增材再制造技術(shù)特點(diǎn)及軍工應(yīng)用

龔勛 魏文華 方藝蒙 李亞?wèn)| 徐濤 田鑫

1增材再制造技術(shù)的特征和優(yōu)勢(shì)

1.1增材再制造的基本內(nèi)涵

數(shù)字化、智能化是當(dāng)今再制造業(yè)的發(fā)展方向。增材再制造是再制造技術(shù)的前沿方向。增材再制造技術(shù)是在缺損三維數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)對(duì)缺損零件進(jìn)行反求建模、離散分層、填充路徑規(guī)劃，進(jìn)而逐層疊加、累積成形，即采用智能控制軟件和適當(dāng)?shù)募す狻㈦娀　⒌入x子等載能束增材工藝逐層堆積，用電場(chǎng)、磁場(chǎng)、超聲波、火焰、電化學(xué)能等能量實(shí)現(xiàn)尺寸恢復(fù)和性能提升的數(shù)字化快速成形方法，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械零部件的再制造過(guò)程。增材再制造技術(shù)可最大限度地挖掘損傷零件所蘊(yùn)含的附加值，避免廢舊零件的直接回爐和再成形等一系列加工中的資源能源消耗和環(huán)境污染[1-2]。

增材再制造技術(shù)本身固有特性使其適用于非對(duì)稱、曲面等結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的再制造，可面向現(xiàn)場(chǎng)多維約束條件下的裝備零部件再制造，尤其適合一些需快速響應(yīng)、成本不是主要考慮因素的場(chǎng)合，如裝備零件的現(xiàn)場(chǎng)搶修，大型零部件或難拆卸部件的在線在位再制造等。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于車輛、艦船、重載機(jī)械、能源化工、航空航天等領(lǐng)域[3]。

1.2增材再制造與增材制造的區(qū)別

如表1所示，與增材制造相比，二者雖均采用材料逐層堆積的方式進(jìn)行零件的加工，增材再制造是在損傷零部件基礎(chǔ)上進(jìn)行的增材修復(fù)活動(dòng)，需契合廢舊零件因失效形式、零件結(jié)構(gòu)、基體材質(zhì)、性能需求等不同而產(chǎn)生的個(gè)性化修復(fù)需求，從而導(dǎo)致其與增材制造工藝流程也具有明顯的區(qū)別。

再制造屬于先進(jìn)制造、綠色制造，與增材制造相比，增材再制造面向服役階段的零部件因其多樣化、個(gè)性化和復(fù)雜化需求，使其更具挑戰(zhàn)性，表現(xiàn)在前期處理更繁瑣、成形過(guò)程更復(fù)雜、質(zhì)量控制更困難，制造過(guò)程更加柔性，對(duì)智能控制的精度和穩(wěn)定性提出了更高要求。因此增材修復(fù)成形過(guò)程所需科技含量更高，更要體現(xiàn)出技術(shù)上的先進(jìn)性。

2增材再制造在軍工方面的應(yīng)用情況

世界許多國(guó)家如美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、日本等大型機(jī)械設(shè)備擁有量較多的國(guó)家，都對(duì)再制造工程技術(shù)高度重視。增材再制造技術(shù)因其高度柔性及快速性特點(diǎn)十分符合現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中快速精確保障的要求。利用先進(jìn)的增材再制造技術(shù)對(duì)損傷裝備零部件進(jìn)行修復(fù)，可提高裝備的維修能力。美國(guó)軍隊(duì)是目前世界上最大的再制造受益者。自20世紀(jì)起，航空航天方面，美國(guó)軍方就采用各種技術(shù)對(duì)轟炸機(jī)、阿帕奇直升機(jī)及坦克等裝備進(jìn)行了再制造。如對(duì)軍用直升機(jī)上破損的鈦合金構(gòu)件進(jìn)行再制造修復(fù)，比直接更換新構(gòu)件可節(jié)省2～6萬(wàn)美元；采用LENS技術(shù)再制造修復(fù)一個(gè)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)比采用傳統(tǒng)方法修復(fù)大約可以節(jié)省10多萬(wàn)美元，并且再制造部分的材料耐磨性能優(yōu)于原始材料還可以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。再如對(duì)F119戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)保護(hù)罩進(jìn)行再制造修復(fù)，每年用激光熔覆增材制造技術(shù)修復(fù)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片高達(dá)上萬(wàn)個(gè)，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。陸軍裝備方面，美國(guó)搭建了基于LENS增材再制造技術(shù)的軍械修復(fù)系統(tǒng)，用于Abrams M1坦克燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的再制造修復(fù)，主要包括轉(zhuǎn)子、密封轉(zhuǎn)輪、間隔壓氣機(jī)、導(dǎo)向器葉片、壓氣機(jī)定子、壓氣機(jī)葉片等[3-5]。

