增材再制造技術特點及軍工應用

龔勛 魏文華 方藝蒙 李亞東 徐濤 田鑫

1增材再制造技術的特征和優(yōu)勢

1.1增材再制造的基本內涵

數(shù)字化、智能化是當今再制造業(yè)的發(fā)展方向。增材再制造是再制造技術的前沿方向。增材再制造技術是在缺損三維數(shù)據(jù)模型驅動下，通過對缺損零件進行反求建模、離散分層、填充路徑規(guī)劃，進而逐層疊加、累積成形，即采用智能控制軟件和適當?shù)募す?、電弧、等離子等載能束增材工藝逐層堆積，用電場、磁場、超聲波、火焰、電化學能等能量實現(xiàn)尺寸恢復和性能提升的數(shù)字化快速成形方法，從而實現(xiàn)機械零部件的再制造過程。增材再制造技術可最大限度地挖掘損傷零件所蘊含的附加值，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]。

增材再制造技術本身固有特性使其適用于非對稱、曲面等結構復雜零件的再制造，可面向現(xiàn)場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、成本不是主要考慮因素的場合，如裝備零件的現(xiàn)場搶修，大型零部件或難拆卸部件的在線在位再制造等?，F(xiàn)已廣泛應用于車輛、艦船、重載機械、能源化工、航空航天等領域[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行零件的加工，增材再制造是在損傷零部件基礎上進行的增材修復活動，需契合廢舊零件因失效形式、零件結構、基體材質、性能需求等不同而產(chǎn)生的個性化修復需求，從而導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、個性化和復雜化需求，使其更具挑戰(zhàn)性，表現(xiàn)在前期處理更繁瑣、成形過程更復雜、質量控制更困難，制造過程更加柔性，對智能控制的精度和穩(wěn)定性提出了更高要求。因此增材修復成形過程所需科技含量更高，更要體現(xiàn)出技術上的先進性。

2增材再制造在軍工方面的應用情況

世界許多國家如美國、俄羅斯、德國、日本等大型機械設備擁有量較多的國家，都對再制造工程技術高度重視。增材再制造技術因其高度柔性及快速性特點十分符合現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中快速精確保障的要求。利用先進的增材再制造技術對損傷裝備零部件進行修復，可提高裝備的維修能力。美國軍隊是目前世界上最大的再制造受益者。自20世紀起，航空航天方面，美國軍方就采用各種技術對轟炸機、阿帕奇直升機及坦克等裝備進行了再制造。如對軍用直升機上破損的鈦合金構件進行再制造修復，比直接更換新構件可節(jié)省2～6萬美元；采用LENS技術再制造修復一個直升機發(fā)動機比采用傳統(tǒng)方法修復大約可以節(jié)省10多萬美元，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發(fā)動機的使用壽命。再如對F119戰(zhàn)斗機的發(fā)動機風機保護罩進行再制造修復，每年用激光熔覆增材制造技術修復的發(fā)動機葉片高達上萬個，經(jīng)濟效益相當可觀。陸軍裝備方面，美國搭建了基于LENS增材再制造技術的軍械修復系統(tǒng)，用于Abrams M1坦克燃氣渦輪發(fā)動機零部件的再制造修復，主要包括轉子、密封轉輪、間隔壓氣機、導向器葉片、壓氣機定子、壓氣機葉片等[3-5]。

我軍支持采用多種表面工程新技術修復損傷軍工裝備零部件，并組織了大規(guī)模多批次的考核驗證。國內通過再制造技術創(chuàng)新和綜合運用，解決了大量裝備維修保障和應急搶修難題，如金屬粉末激光成形增材再制造技術研究已成功應用于某主戰(zhàn)機種發(fā)動機渦輪導向器、艦船螺旋槳葉片的再制造修復。采用基于激光的增材制造技術加等離子噴涂技術對煙氣輪機葉片實施再制造修復，收到較好的效果[4-5]。目前增材再制造移動方艙已列為航母保障系統(tǒng)，加強了遠洋艦艇的維修保障能力。創(chuàng)新應用電刷鍍技術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)機發(fā)動機高溫磨損失效的維修保障難題。再如應用等離子噴涂技術解決了坦克薄壁磨損零件的修復難題，修復后坦克零部件的相對耐磨性比新品還有提高，而成本僅為新品的1/8。應用電弧噴涂防腐技術實現(xiàn)了涂層的自封閉，顯著提高了裝備鋼結構的防腐性能，并廣泛應用于海軍艦艇和“遠望”號航天測量船的鋼結構防腐，將海洋環(huán)境下鋼結構耐蝕壽命由平均4～5年延長到15年[6]。由此可見，構建符合我軍特色的軍工裝備零部件再制造修復技術體系，為延長軍工裝備服役壽命、實現(xiàn)裝備升級換代提供了重要技術支撐，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和軍事效益。

3增材再制造相關工藝流程

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，是一項復雜的系統(tǒng)工程，流程包括回收、拆解、清洗、檢測、壽命評估、修復、組裝等過程，其中損傷修復是再制造的核心過程，該過程依托先進的再制造技術恢復零件的外形尺寸和服役性能[7]。

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

近年來我國在缺損零件的反求建模、焊道評價、成形材料開發(fā)、三維體積損傷零件再制造、自動化等方面均取得了進展。光機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、信息科學、自動化技術、機械工程及其他一些支撐技術，可滿足損傷零件因失效形式、 結構、性能要求等不同而產(chǎn)生的多樣化和個性化修復需求，以較低的成本對幾千克至幾噸的大型零部件進行增材再制造。

