軍用飛機(jī)金屬零件激光增材修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展

來源：航空材料學(xué)報(bào)
作者：徐進(jìn)軍,  張浩,  高德晰,  湛陽(yáng),  江茫,  高昆,  曾全勝, （湖南省飛機(jī)維修工程技術(shù)研究中心）

軍用飛機(jī)在服役過程中，一些關(guān)鍵金屬零件因變形、磨損、腐蝕等原因出現(xiàn)裂紋等缺陷，對(duì)飛機(jī)的飛行安全以及作戰(zhàn)能力造成影響[1]。飛機(jī)零件具有較高的附加值，對(duì)存在不可接受缺陷但未達(dá)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)的零件進(jìn)行及時(shí)、可靠的修復(fù)，有助于保障飛機(jī)的安全性、出勤率以及實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)能力的最大化[2]。研發(fā)快速有效的航空維修技術(shù)也是保障空軍戰(zhàn)斗能力的內(nèi)在要求，具有重大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和戰(zhàn)略意義。

傳統(tǒng)的飛機(jī)金屬零件修復(fù)主要集中在表面處理工程和焊接修復(fù)技術(shù)，如增材制造、激光熔覆、激光熔凝、冷噴涂、電弧堆焊以及攪拌摩擦焊等[3]。上述技術(shù)具有修復(fù)成本低、靈活性強(qiáng)、技術(shù)應(yīng)用成熟以及使用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，但也存在易污染環(huán)境、易損傷基體材料、修復(fù)區(qū)結(jié)合力不強(qiáng)、修復(fù)精度以及自動(dòng)化程度較低等缺點(diǎn)[4]。

激光增材修復(fù)（laser additive repair，LAR）技術(shù)是激光增材制造技術(shù)在金屬零件修復(fù)領(lǐng)域的具體運(yùn)用。通過對(duì)零件中損傷部位進(jìn)行準(zhǔn)確建模后開展定制化修復(fù)，具有修復(fù)速度快、效率高以及修復(fù)后零件性能優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)[5]。LAR技術(shù)已在飛機(jī)機(jī)翼前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、垂尾梁、搖臂、支架以及起落架活塞桿等損傷金屬零件的修復(fù)中獲得成功運(yùn)用，部分零件已通過了多次裝機(jī)應(yīng)用和驗(yàn)證考核，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，必將在航空維修領(lǐng)域受到更多關(guān)注[6]。本文介紹激光增材修復(fù)技術(shù)特點(diǎn)，闡述激光增材修復(fù)過程中常見的缺陷類型，總結(jié)激光增材修復(fù)技術(shù)工藝優(yōu)化特點(diǎn)以及在維修中的應(yīng)用，并對(duì)激光增材修復(fù)技術(shù)未來的研究重點(diǎn)和趨勢(shì)進(jìn)行探討。

1.   LAR技術(shù)特點(diǎn)
激光增材制造技術(shù)是激光熔覆和激光快速成型技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，主要以金屬粉末或者絲材為原材料，將CAD目標(biāo)成形模型進(jìn)行分層處理，再利用高能激光束熔化原材料實(shí)現(xiàn)堆積生長(zhǎng)成形，是一種能夠快速將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)模型直接轉(zhuǎn)化為實(shí)體零件的數(shù)字化制造技術(shù)[2,5]。在具體運(yùn)用過程中，采用預(yù)置金屬粉末方式的稱為選區(qū)激光熔化成形技術(shù)，采用同步輸送金屬粉末或者絲材的稱為激光直接沉積成形技術(shù)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者，又將激光直接沉積成形技術(shù)稱為定向能量沉積、激光金屬直接成形、激光近凈成形、直接激光制造、形狀沉積制造以及激光立體成形等技術(shù)[3-6]。

選區(qū)激光熔化成形技術(shù)是控制高能量的激光束按照預(yù)定的掃描路徑，熔化預(yù)先鋪覆好的金屬粉末后逐層熔覆堆積，冷卻凝固后成形的一種技術(shù)[7-8]。激光選區(qū)熔化技術(shù)原理圖如圖1（a）所示。由于鋪粉類固有的工藝特征，決定了選區(qū)激光熔化成形技術(shù)對(duì)于大型復(fù)雜構(gòu)件的修復(fù)存在局限性[2,4-6]。

圖  1  激光增材制造技術(shù)原理圖　 （a）激光選區(qū)熔化技術(shù)[7-8]；（b）激光直接沉積成形技術(shù)[9-10]

激光直接沉積成形技術(shù)是以金屬粉末/絲材為填充原料，采用高能激光束將填充材料逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)[9-10]，其原理如圖1（b）所示。

旁軸送材方式加工平臺(tái)易搭建，但送材方向性較強(qiáng)，輸送材料容易受熱不均勻；當(dāng)激光掃描路徑較為復(fù)雜時(shí)，旁軸送材方式的成形控制難度增加。激光束同軸送材方式則無(wú)方向性問題，能保證任意路徑下熔覆層的一致性，從而獲得更為廣泛的應(yīng)用[5-6]。按照激光束和金屬粉末的相對(duì)位置，同軸送粉方式又可分為光外同軸送粉和光內(nèi)同軸送粉[6]，如圖2所示。同軸送粉方式的金屬粉末與激光束同步輸出并匯聚于激光焦點(diǎn)處，能提升粉末利用率，設(shè)備簡(jiǎn)單且更適合精密成形。與金屬粉末相比，制備絲材所需成本更低，所以光絲同軸激光增材制造技術(shù)近年來也受到極大關(guān)注[11]。