我軍支持采用多種表面工程新技術(shù)修復(fù)損傷軍工裝備零部件，并組織了大規(guī)模多批次的考核驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)通過(guò)再制造技術(shù)創(chuàng)新和綜合運(yùn)用，解決了大量裝備維修保障和應(yīng)急搶修難題，如金屬粉末激光成形增材再制造技術(shù)研究已成功應(yīng)用于某主戰(zhàn)機(jī)種發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器、艦船螺旋槳葉片的再制造修復(fù)。采用基于激光的增材制造技術(shù)加等離子噴涂技術(shù)對(duì)煙氣輪機(jī)葉片實(shí)施再制造修復(fù)，收到較好的效果[4-5]。目前增材再制造移動(dòng)方艙已列為航母保障系統(tǒng)，加強(qiáng)了遠(yuǎn)洋艦艇的維修保障能力。創(chuàng)新應(yīng)用電刷鍍技術(shù)攻克了納米顆粒在鍍液中的分散及穩(wěn)定懸浮難題，成功解決了戰(zhàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫磨損失效的維修保障難題。再如應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)解決了坦克薄壁磨損零件的修復(fù)難題，修復(fù)后坦克零部件的相對(duì)耐磨性比新品還有提高，而成本僅為新品的1/8。應(yīng)用電弧噴涂防腐技術(shù)實(shí)現(xiàn)了涂層的自封閉，顯著提高了裝備鋼結(jié)構(gòu)的防腐性能，并廣泛應(yīng)用于海軍艦艇和“遠(yuǎn)望”號(hào)航天測(cè)量船的鋼結(jié)構(gòu)防腐，將海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)耐蝕壽命由平均4～5年延長(zhǎng)到15年[6]。由此可見(jiàn)，構(gòu)建符合我軍特色的軍工裝備零部件再制造修復(fù)技術(shù)體系，為延長(zhǎng)軍工裝備服役壽命、實(shí)現(xiàn)裝備升級(jí)換代提供了重要技術(shù)支撐，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。

3增材再制造相關(guān)工藝流程

3.1再制造流程

增材再制造是以廢舊產(chǎn)品作為生產(chǎn)毛坯，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，流程包括回收、拆解、清洗、檢測(cè)、壽命評(píng)估、修復(fù)、組裝等過(guò)程，其中損傷修復(fù)是再制造的核心過(guò)程，該過(guò)程依托先進(jìn)的再制造技術(shù)恢復(fù)零件的外形尺寸和服役性能[7]。

開展增材修復(fù)過(guò)程中，首先利用三維掃描儀對(duì)損傷零件進(jìn)行掃描，獲取損傷零件的數(shù)字化模型，然后對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行處理，進(jìn)而生成缺損零件CAD模型，并通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行比對(duì)，生成再制造修復(fù)模型；接下來(lái)對(duì)再制造模型進(jìn)行分層路徑規(guī)劃處理，最后3D打印系統(tǒng)依規(guī)劃路徑對(duì)損傷零件進(jìn)行再制造修復(fù)[5-6]。工藝上要根據(jù)零件的使役性能要求進(jìn)行失效機(jī)理分析，推演出增材再制造零件應(yīng)具有的理化力學(xué)特性，進(jìn)而判斷出待增材修復(fù)部位應(yīng)具有的組織結(jié)構(gòu)和材料成分，并選用合適的載能束加工工藝。這是一個(gè)由零件使役性能向理化力學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)、材料組分和增材加工工藝逆向推演的過(guò)程[2]。

近年來(lái)我國(guó)在缺損零件的反求建模、焊道評(píng)價(jià)、成形材料開發(fā)、三維體積損傷零件再制造、自動(dòng)化等方面均取得了進(jìn)展。光機(jī)電一體化的增材再制造智能化熔敷成形系統(tǒng)集中整合了材料科學(xué)、信息科學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)械工程及其他一些支撐技術(shù)，可滿足損傷零件因失效形式、 結(jié)構(gòu)、性能要求等不同而產(chǎn)生的多樣化和個(gè)性化修復(fù)需求，以較低的成本對(duì)幾千克至幾噸的大型零部件進(jìn)行增材再制造。