3.2電弧熔敷成形技術

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)劃程序驅動下，點—線—面—體累加成形，使缺損零件恢復尺寸形貌和性能的先進制造技術[8]。電弧熔敷成形技術因在熔滴尺寸、熔滴的熱物理和動力學狀態(tài)、熔滴過渡以及脈沖波形等方面具有潛在的可控性等特點而較具代表性，同時克服了激光、電子束等熔敷成形技術的設備昂貴、體積龐大等不足，已成為低成本金屬零部件快速制造的國際研究熱點。國內外此方面的研究工作主要涉及熱輸入和零件精度控制、零件測量建模和修復程序生成、工藝控制等方面，研究基礎逐漸鞏固，技術發(fā)展日益成熟。

3.3激光熔覆技術

激光增材再制造是近幾年新興的一種零部件修復再造技術，具有高精度、高智能化、熱損傷小、成本低等特點，在國內諸多領域有著相當廣泛的應用，尤其對于磨損、裂紋等原因造成局部損傷的高附加值零部件，可以采用此方法進行再制造。

目前激光增材修復的研究主要集中在鈦合金、結構鋼、奧氏體不銹鋼等損傷零部件的修復上。TC6鈦合金廣泛應用于航空領域，TC6鈦合金結構件屬于關鍵承力件，在使用過程中存在表面腐蝕、劃傷、裂紋等缺陷，但其價格貴，采用換新修理成本高、采購周期長，嚴重影響生產(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、熔池凈化效應明顯等優(yōu)點[9]，在表面強化方面具有非常明顯的優(yōu)勢。激光熔覆再制造技術已廣泛應用于航空航天、礦山機械、石油冶金等行業(yè)。例如對航空領域飛機發(fā)動機葉片的修復，礦山刮板輸送機鏈輪、液壓支架液壓缸體的修復，農(nóng)業(yè)領域農(nóng)耕刀具的修復、鍍層等均取得良好的效果。航海輪船發(fā)動機對曲軸進行修復再造，熔層與基體冶金結合良好，熔層硬度顯著優(yōu)于基體硬度。對鐵軌損傷部位進行再制造修復，修復后的熔層表面強度和硬度均超過了原有基材力學性能[9-11]。選擇 NiCrMo合金進行激光增材再制造對動車組列車車軸進行修復，其抗疲勞性能正在進一步研究中[12]。

4軍工裝備修理增材再制造應用案例

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

增材再制造修復技術在飛機大修中也有重要價值。飛機金屬構件常見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)構件基體材料和不同失效模式的修復目標確定修復用材料或表面涂鍍層。目前進入實用階段的先進再制造技術種類有高速電弧噴涂技術、微納米等離子噴涂技術、納米復合電刷涂技術、微納米表面損傷自修復技術、特形面的微脈沖冷焊技術、激光再制造技術、再制造毛坯快速成形技術、冷噴涂技術、特種加工技術等[7-9]。增材再制造技術能夠有效解決航空產(chǎn)品修理過程中的難題。相比汽車行業(yè)，大多數(shù)航天再制造應用更適合目前增材再制造的價值主張。

5增材再制造技術前景展望

5.1開展材料集約化設計與制備的研究

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

5.2開展精確現(xiàn)場保障要求

戰(zhàn)場裝備維修要求保障靈活、準確、及時，以實現(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)場增材再制造技術瓶頸，實現(xiàn)裝備作戰(zhàn)性能快速恢復和戰(zhàn)斗力再生。例如，美國為戰(zhàn)場人員研發(fā)了一款質量小、價格低的3D打印機，該機可以放在作戰(zhàn)人員的背包中并在戰(zhàn)場上使用[5]。

5.3充分利用物聯(lián)網(wǎng)和5G技術

將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術與再制造回收、生產(chǎn)、管理、服務等各環(huán)節(jié)融合，構建再制造智能物流體系，研發(fā)再制造智能生產(chǎn)成套技術與裝備，推動形成再制造產(chǎn)品智能營銷網(wǎng)絡[6]。例如美國開發(fā)出一種新型3D打印技術，能夠幫助部署在不同位置的士兵對裝備（如飛機、汽車）零部件進行遠程修復，提高軍事裝備效率并大幅降低維護成本[4]。目前，國內已出現(xiàn)專業(yè)的網(wǎng)絡3D打印服務平臺，但關于遠程3D打印再制造的信息還尚無報道。

5.4實施軍民融合深度發(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、技術可靠性中試、成果軍地雙向轉移機制等，提升裝備整機升級性再制造能力和解決兩向裝備全壽命維修保障問題。

增材再制造高度契合了國家推進的綠色發(fā)展戰(zhàn)略，已形成巨大的市場需求，近年來再制造產(chǎn)業(yè)不斷得到國家政策的支持[13-14]。將增材再制造技術應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)省國防開支，降低軍隊裝備備用件的庫存量，而且對大幅提升快速精確保障響應速度、促進戰(zhàn)斗力的再生、改善軍隊戰(zhàn)備狀態(tài)具有重要的意義。隨著增材制造技術的發(fā)展與成熟，其在國防科技中的應用前景將更加廣闊，同時帶來更高的軍事效益和經(jīng)濟效益。

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[13]中華人民共和國國務院.國務院關于印發(fā)《中國制造2025》的通知[Z].2015-05-08.

[14]工業(yè)和信息化部.工業(yè)和信息化部關于印發(fā)《高端智能再制造行動計劃 （2018-2020年）》的通知[Z].2017-11-09.

基金項目：中國船舶工業(yè)綜合技術經(jīng)濟研究院《國外材料領域國防實驗室軍民融合發(fā)展策略研究》項目

（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，四川大學匹茲堡學院；李亞東，大連理工大學材料學院；徐濤，田鑫，遼寧伊菲科技股份有限公司）