圖  2  同軸送粉原理示意圖[6] 　（a）光外同軸送粉；（b）光內(nèi)同軸送粉

與常規(guī)激光熔覆技術(shù)相比，超高速激光熔覆使粉束匯聚點(diǎn)位于熔池上方，同時(shí)提高光束和粉束的匯聚性，大部分激光能量（約80%）作用于合金粉末，使粉末在落入熔池前處于熔化或者半熔化的狀態(tài)，進(jìn)而減小了粉末在熔池內(nèi)的熔化時(shí)間，減少激光對(duì)基體材料的熱輸入量，成形質(zhì)量?jī)?yōu)良[12-13]。超高速激光熔覆的沉積速率由常規(guī)激光熔覆的0.5~2 m/min提升至20~500 m/min，單次熔覆厚度能夠控制在0.02~1.0 mm，可直接用于修復(fù)較薄零件[14]。該技術(shù)具有更高的工作效率，如果能代替常規(guī)激光熔覆技術(shù)與快速成型技術(shù)相結(jié)合，將有助于推進(jìn)LAR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

激光-電弧復(fù)合增材制造技術(shù)是將激光和電弧兩者的熱源進(jìn)行復(fù)合，共同作用于材料待熔化區(qū)域，其交互作用能夠產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)效果[14]。在成形過程中，先啟動(dòng)電弧能量使材料發(fā)生熔化，激光能穩(wěn)定電弧且能對(duì)熔池產(chǎn)生攪拌作用，可促進(jìn)氣孔的快速逸出，并使形核生長(zhǎng)的晶粒破碎從而細(xì)化晶粒。氣孔數(shù)量的減少以及晶粒的細(xì)化，能使修復(fù)零部件具有更好的力學(xué)性能。

與激光增材制造技術(shù)相比，LAR技術(shù)有其自身的特殊性，需要根據(jù)修復(fù)對(duì)象的損傷類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行工藝規(guī)劃，并且要考慮與零件基體的結(jié)合效果。

飛機(jī)零部件LAR工藝流程主要包括：

（1）借助清洗設(shè)備對(duì)缺陷零件進(jìn)行清洗處理，并對(duì)零件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)判定損傷類型以及安全評(píng)估，結(jié)合相應(yīng)的修理手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估其可修復(fù)性。

（2）受損區(qū)域形式多樣，為方便激光掃描路徑的形貌特征需求、增強(qiáng)修復(fù)效果，對(duì)受損部位按修理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行V型或U型等規(guī)則化處理。對(duì)缺乏原始三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的零件，利用工業(yè)CT、三維激光掃描儀等對(duì)待修復(fù)區(qū)域進(jìn)行精確測(cè)量。

（3）采用逆向建模技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得光順的曲面、平面、實(shí)體等特征，再構(gòu)建較為完整的修復(fù)目標(biāo)模型。將連續(xù)的三維CAD模型離散成具有一定層厚及順序的分層切片，根據(jù)切片輪廓設(shè)計(jì)合理的LAR工藝參數(shù)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字控制程序[15]。

（4）依據(jù)修復(fù)目標(biāo)模型，以損傷零件為基體，對(duì)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行激光增材制造，得到修復(fù)后的零件。

（5）與維修手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)行性能測(cè)試以及裝機(jī)檢驗(yàn)等方式確定修復(fù)效果，檢驗(yàn)修復(fù)后零件的“修形修性”情況。

綜上所述，LAR技術(shù)可總結(jié)為以高能量密度的激光束作為熱源，以金屬粉末或絲材等為填充材料，借助CAD等軟件對(duì)目標(biāo)模型進(jìn)行預(yù)分層處理，通過控制系統(tǒng)使激光光源、保護(hù)氣體、填充材料輸送裝置和載物工作平臺(tái)按指定空間軌跡運(yùn)動(dòng)，以修復(fù)零件為基體對(duì)待修復(fù)部位進(jìn)行逐層成形，最后生成與待修復(fù)部位形性接近的三維實(shí)體，完成對(duì)損傷零件的幾何形狀和使用性能的恢復(fù)，延長(zhǎng)其服役壽命。

2.   LAR中缺陷類型和調(diào)控方法
在立體型飛機(jī)零件LAR過程中，激光循環(huán)往復(fù)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描熔化→逐線掃描搭接→逐層凝固堆積，材料先后經(jīng)歷快熱、熔化和快冷等過程，導(dǎo)致修復(fù)區(qū)易出現(xiàn)如塌邊、表面球化、氣孔以及裂紋等不同尺度缺陷。