3.2電弧熔敷成形技術(shù)

電弧增材再制造是根據(jù)離散堆積原理，利用電弧作為載能束，使金屬絲材加熱熔化，在由缺損數(shù)據(jù)模型生成的路徑規(guī)劃程序驅(qū)動(dòng)下，點(diǎn)—線—面—體累加成形，使缺損零件恢復(fù)尺寸形貌和性能的先進(jìn)制造技術(shù)[8]。電弧熔敷成形技術(shù)因在熔滴尺寸、熔滴的熱物理和動(dòng)力學(xué)狀態(tài)、熔滴過(guò)渡以及脈沖波形等方面具有潛在的可控性等特點(diǎn)而較具代表性，同時(shí)克服了激光、電子束等熔敷成形技術(shù)的設(shè)備昂貴、體積龐大等不足，已成為低成本金屬零部件快速制造的國(guó)際研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外此方面的研究工作主要涉及熱輸入和零件精度控制、零件測(cè)量建模和修復(fù)程序生成、工藝控制等方面，研究基礎(chǔ)逐漸鞏固，技術(shù)發(fā)展日益成熟。

3.3激光熔覆技術(shù)

激光增材再制造是近幾年新興的一種零部件修復(fù)再造技術(shù)，具有高精度、高智能化、熱損傷小、成本低等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)諸多領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，尤其對(duì)于磨損、裂紋等原因造成局部損傷的高附加值零部件，可以采用此方法進(jìn)行再制造。

目前激光增材修復(fù)的研究主要集中在鈦合金、結(jié)構(gòu)鋼、奧氏體不銹鋼等損傷零部件的修復(fù)上。TC6鈦合金廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，TC6鈦合金結(jié)構(gòu)件屬于關(guān)鍵承力件，在使用過(guò)程中存在表面腐蝕、劃傷、裂紋等缺陷，但其價(jià)格貴，采用換新修理成本高、采購(gòu)周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，而激光熔覆具有能量密度高、掃描速度快、熱影響區(qū)小、增材變形小、熔覆層稀釋率低、熔池凈化效應(yīng)明顯等優(yōu)點(diǎn)[9]，在表面強(qiáng)化方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。激光熔覆再制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、礦山機(jī)械、石油冶金等行業(yè)。例如對(duì)航空領(lǐng)域飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的修復(fù)，礦山刮板輸送機(jī)鏈輪、液壓支架液壓缸體的修復(fù)，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域農(nóng)耕刀具的修復(fù)、鍍層等均取得良好的效果。航海輪船發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)曲軸進(jìn)行修復(fù)再造，熔層與基體冶金結(jié)合良好，熔層硬度顯著優(yōu)于基體硬度。對(duì)鐵軌損傷部位進(jìn)行再制造修復(fù)，修復(fù)后的熔層表面強(qiáng)度和硬度均超過(guò)了原有基材力學(xué)性能[9-11]。選擇 NiCrMo合金進(jìn)行激光增材再制造對(duì)動(dòng)車組列車車軸進(jìn)行修復(fù)，其抗疲勞性能正在進(jìn)一步研究中[12]。

4軍工裝備修理增材再制造應(yīng)用案例

如表2所示，在軍工裝備修理領(lǐng)域采用的增材再制造技術(shù)根據(jù)其損傷和特點(diǎn)技術(shù)不盡相同，除了激光熔覆焊，還有熱噴涂和3D打印等。

增材再制造修復(fù)技術(shù)在飛機(jī)大修中也有重要價(jià)值。飛機(jī)金屬構(gòu)件常見(jiàn)故障模式可分腐蝕類、磨損類、變形類以及裂紋類等，可根據(jù)構(gòu)件基體材料和不同失效模式的修復(fù)目標(biāo)確定修復(fù)用材料或表面涂鍍層。目前進(jìn)入實(shí)用階段的先進(jìn)再制造技術(shù)種類有高速電弧噴涂技術(shù)、微納米等離子噴涂技術(shù)、納米復(fù)合電刷涂技術(shù)、微納米表面損傷自修復(fù)技術(shù)、特形面的微脈沖冷焊技術(shù)、激光再制造技術(shù)、再制造毛坯快速成形技術(shù)、冷噴涂技術(shù)、特種加工技術(shù)等[7-9]。增材再制造技術(shù)能夠有效解決航空產(chǎn)品修理過(guò)程中的難題。相比汽車行業(yè)，大多數(shù)航天再制造應(yīng)用更適合目前增材再制造的價(jià)值主張。

