導讀：盡管激光增材再制造已經獲得了廣泛應用，但仍然有一系列的關鍵問題需要進一步研究解決。
1．殘余應力是激光增材再制造面臨最為棘手的問題之一
再制造零件增材部分通過激光熔覆技術逐點掃描堆積成形，這一非線性強耦合過程中，材料的溫度、物性不均勻性極強，不可避免的伴隨應力、應變的演化，導致再制造零件出現裂紋、變形，而且高的殘余應力狀態也將影響零件的靜力學、耐蝕、疲勞等性能，最終影響再制造零件的服役性能及安全。
同激光3D打印技術相比，激光增材再制造殘余應力問題更為突出。對于激光3D打印，可以通過合理的堆積策略，調整熔覆過程溫度場的均勻性，調整材料實際拘束度，避免拉應力過大積累；激光增材制造過程基體形狀尺寸往往是固定的，其拘束度一般較大，容易造成高水平殘余拉應力的積累。另外，激光增材再制造過程中，基體材料同再制造材料往往是異種材料，其屈服強度、熱膨脹系數等影響殘余應力演化的關鍵參數通常相差較大，容易造成高水平殘余拉應力水平積累，且提高應力分布的不均勻性。北航王華明教授把殘余應力問題稱為激光增材制造的“第一大瓶頸難題”，對于激光增材制造，這個問題的嚴重性有過之而無不及，需要做進一步的工作。
2．熱影響區性能劣化是激光增材再制造的另一個重要問題
眾所周知，熱影響區通常是焊接接頭比較脆弱的部分，激光增材再制造過程雖然熱源能量密度集中，熱影響區域較小，但其熱影響區材料性能演變仍然是一個需要重點關注的問題。激光增材再制造熱循環引起材料微觀組織變化，最終影響材料的性能，熱過程可能影響晶粒的尺寸及均勻性，影響析出相的種類、分布及尺寸，材料的固溶度、元素晶界偏析程度等，最終影響熱影響區的硬度、強度、塑性、耐蝕性等性能。從基體到界面，典型的熱影響區可以粗略分為不完全再結晶區、再結晶區、過熱區等。不完全再結晶區晶粒度均勻性較差，性能均勻性也較差；再結晶區組織通常較細；過熱區有許多異常長大的晶粒，其晶粒度及性能均勻性也較差。激光增材再制造常見的基體材料有鎳基、鈷基、鈦基、鐵基、鋁基等，并且其熱處理狀態多樣，有鑄態、鍛造、時效、軋制、滲碳滲氮等，因此，激光增材制造熱影響區性能的劣化方式及劣化程度有較大的區別，需要根據具體材料，進行有針對性的探索研究，通常情況下，焊接過程熱影響區的研究結果具有一定的參考價值，但需要注意激光增材再制造熱循環跟一般焊接過程熱循環的區別，激光增材再制造過程中，熱影響區溫度梯度更大、溫度變化也更加劇烈，熱循環的次數可能會更多。
3．基體同再制造材料的界面匹配性問題也是激光增材再制造的一個重要問題
和激光3D打印不同，激光增材再制造材料與基體材料化學成分及熱處理狀態往往不同，其組織特征、物理化學性能必然存在一定的差異，這些差異將影響界面的結合質量，導致缺陷出現。界面的問題主要有以下幾類：一種是界面脆性相，基體材料同熔覆材料混合，有可能生成一些脆性相。如，灰鑄鐵件激光增材再制造的時候，由于石墨中碳的釋放，在極高的冷卻速率下，極易在界面處出現淬硬組織“白口”，脆性相的生成往往導致再制造過程出現裂紋，嚴重劣化界面性能。另一種界面問題是界面縫隙及裂紋，基體材料同熔覆材料如果相容性差，則界面濕潤性能差，很容易在界面出現縫隙氣孔等缺陷，影響界面結合強度。界面物性匹配度也是界面的重要問題，激光增材再制造過程中，界面兩側材料需要經歷復雜的溫度及應力應變循環，這種物性的差異容易導致界面應力異常，甚至出現裂紋，在后續服役過程中，零件常常需要承受溫度載荷及力載荷，此時，熱膨脹系數、屈服強度、硬度、密度等差異將嚴重影響界面性能，甚至出現剝落等現象，影響服役性能及服役安全。事實上，激光增材再制造材料是該技術的核心，有必要根據基體材料體系、熱處理狀態、服役條件等因素，建立激光增材再制造材料專用數據庫，實現數據共享，推動激光增材再制造產業發展。
4．再制造過程的智能化及自動化也是激光增材制造技術的重要問題
對于激光3D打印，相對比較容易實現自動化，同種零件可以采用完全一樣的制造策略。激光增材再制造技術中，再制造毛坯種類千差萬別，即便同一類零件，其損傷方式、損傷位置、損傷程度也不盡相同，這意味著激光增材再制造很難像制造過程哪樣，簡單的實現批量化、自動化生產。這一特點將影響激光增材再制造的周期和效率，降低其經濟性。理想狀況下，先對待再制造零件進行三維掃描，反求后待再制造模型同理想零件模型進行對比，然后自動進行再制造策略的制定，確定零件上坐標參考點后，進行激光增材制造操作，經過后續處理，即可得到再制造完成零件。目前的實際操作中，三維反求后的堆積策略制定，尚不能達到最理想的狀態，沒有完全實現自動化及智能化，再制造效果不盡如人意，常常需要人工針對具體零件進行再制造操作，這要求操作人員具有較高的技術水平、增加了再制造操作的時間周期，降低了經濟效益。因此，有必要繼續深入研究三維反求后再制造策略規劃技術，需要注意的是，激光增材再制造技術有基體的限制，其策略規劃同激光3D打印技術有一定的區別。