2.1   塌邊
在LAR過程中，高能激光束、填充材料與基材相互作用，形成的熔池主要受到重力（G）、保護(hù)氣體氣-固兩相流影響力（M）、熔液表面張力（N）和基體支撐力（Z）的混合作用，熔池在這四個(gè)力相互作用下與水平面形成一定的傾斜角θ，如圖3（a）所示。當(dāng)激光束完成第H層的最后一道掃描時(shí)，第H+1層第一道如果也在該側(cè)進(jìn)行掃描，將導(dǎo)致每一層第一道處（即掃描經(jīng)過進(jìn)出端和邊角處）的熱量累積比其他區(qū)域溫度要高，使熔池的表面張力減小，熔體的流動(dòng)性增加，凝固層變薄，導(dǎo)致成形件邊緣出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象[16]。當(dāng)?shù)讓有迯?fù)區(qū)域發(fā)生塌陷時(shí)，該區(qū)域較實(shí)際沉積高度更低，如圖3（b）所示。在縱向分層厚度不變的情況下，激光束掃描至該區(qū)域時(shí)，離焦使激光光斑直徑變大造成能量密度降低，熔化粉末的能力下降；隨著修復(fù)層數(shù)的增加，出現(xiàn)塌邊變形現(xiàn)象，如圖3（c）所示。

圖  3  LAR成形件塌邊現(xiàn)象[16]　（a）熔池受力作用示意圖；（b）塌陷時(shí)光束作用示意圖；（b）塌邊實(shí)物圖

在修復(fù)薄壁零件或者零件邊緣區(qū)域時(shí)，采用短邊往復(fù)并逐層更換激光起光點(diǎn)位置，以及針對(duì)熔池高溫區(qū)吹冷卻氣體、延長(zhǎng)停留時(shí)間等方式來降低材料熱量累積效應(yīng)，可減小幾何缺陷現(xiàn)象的發(fā)生[17-18]。

2.2   球化缺陷
在LAR過程中，填充材料熔化液在表面張力的作用下進(jìn)行收縮，球形表面積和表面能較低且最為穩(wěn)定，如果熔液與固體基體表面潤(rùn)濕性較差時(shí)，熔液難于均勻鋪展，易發(fā)生球化反應(yīng)形成球化缺陷[19]，如圖4（a）所示。激光掃描速度較快時(shí)，激光束沖擊熔池易引起熔液飛濺。飛濺出熔池外的熔液只受重力作用且接收激光能量較低，易形成小尺寸球型金屬顆粒。此外，由于激光能量呈高斯分布，熔覆道兩側(cè)以及相鄰道間搭接區(qū)域的能量密度較低，如果送粉量較大而激光能量不足，使粉末不能完全融化，會(huì)加劇表面球化現(xiàn)象[15]。故表面球化缺陷常分布在熔覆道兩側(cè)或相鄰道間的搭接區(qū)域，多層FeCr合金球化缺陷實(shí)測(cè)圖，如圖4（b）所示。

圖  4  LAR中球化缺陷　（a）球化缺陷示意圖[19]；（b）多層FeCr合金球化缺陷實(shí)測(cè)圖[15]

在LAR過程中，采用預(yù)熱基體和多層成形時(shí)進(jìn)行氣氛保護(hù)能提升填充材料熔液與凝固層的潤(rùn)濕性[15]；適當(dāng)增加激光能量密度、降低送粉量和延長(zhǎng)層間間隔時(shí)間（待凝固層穩(wěn)定后），都有助于改善球化缺陷現(xiàn)象[19]。

2.3   氣孔
在LAR過程中，以下幾種情況都會(huì)產(chǎn)生氣孔缺陷：一是在高能激光輻照的過程中，熔池溫度高，基體材料或者多層多道間搭接處的原有熔覆層發(fā)生冶金反應(yīng)，產(chǎn)生如CO、CO2以及SO2等氣體[20-21]；二是保護(hù)氣體或者輸送粉末氣體（如N2、He以及Ar氣等）中混入空氣；在快速熔化和凝固過程中，氣體如果來不及排出就會(huì)在成形件中形成氣孔[22-24]。氣孔缺陷的形成與氣-液-固三相之間的接觸角（θ）和熔池凝固時(shí)間息息相關(guān)[25]。當(dāng)氣體介質(zhì)與固相界面的接觸角小于90°且熔池凝固時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，氣體介質(zhì)可完全擺脫界面的約束上浮逸出，可避免氣孔缺陷的產(chǎn)生，如圖5（a）所示；當(dāng)接觸角大于90°且凝固時(shí)間較短時(shí)，部分殘余氣體介質(zhì)仍然附著在固相界面來不及逸出，待熔池凝固后留在成形件中從而形成氣孔缺陷，如圖5（b）所示。

圖  5  LAR中氣孔缺陷[24-25]�。╝）氣泡上浮過程；（b）成形件中典型氣孔缺陷

選取具有良好潤(rùn)濕性的填充材料，成形前充分烘干減少水汽，提高激光輸入能量能使熔液液態(tài)時(shí)間增長(zhǎng)以及適當(dāng)降低掃描速度，使氣孔有足夠的時(shí)間上浮和逸出，都有益于降低材料中的氣孔率[20-23]。此外，在LAR過程中對(duì)熔池施加超聲振動(dòng)或者磁場(chǎng)等，也能促進(jìn)氣體更好地逸出，降低孔隙率[25]。