5增材再制造技術(shù)前景展望

5.1開展材料集約化設(shè)計(jì)與制備的研究

由于增材再制造生產(chǎn)對(duì)象具有種類繁多、材質(zhì)各異的特點(diǎn)，零件的損傷往往具有復(fù)雜性、突發(fā)性和隨機(jī)性，再綜合考慮損傷零件快速修復(fù)的時(shí)效性與經(jīng)濟(jì)性等因素，工程實(shí)際中很難保證與損傷零件材料的完全同質(zhì)匹配。提高再制造軟件系統(tǒng)的集成度和自動(dòng)化程度，以提高裝備損傷零部件增材再制造的響應(yīng)速度[10]。同時(shí)開展增材再制造材料集約化設(shè)計(jì)與制備的研究，以少數(shù)廣譜集約化材料對(duì)不同材質(zhì)的損傷零件進(jìn)行增材再制造。目前，已有公司推出正逆向混合設(shè)計(jì)軟件，向高集成度再制造軟件系統(tǒng)邁進(jìn)了一步。

5.2開展精確現(xiàn)場(chǎng)保障要求

戰(zhàn)場(chǎng)裝備維修要求保障靈活、準(zhǔn)確、及時(shí)，以實(shí)現(xiàn)裝備戰(zhàn)斗力的快速生成。軍工上要突破戰(zhàn)損零件和裝備備件智能搶修、現(xiàn)場(chǎng)增材再制造技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)裝備作戰(zhàn)性能快速恢復(fù)和戰(zhàn)斗力再生。例如，美國(guó)為戰(zhàn)場(chǎng)人員研發(fā)了一款質(zhì)量小、價(jià)格低的3D打印機(jī)，該機(jī)可以放在作戰(zhàn)人員的背包中并在戰(zhàn)場(chǎng)上使用[5]。

5.3充分利用物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)

將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)與再制造回收、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等各環(huán)節(jié)融合，構(gòu)建再制造智能物流體系，研發(fā)再制造智能生產(chǎn)成套技術(shù)與裝備，推動(dòng)形成再制造產(chǎn)品智能營(yíng)銷網(wǎng)絡(luò)[6]。例如美國(guó)開發(fā)出一種新型3D打印技術(shù)，能夠幫助部署在不同位置的士兵對(duì)裝備（如飛機(jī)、汽車）零部件進(jìn)行遠(yuǎn)程修復(fù)，提高軍事裝備效率并大幅降低維護(hù)成本[4]。目前，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)3D打印服務(wù)平臺(tái)，但關(guān)于遠(yuǎn)程3D打印再制造的信息還尚無(wú)報(bào)道。

5.4實(shí)施軍民融合深度發(fā)展戰(zhàn)略

開展再制造軍民融合創(chuàng)新理論、再制造信息化、技術(shù)可靠性中試、成果軍地雙向轉(zhuǎn)移機(jī)制等，提升裝備整機(jī)升級(jí)性再制造能力和解決兩向裝備全壽命維修保障問(wèn)題。

增材再制造高度契合了國(guó)家推進(jìn)的綠色發(fā)展戰(zhàn)略，已形成巨大的市場(chǎng)需求，近年來(lái)再制造產(chǎn)業(yè)不斷得到國(guó)家政策的支持[13-14]。將增材再制造技術(shù)應(yīng)用于軍工裝備損傷零部件的再制造中，不但可以大幅節(jié)約成本，節(jié)省國(guó)防開支，降低軍隊(duì)裝備備用件的庫(kù)存量，而且對(duì)大幅提升快速精確保障響應(yīng)速度、促進(jìn)戰(zhàn)斗力的再生、改善軍隊(duì)?wèi)?zhàn)備狀態(tài)具有重要的意義。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展與成熟，其在國(guó)防科技中的應(yīng)用前景將更加廣闊，同時(shí)帶來(lái)更高的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院《國(guó)外材料領(lǐng)域國(guó)防實(shí)驗(yàn)室軍民融合發(fā)展策略研究》項(xiàng)目

（作者單位：龔勛，魏文華，葫蘆島市軍民融合和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心；方藝蒙，四川大學(xué)匹茲堡學(xué)院；李亞?wèn)|，大連理工大學(xué)材料學(xué)院；徐濤，田鑫，遼寧伊菲科技股份有限公司）