1．殘余應力是激光增材再制造面臨最為棘手的問題之一
再制造零件增材部分通過激光熔覆技術逐點掃描堆積成形，這一非線性強耦合過程中，材料的溫度、物性不均勻性極強，不可避免的伴隨應力、應變的演化，導致再制造零件出現裂紋、變形，而且高的殘余應力狀態也將影響零件的靜力學、耐蝕、疲勞等性能，最終影響再制造零件的服役性能及安全。
同激光3D打印技術相比，激光增材再制造殘余應力問題更為突出。對于激光3D打印，可以通過合理的堆積策略，調整熔覆過程溫度場的均勻性，調整材料實際拘束度，避免拉應力過大積累；激光增材制造過程基體形狀尺寸往往是固定的，其拘束度一般較大，容易造成高水平殘余拉應力的積累。另外，激光增材再制造過程中，基體材料同再制造材料往往是異種材料，其屈服強度、熱膨脹系數等影響殘余應力演化的關鍵參數通常相差較大，容易造成高水平殘余拉應力水平積累，且提高應力分布的不均勻性。北航王華明教授把殘余應力問題稱為激光增材制造的“第一大瓶頸難題”，對于激光增材制造，這個問題的嚴重性有過之而無不及，需要做進一步的工作。
2．熱影響區性能劣化是激光增材再制造的另一個重要問題
眾所周知，熱影響區通常是焊接接頭比較脆弱的部分，激光增材再制造過程雖然熱源能量密度集中，熱影響區域較小，但其熱影響區材料性能演變仍然是一個需要重點關注的問題。激光增材再制造熱循環引起材料微觀組織變化，最終影響材料的性能，熱過程可能影響晶粒的尺寸及均勻性，影響析出相的種類、分布及尺寸，材料的固溶度、元素晶界偏析程度等，最終影響熱影響區的硬度、強度、塑性、耐蝕性等性能。從基體到界面，典型的熱影響區可以粗略分為不完全再結晶區、再結晶區、過熱區等。不完全再結晶區晶粒度均勻性較差，性能均勻性也較差；再結晶區組織通常較細；過熱區有許多異常長大的晶粒，其晶粒度及性能均勻性也較差。激光增材再制造常見的基體材料有鎳基、鈷基、鈦基、鐵基、鋁基等，并且其熱處理狀態多樣，有鑄態、鍛造、時效、軋制、滲碳滲氮等，因此，激光增材制造熱影響區性能的劣化方式及劣化程度有較大的區別，需要根據具體材料，進行有針對性的探索研究，通常情況下，焊接過程熱影響區的研究結果具有一定的參考價值，但需要注意激光增材再制造熱循環跟一般焊接過程熱循環的區別，激光增材再制造過程中，熱影響區溫度梯度更大、溫度變化也更加劇烈，熱循環的次數可能會更多。
3．基體同再制造材料的界面匹配性問題也是激光增材再制造的一個重要問題
和激光3D打印不同，激光增材再制造材料與基體材料化學成分及熱處理狀態往往不同，其組織特征、物理化學性能必然存在一定的差異，這些差異將影響界面的結合質量，導致缺陷出現。界面的問題主要有以下幾類：一種是界面脆性相，基體材料同熔覆材料混合，有可能生成一些脆性相。如，灰鑄鐵件激光增材再制造的時候，由于石墨中碳的釋放，在極高的冷卻速率下，極易在界面處出現淬硬組織“白口”，脆性相的生成往往導致再制造過程出現裂紋，嚴重劣化界面性能。另一種界面問題是界面縫隙及裂紋，基體材料同熔覆材料如果相容性差，則界面濕潤性能差，很容易在界面出現縫隙氣孔等缺陷，影響界面結合強度。界面物性匹配度也是界面的重要問題，激光增材再制造過程中，界面兩側材料需要經歷復雜的溫度及應力應變循環，這種物性的差異容易導致界面應力異常，甚至出現裂紋，在后續服役過程中，零件常常需要承受溫度載荷及力載荷，此時，熱膨脹系數、屈服強度、硬度、密度等差異將嚴重影響界面性能，甚至出現剝落等現象，影響服役性能及服役安全。事實上，激光增材再制造材料是該技術的核心，有必要根據基體材料體系、熱處理狀態、服役條件等因素，建立激光增材再制造材料專用數據庫，實現數據共享，推動激光增材再制造產業發展。
4．再制造過程的智能化及自動化也是激光增材制造技術的重要問題
對于激光3D打印，相對比較容易實現自動化，同種零件可以采用完全一樣的制造策略。激光增材再制造技術中，再制造毛坯種類千差萬別，即便同一類零件，其損傷方式、損傷位置、損傷程度也不盡相同，這意味著激光增材再制造很難像制造過程哪樣，簡單的實現批量化、自動化生產。這一特點將影響激光增材再制造的周期和效率，降低其經濟性。理想狀況下，先對待再制造零件進行三維掃描，反求后待再制造模型同理想零件模型進行對比，然后自動進行再制造策略的制定，確定零件上坐標參考點后，進行激光增材制造操作，經過后續處理，即可得到再制造完成零件。目前的實際操作中，三維反求后的堆積策略制定，尚不能達到最理想的狀態，沒有完全實現自動化及智能化，再制造效果不盡如人意，常常需要人工針對具體零件進行再制造操作，這要求操作人員具有較高的技術水平、增加了再制造操作的時間周期，降低了經濟效益。因此，有必要繼續深入研究三維反求后再制造策略規劃技術，需要注意的是，激光增材再制造技術有基體的限制，其策略規劃同激光3D打印技術有一定的區別。
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