2.4   裂紋
應(yīng)力集中是LAR成形件中產(chǎn)生裂紋的主要原因[23]。LAR過程中產(chǎn)生的應(yīng)力主要包括熱應(yīng)力、約束應(yīng)力以及組織應(yīng)力[26-28]，如圖6（a）所示。溫度梯度的不同會(huì)使材料在冷卻過程當(dāng)中基材與修復(fù)層或者多修復(fù)層內(nèi)部之間的熱膨脹速率不一致，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力[28]。熔池中材料受熱膨脹，受到周圍較冷基體約束而產(chǎn)生的壓應(yīng)力及凝固收縮受到較冷基體的拉應(yīng)力，稱為約束應(yīng)力。在成形件中，由于金屬元素的組織偏聚而引起的應(yīng)力，稱為組織應(yīng)力。組織不均勻?qū)е略搮^(qū)域應(yīng)力高于其他位置。在多種應(yīng)力的共同作用下，應(yīng)力不會(huì)隨著冷卻而終止，反而會(huì)在其內(nèi)部傳播，當(dāng)應(yīng)力超過材料極限斷裂強(qiáng)度時(shí)，萌生出裂紋。隨著掃描層數(shù)的增加，橫向拉應(yīng)力逐漸積累增大，促使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，從而在成形件中形成跨越多層的長(zhǎng)裂紋[27]，如圖6（b）和（c）所示。

圖  6  LAR中裂紋缺陷[27]�。╝）應(yīng)力作用示意圖；（b）裂紋形成示意圖；（c）裂紋形貌

選用與基體材料熱膨脹系數(shù)接近、材質(zhì)均勻的填充材料，并在修復(fù)前進(jìn)行預(yù)熱處理減小溫度梯度、適當(dāng)降低掃描速度減小熔液冷卻速率等有助于減小材料內(nèi)應(yīng)力作用，降低裂紋率[26-28]。

3.   LAR工藝優(yōu)化特點(diǎn)以及性能改善措施
激光能量密度、搭接率、填充材料供給速度、保護(hù)氣體流量、時(shí)間參數(shù)和掃描路徑等參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)激光增材修復(fù)效果具有顯著影響，需要各參數(shù)相互協(xié)調(diào)。此外，施加外加能場(chǎng)和優(yōu)化設(shè)計(jì)專用填充材料能進(jìn)一步提升修復(fù)效果。

3.1   能量密度
在一定的掃描速度下，提高激光功率增加了熱輸入量，熔池流動(dòng)性增強(qiáng)，促使填充材料反應(yīng)更加充分，可獲得良好的冶金結(jié)合[29]。Li等[30]的研究結(jié)果表明，提高激光功率可降低7075鋁合金成形件的孔隙率和裂紋率。隨著激光功率增加，熔覆區(qū)的柱狀晶晶粒尺寸逐漸變大。但是激光功率太大時(shí)，會(huì)引起填充材料以及基體材料發(fā)生嚴(yán)重的燒灼，使樣品表面嚴(yán)重氧化、熔化過度以及燒傷等現(xiàn)象[31]。

激光功率一定時(shí)，提高掃描速度易引發(fā)填充材料熔化不完全現(xiàn)象，材料處于固-液兩相共存狀態(tài)。該狀態(tài)下材料流動(dòng)性變差，易產(chǎn)生孔隙缺陷[29]。與此同時(shí)，掃描速度的增加，材料冷卻速度過快，使材料溫度梯度增大，易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。掃描速度過小時(shí)，相鄰掃描時(shí)間間隔短；在激光束移動(dòng)過程中，熔化材料產(chǎn)生堆疊，使熔覆區(qū)鋪展不均勻，樣品成形質(zhì)量變差。

實(shí)際上，激光功率和掃描速度存在一個(gè)相互耦合作用，單純考慮單一參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是不夠準(zhǔn)確的。只有對(duì)激光功率和掃描速度進(jìn)行有效耦合，才能使成形件獲得較好的晶粒組織和材料性能[32]。

為了綜合考慮耦合光斑直徑、激光功率以及掃描速度的交互作用，用激光能量密度來表述更加全面。任一參數(shù)的調(diào)整都可以影響輸入的能量密度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池形態(tài)、微觀組織以及材料性能的調(diào)控。

在實(shí)驗(yàn)過程中，光斑直徑一般為固定值。當(dāng)采用圓形光斑時(shí)，單位面積內(nèi)激光能量密度（F）的表達(dá)式為[14, 18]：

F=4Pπ/DV(1)
式中：D為光斑直徑；V為掃描速度；對(duì)于連續(xù)輸出激光，P為激光輸出功率；對(duì)于脈沖輸出激光，P為激光平均輸出功率P=Pmax×f×τ；Pmax為脈沖峰值功率；f為脈沖頻率；τ為脈沖寬度。

由式（1）可知，在實(shí)際運(yùn)用過程中，可在不引起填充材料以及基體燒傷的前提下，盡可能地提高激光功率并搭配較高的掃描速度，有助于獲得性能良好的成形件和較高的工作效率。

