，從而提高了即使是很復(fù)雜時(shí)也可以快速處理。探頭可以同軸，也可以旁軸或者離軸安裝。同軸設(shè)備可以對(duì)整個(gè)熔池實(shí)時(shí)監(jiān)控，而側(cè)軸可以對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行處理，并且不會(huì)受到激光頭振動(dòng)的影響。在同軸探測(cè)的時(shí)候，激光加工的光學(xué)路徑可以如圖18所示。這一系統(tǒng)有一個(gè)光束過(guò)濾器。濾波器和分光鏡。

圖18 同軸的相機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的排布

熔池的深度也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，會(huì)影響到稀釋率和匙孔的生成，額外的稀釋率對(duì)沉積層的形狀和質(zhì)量具有較大的影響。熔池深度直接同激光功率相關(guān)，并且反過(guò)來(lái)正比于掃描速度?？刂迫鄢厣疃葧?huì)造成層之間同基材具有較大的結(jié)合力。監(jiān)控熔池的波動(dòng)可以用來(lái)控制熔池的深度。Caprio等人展示了熔池深度和單道沉積時(shí)的振動(dòng)頻率之間的關(guān)系，見(jiàn)圖19。他們測(cè)量了熔池表面的振動(dòng)，借助一個(gè)高速CMOS相機(jī)捕獲二次探測(cè)的反射光束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)一步的，他們的研究結(jié)果表明所用相機(jī)的識(shí)別頻率至少是振動(dòng)頻率的二倍。

圖19 熔池穿透深度Vs震蕩頻率

Arround等人使用激光多普勒振動(dòng)儀來(lái)監(jiān)測(cè)熔池的振動(dòng)，其工作原理是兩束光來(lái)干涉。他們模糊熔池的行為，利用Ga填充孔的辦法來(lái)填充。模糊振蕩器用來(lái)激活模糊的熔池。Ocylok等人建議稀釋率也可以用來(lái)控制熔池的尺寸。結(jié)合物理為基礎(chǔ)的分析模型，高速同軸相機(jī)可以用來(lái)估計(jì)熔池的深度。熔池的寬度可以通過(guò)圖像處理來(lái)評(píng)估分析模型用來(lái)評(píng)估深度-寬度比。

Qilin等人使用離軸的相機(jī)，幀率為60fps來(lái)捕獲熔池，并使用灰度對(duì)數(shù)來(lái)獲得熔池的邊界，結(jié)果表明，通過(guò)控制熔池的尺寸，沉積層的橫截面的形狀是可以控制的。熔池發(fā)射（熱發(fā)射）熔池同工藝參數(shù)變化，如激光功率、掃描速讀變化時(shí)具有相似的趨勢(shì)。Fisher等人的研究結(jié)果表明熔池發(fā)射可以監(jiān)控并可以用來(lái)控制PBF的工藝過(guò)程，這一點(diǎn)對(duì)控制熔池尺寸是相似的。這一點(diǎn)消除了將相機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)的過(guò)程。高速數(shù)字相機(jī)具有單色、12位探測(cè)和光學(xué)過(guò)濾（850±20nm）的特點(diǎn)，可以用來(lái)對(duì)熔池的發(fā)射進(jìn)行影像。大多數(shù)的這一技術(shù)包括熔池的監(jiān)控。然而，Banua等人則聚焦熔池的不穩(wěn)定性而導(dǎo)致了不可靠的探測(cè)。他們使用單棱鏡相機(jī)來(lái)捕獲熔池的背后沉積層的圖像來(lái)預(yù)測(cè)缺陷。缺陷的探測(cè)基于溫度模式的變化。

材料的熔化和蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致羽化的形成，這會(huì)導(dǎo)致加工束流的輪廓以及激光加工時(shí)的能量密度的變化。進(jìn)一步的，羽化的特征和數(shù)量也會(huì)受到沉積時(shí)熱的積累的影響。由于較高的體積能量造成的PBF的過(guò)熔（低的掃描速度）會(huì)造成不穩(wěn)定的羽化發(fā)射。而且，在過(guò)熔區(qū)域可以觀察到大量的羽化，在較高的掃描速度下還觀察到未熔合，不同位置的羽化還會(huì)重疊。這些變化的監(jiān)測(cè)可以用來(lái)控制內(nèi)部缺陷。紅外相機(jī)可以連續(xù)的獲取羽化的特征以獲得穩(wěn)定行為中產(chǎn)生的異常。這一圖像的處理的一個(gè)案例見(jiàn)圖20。

圖20Grasso 等人所提出的圖像處理過(guò)程