3.2   搭接率
相對(duì)于二維的面積型成形區(qū)域，多道多層立體修復(fù)區(qū)域由二維轉(zhuǎn)向三維，搭接率是影響成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素。合適的搭接率能使成形件獲得較好的平整度，還可以大幅度降低熱裂紋和孔隙的形成傾向[33]。當(dāng)搭接率較小時(shí)，搭接區(qū)會(huì)出現(xiàn)明顯的凹陷；當(dāng)激光能量密度較低時(shí)，搭接區(qū)的重熔材料較少，易出現(xiàn)氧化物夾雜和氣孔等缺陷。當(dāng)搭接率較大時(shí)，搭接區(qū)熔覆高度較高甚至出現(xiàn)明顯的斜坡狀上凸；前一熔道搭接區(qū)受到激光能量的二次加熱后，重熔材料增多導(dǎo)致成形表面不平整，凝固區(qū)域晶粒也易粗化，導(dǎo)致材料性能下降[15, 34]。

假設(shè)單層單道樣件形貌為圓弧狀，W和H分別為單層單道的寬度和高度。根據(jù)熔化成形件的幾何關(guān)系以及面積等效搭接計(jì)算模型，即前道熔池搭接區(qū)域與后一道熔覆線在搭接區(qū)域上堆積結(jié)構(gòu)的橫截面面積相等時(shí)（S1=S2），可獲得趨于理想的成形層。等效搭接成形層橫截面示意圖如圖7所示。在此條件下，可推導(dǎo)出理想搭接率η的計(jì)算公式[14-15, 33]：

圖  7  等效搭接熔覆層橫截面示意圖

η=1−SABC/WH(2)
式中：SABC為單層單道圓弧面積。

此外，不同搭接率下，激光增材制造過程中的應(yīng)力分布也不盡相同。李云峰[33]發(fā)現(xiàn)，搭接率較小時(shí)，熔覆層應(yīng)力較小，且道次間相互作用不強(qiáng)；隨著搭接率的增加，應(yīng)力主要集中在搭接區(qū)域且應(yīng)力值逐漸增大。當(dāng)搭接率超過30%后，最大應(yīng)力區(qū)域向起始熔道轉(zhuǎn)移，主要是因?yàn)楹罄m(xù)激光熱源會(huì)對(duì)前一道熔覆層的搭接區(qū)產(chǎn)生二次重熔，而已形成的熔道會(huì)對(duì)其產(chǎn)生拘束作用，從而使起始熔道內(nèi)的應(yīng)力升高，增加了熔覆層的開裂傾向。

目前，在大量工藝參數(shù)與實(shí)測(cè)搭接率的映射關(guān)系基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的搭接率優(yōu)選經(jīng)驗(yàn)回歸模型[33]，但模型適用性較差、預(yù)測(cè)精度也不夠精確，最佳搭接率的確定還得依靠大量的實(shí)驗(yàn)探索。一般搭接率的參考選取范圍集中在30% ~ 50%之間[34]。

3.3   填充材料供給速度
在LAR過程中，常用的填充材料主要有合金絲材和粉末，填充材料的供給速度對(duì)成形件質(zhì)量，特別是成形尺寸精度具有重大影響。

當(dāng)激光能量密度一定時(shí)，隨著送絲速度的增加，單道次熔覆層深度減小，高度和寬度增大。當(dāng)送絲速度較小時(shí)，熔化材料不足以及熔滴不能均勻鋪展在基材上，出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象。提高送絲速度（1.4 m/min），熔化的材料量增加，不再出現(xiàn)熔覆層不連續(xù)現(xiàn)象，且沒有發(fā)現(xiàn)氣孔和裂紋。但送絲速度（1.6 m/min）較大時(shí)，更多的熱量用于熔化焊絲，只有較少熱量到達(dá)母材導(dǎo)致熔池較小使大量的金屬沉積造成熔覆高度達(dá)到一個(gè)較高的水平，高深比進(jìn)一步增加[31]。此外，當(dāng)送絲速度過大時(shí)，金屬絲被推入熔體池后不能被充分熔化，易導(dǎo)致氣孔和裂紋的產(chǎn)生[21]。

粉末材料與激光的交互作用較絲材更為復(fù)雜[24-27,33]。在激光能量密度一定的情況下，單位時(shí)間的粉末流量越大，對(duì)激光能量反射越多；作用在合金粉末上的能量就越少，則未熔化的粉末越多，造成表面黏粉和內(nèi)部冶金性氣孔缺陷并且容易造成熔覆層高度過高而寬度較小，降低成形質(zhì)量。岳海濤等[15]發(fā)現(xiàn)，在相同激光能量輸入量情況下，送粉速率過大會(huì)導(dǎo)致熔池體積增大，熔池溫度降低，材料黏度上升，阻礙了氣泡的釋放速度，合金的孔隙率上升。

在一定程度上增加熱輸入量能提高填充材料的利用率，且延長(zhǎng)了金屬液態(tài)時(shí)間，氣孔有足夠的時(shí)間上浮和逸出有利于抑制成形層中氣孔的產(chǎn)生[15,24]。因此，在制定LAR工藝參數(shù)時(shí)，除了激光能量密度外，優(yōu)化填充材料供給量也有益于獲得更高質(zhì)量的成形效果[16]。

3.4   保護(hù)氣體流量
除激光能量密度、填充材料供給速度外，保護(hù)氣體流量在LAR過程也會(huì)影成形效果。如果填充材料為絲材，合適的保護(hù)氣體流量起隔離空氣的作用，但過高的保護(hù)氣體流量會(huì)提高熔池冷卻速率，增大熔池的不穩(wěn)定性，成形層產(chǎn)生缺陷以及不規(guī)則成形現(xiàn)象風(fēng)險(xiǎn)增加[31]。

填充材料為粉末時(shí)，保護(hù)氣體同時(shí)作為輸送粉末介質(zhì)。不同保護(hù)氣體流量會(huì)引起粉末顆粒速度和匯聚點(diǎn)濃度的變化，從而對(duì)成形效果造成影響。李云峰等[33]的研究結(jié)果表明：載粉氣流量較小時(shí)，粉末分布發(fā)散；提高載粉氣流量，粉末的聚集性隨之升高。當(dāng)流量超過600 L/h后，匯聚區(qū)粉末濃度趨于穩(wěn)定，匯聚處粉末濃度的增加說明實(shí)際進(jìn)入熔池并發(fā)生熔化的粉末數(shù)量增加。但是，當(dāng)氣流量過大時(shí)，粉末顆粒的動(dòng)能增大與基體產(chǎn)生高速碰撞，造成粉末顆粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)甚至產(chǎn)生飛濺，反而降低實(shí)際有效送粉量[35-36]。載粉氣體流量使粉末匯聚點(diǎn)與光斑直徑接近時(shí)，可獲得較好的成形效果[33]。Arbo等[21]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說明過大的保護(hù)氣體流量會(huì)造成熔池冷卻速率過快，使材料中氣孔來不及逸出，導(dǎo)致產(chǎn)品的孔隙度增大。

3.5   掃描路徑和時(shí)間參數(shù)
合理的激光掃描路徑不僅可以提高成形效率，還可以有效減小修復(fù)區(qū)內(nèi)部殘余應(yīng)力、調(diào)控晶粒形態(tài)，從而獲得更好的成形效果。在立體型待修復(fù)區(qū)的成形過程中，隨著堆積層數(shù)的增加，整體熱輸入量增加，各層受熱情況更加復(fù)雜[37]。

當(dāng)堆積層采用同向掃描路徑時(shí)，相鄰層間的熱輸入與散熱狀態(tài)基本相同，有助于晶粒沿相同方向持續(xù)生長(zhǎng)[14]。當(dāng)堆積層間采用垂直交叉掃描方向時(shí)，也有利于熔池快速散熱，從而減小平均晶粒尺寸。與此同時(shí)，交叉掃描路徑改變了熔池的溫度場(chǎng)，相鄰層間的晶粒生長(zhǎng)方向也隨之發(fā)生改變，使晶粒取向呈隨機(jī)分布且尺寸更小[37]，有利于減弱成形合金的各向異性，提升合金性能。

Guo等[38]對(duì)比了堆積層間掃描偏轉(zhuǎn)角度分別為45°和67°時(shí)，激光增材制造技術(shù)制備的CrMnCoFeNi合金的組織和性能特點(diǎn)。研究結(jié)果表明：與掃描偏轉(zhuǎn)67°合金相比，掃描偏轉(zhuǎn)角度為45°更有利于合金柱狀枝晶向外延生長(zhǎng)，承受了較高的局部應(yīng)變，從而具有較高的裂紋密度。與單純的改變堆積層間的掃描角度相比，Li等[28]、Gu等[32]進(jìn)一步將單層區(qū)域進(jìn)行分區(qū)和角度可變的“隨機(jī)”掃描處理，使成形過程中合金的熱量分布更加分散，減弱了熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低了裂紋率，分別制備了性能良好的Al-Zn-Mg-Cu-Ta合金和鋁基納米復(fù)合材料。

在調(diào)整掃描路徑調(diào)控成形合金的組織和性能時(shí)，堆積層間的時(shí)間間隔也是其中的重要參數(shù)。通過適當(dāng)延長(zhǎng)堆積層間停留時(shí)間，可以緩解層間和合金邊緣處熔池過熱問題，應(yīng)使單層材料完全凝固后再在進(jìn)行下一層掃描[28,32]。因此，在掃描路徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要有助于成形合金晶粒取向的隨機(jī)分布；另一方面要盡量避免熔池過熱和減小應(yīng)力。

3.6   外加能場(chǎng)改善性能
在優(yōu)化工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，加入超聲振動(dòng)、電磁場(chǎng)等外加能場(chǎng)有助于進(jìn)一步提升LAR效果。Wang等[39]、Yao等[40]、Cong等[41]分別在SS316L、AISI630不銹鋼和Inconel718合金的LAR過程中添加超聲振動(dòng)，結(jié)果表明：外加超聲振動(dòng)有利于熔池?zé)崃總鬟f能降低修復(fù)區(qū)域溫度梯度，減少材料凝固時(shí)間細(xì)化柱狀枝晶；此外，還能加強(qiáng)內(nèi)部熔液的流動(dòng)性使元素分布均勻，也有助于氣泡的碎化和逸出，明顯降低了修復(fù)區(qū)的孔隙率和微裂紋，提升了修復(fù)零件的力學(xué)性能。

施加電磁場(chǎng)則是以洛倫茲力驅(qū)動(dòng)熔融金屬粒子均勻運(yùn)動(dòng)減小了成分偏析使凝固組織更加均勻、并改變晶粒形態(tài)和減少氣孔數(shù)量。王梁等[42]發(fā)現(xiàn)：隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，修復(fù)區(qū)內(nèi)的孔隙率逐漸降低；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度增加至1200 mT時(shí)，孔隙率降低至0.006%。通過分析金屬熔體與熔池中氣泡的受力情況，認(rèn)為電磁場(chǎng)提供的洛倫茲力有利于金屬熔體向下填充，氣泡加速逸出。Cheng等[43]發(fā)現(xiàn)：隨著磁場(chǎng)電流增加，液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)使材料凝固組織變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，并能抑制晶間相的生長(zhǎng)，修復(fù)后Inconel718高溫合金試樣強(qiáng)度由487 MPa提高至770 MPa。劉奮成等[44]認(rèn)為在LAR過程中添加電磁攪拌促進(jìn)了GH4169高溫合金垂直于枝晶生長(zhǎng)方向熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)，能促進(jìn)溶質(zhì)元素的均勻分布，使枝晶臂的生長(zhǎng)更發(fā)達(dá)，共晶組織分布也更加均勻。

3.7   優(yōu)化設(shè)計(jì)填充材料
除上述工藝參數(shù)優(yōu)化外，設(shè)計(jì)專用的填充材料有助于提升修復(fù)效果[34]。填充材料應(yīng)遵循與基體材料熱膨脹系數(shù)相近、熔點(diǎn)相近以及具有良好潤(rùn)濕性的選取原則[8,24,28]。在利用LAR技術(shù)修復(fù)鈦合金、鋁合金、鐵基合金及鎳基合金等飛機(jī)金屬材料零件時(shí)，往往選擇與基體材料成分相同或相近的填充材料能獲得較好的修復(fù)效果[17,20,43,45]。

楊光等[17]采用BT20鈦合金球形粉末對(duì)BT20鈦合金零件進(jìn)行LAR修復(fù)。結(jié)果表明：修復(fù)區(qū)與基體冶金結(jié)合效果良好，顯微硬度較基體提高約12%。祝弘濱等[20]采用Al-Mg-Sc-Zr合金作為填充材料，對(duì)5083合金制件進(jìn)行LAR處理，修復(fù)后試樣與基體材料的抗拉強(qiáng)度接近。竇磊等[45]采用與基體材料成分接近的專用填充材料，修復(fù)了1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼航空零件，修復(fù)區(qū)的力學(xué)性能與基材相當(dāng)。

此外，根據(jù)修復(fù)對(duì)象的成分以及特殊的修復(fù)要求，在設(shè)計(jì)填充材料時(shí)合理添加一些金屬元素（如Zr、Sc以及Ta等）或者陶瓷顆粒（如TiC、WC以及Zr02等），有助于提高修復(fù)區(qū)力學(xué)性能[8,28,30]。

4.   LAR技術(shù)在飛機(jī)零件修復(fù)中的應(yīng)用實(shí)例及發(fā)展趨勢(shì)
4.1   飛機(jī)零件LAR技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
美國(guó)AeroMet公司率先應(yīng)用LAR技術(shù)對(duì)F15戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼梁進(jìn)行修復(fù)，明顯縮短了該構(gòu)件的檢修周期。美國(guó)賓州大學(xué)以光纖激光器作為激光源結(jié)合機(jī)器人操作系統(tǒng)，對(duì)海軍艦載機(jī)零部件進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位的激光直接沉積修復(fù)。美國(guó)Optomec Design公司使用LAR技術(shù)對(duì)T700艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和渦輪整體葉盤進(jìn)行了快速修復(fù)。修復(fù)后的整體葉盤通過了力學(xué)拉伸、低周疲勞以及腐蝕性能等多項(xiàng)測(cè)試，符合修理標(biāo)準(zhǔn)要求[6, 46]。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Gäumann等[47]利用LAR技術(shù)成功修復(fù)了具有復(fù)雜形狀的CMSX-4單晶葉片，修復(fù)后的葉片具有與原始組織完全一致的晶體取向，為該發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)試車提供合格零件。目前，美國(guó)Optomec、PHENIX、韓國(guó)InssTek、法國(guó)Beam、日本的Matsuur、Sodick、Mazak以及德國(guó)的DMG、TRUMPF、EOS、MCP等公司均已研制出工業(yè)化LAR設(shè)備。

國(guó)內(nèi)近年來LAR技術(shù)也獲得較多成功運(yùn)用的案例。秦仁耀等[48]采用激光3D熔覆技術(shù)對(duì)飛機(jī)上固定發(fā)動(dòng)機(jī)用的端軸頸損傷區(qū)域進(jìn)行了修復(fù)，維修區(qū)與基體結(jié)合良好、組織致密且力學(xué)性能優(yōu)于母材，能夠滿足端軸頸的維修要求。楊光等[17]采用LAR技術(shù)對(duì)飛機(jī)垂尾梁進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)效果良好、修復(fù)區(qū)抗拉強(qiáng)度也高于鍛件基材。北京航空材料研究院對(duì)多種型號(hào)飛機(jī)中的關(guān)鍵承力構(gòu)件開展了LAR技術(shù)研究，突破了修復(fù)專用填充材料制備以及超高強(qiáng)度鋼修復(fù)工藝-組織-性能的調(diào)控技術(shù)，并建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，部分修復(fù)零件已通過裝機(jī)評(píng)審或裝機(jī)使用[49]。如對(duì)伊爾76飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼起落架進(jìn)行LAR處理，修復(fù)后的起落架作動(dòng)筒經(jīng)過900 h的起落飛行測(cè)試，服役狀態(tài)良好[3]。

LAR技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的修復(fù)中也已獲得成功運(yùn)用。竇磊等[45]針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪支承軸承座內(nèi)孔磨損缺陷，通過研發(fā)修復(fù)專用合金粉末以及優(yōu)化LAR技術(shù)工藝，使修復(fù)區(qū)域組織特征和力學(xué)性能與基材相當(dāng)，經(jīng)修復(fù)后的渦輪支承軸承座能滿足一個(gè)使用壽命周期要求。劉江紅等[50]采用LAR技術(shù)對(duì)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)葉輪進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后的葉輪先后通過了常溫超轉(zhuǎn)、疲勞實(shí)驗(yàn)、水力實(shí)驗(yàn)以及熱試車考核，滿足再次使用性能要求。Ci等[51]通過預(yù)熱打印基板等方式優(yōu)化激光增材修復(fù)工藝，對(duì)DD432單晶渦輪葉片的葉尖進(jìn)行了接長(zhǎng)修復(fù)，修復(fù)區(qū)拉伸性能接近單晶基板性能。近年來，華中科技大學(xué)、武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、西安鉑力特、浙江工業(yè)大學(xué)、南京煜宸、航天科技集團(tuán)八院149廠等已成功研制出了工業(yè)化LAR設(shè)備。

4.2   發(fā)展趨勢(shì)
為更好地適應(yīng)新型飛機(jī)金屬零件修復(fù)要求，進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度，以下4個(gè)方面可能是未來的研究重點(diǎn)和趨勢(shì)：

（1）復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的修復(fù)區(qū)域由規(guī)則的平面向非規(guī)則的曲面發(fā)展，成形軌跡也由二維直線轉(zhuǎn)向空間曲線。研發(fā)出集成高精度測(cè)量定位、增減材制造路徑自動(dòng)規(guī)劃以及工藝模擬仿真軟件于一體的輔助系統(tǒng)，是保證修復(fù)質(zhì)量穩(wěn)定性以及提升一次修復(fù)合格率的現(xiàn)實(shí)保障。

（2）在修復(fù)過程中結(jié)合外加能場(chǎng)，有助于減少冶金缺陷、實(shí)現(xiàn)修復(fù)區(qū)域組織均勻以及緩解修復(fù)堆積層各向異性等難題。多能場(chǎng)融合式LAR技術(shù)如何進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化管理、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及反饋閉環(huán)控制將會(huì)是該技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。

（3）對(duì)于修復(fù)零件必須做到“修形”與“控性”并行，特別是補(bǔ)修后需重新投入使用的關(guān)鍵重要承載零件。根據(jù)對(duì)標(biāo)樣的組織特征、材料性能以及損傷容限等演化關(guān)系，借助有限元軟件和相應(yīng)的模擬測(cè)試監(jiān)控方法，建立系統(tǒng)、可靠的修復(fù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和完整性考核規(guī)范是亟須突破的難題。

（4）未來戰(zhàn)爭(zhēng)必然是快節(jié)奏的高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)，戰(zhàn)場(chǎng)搶修有助于戰(zhàn)時(shí)快速反應(yīng)、快速部署以及快速維修目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，適用于戰(zhàn)場(chǎng)條件下超大尺寸構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)、先進(jìn)智能以及可移動(dòng)的“飛機(jī)零部件激光增減材修復(fù)醫(yī)院”的研發(fā)，勢(shì)在必行。

5.   結(jié)論
LAR技術(shù)具有響應(yīng)速度快、成形精度高以及無(wú)需模具即可實(shí)現(xiàn)定制式修復(fù)等特點(diǎn)，已在軍用飛機(jī)金屬零件維修中取得了較為成功的運(yùn)用。在成形過程中，仍然存在塌邊、表面球化、氣孔以及裂紋等不同尺度缺陷，通過優(yōu)化成形工藝參數(shù)可有效避免缺陷的形成。理清缺陷形成理論原理，突破控形-控性的關(guān)鍵技術(shù)難題，建立合理的成形工藝庫(kù)，對(duì)獲得高質(zhì)量的激光增材修復(fù)效果具有重要意義。

LAR技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)該是智能化、輕量化以及多學(xué)科交叉融合的多元化。進(jìn)一步研發(fā)低成本可通用的填充材料、優(yōu)化工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、研制工業(yè)化裝備以及規(guī)范“修行修性”的質(zhì)檢要求等環(huán)節(jié)，能更有效地助力軍用飛機(jī)維修保障。