激光修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展綜述及其在核電領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析

周 鼎，姚 迪，羅家成，唐 鵬，孫 磊

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041

0 前言

核能是當(dāng)前清潔能源發(fā)展中非常重要的組成部分，我國(guó)也正在第三代核電技術(shù)的基礎(chǔ)上積極開展第四代先進(jìn)核電技術(shù)的研發(fā)［1］。由于反應(yīng)堆長(zhǎng)期面臨嚴(yán)苛的服役環(huán)境，其內(nèi)部將不可避免地出現(xiàn)材料退化和結(jié)構(gòu)損傷，從而直接威脅反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)完整性和運(yùn)行安全［2-3］。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)技術(shù)工序復(fù)雜、修復(fù)周期長(zhǎng)，且大部分結(jié)構(gòu)缺陷的修復(fù)還需要經(jīng)歷多重評(píng)估、修復(fù)和檢測(cè)工序，導(dǎo)致維修的人力和經(jīng)濟(jì)成本激增。因此，亟待研發(fā)快速、高效、精準(zhǔn)的焊縫裂紋修復(fù)技術(shù)。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，具有較好的方向性與相干性的激光在各領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，例如激光焊接、切割、雕刻、表面處理、表面修復(fù)等。激光修復(fù)技術(shù)利用高能激光對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行修復(fù)，既適用于精密微細(xì)修復(fù)又適于大型結(jié)構(gòu)修復(fù)，修復(fù)速度快、效率高，能耗低，對(duì)工件的熱量輸入小、引起的熱變形小。激光修復(fù)技術(shù)能夠規(guī)避傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)結(jié)合力弱、修復(fù)區(qū)域難以精確控制等缺點(diǎn)，獲得良好的組織和性能；同時(shí)能克服對(duì)零件復(fù)雜程度和修復(fù)層厚度的限制。此外，由于激光的焦距和光斑可調(diào)，可通過調(diào)節(jié)激光能量對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行定制化修復(fù)；也可通過機(jī)器人編程生成修復(fù)路徑，修復(fù)自動(dòng)化程度高、時(shí)間短、效率高，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷智能化、數(shù)字化、定制化修復(fù)。因此，激光修復(fù)技術(shù)正逐漸成為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)損傷快速修復(fù)的潛在解決方案。

文中針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外激光修復(fù)技術(shù)研究、技術(shù)應(yīng)用以及現(xiàn)有修復(fù)裝置開展了調(diào)研，并結(jié)合反應(yīng)堆設(shè)備結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)和損傷特征，分析了激光修復(fù)技術(shù)在核電領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 激光修復(fù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)60年代Maiman發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器以來，具有較好方向性與相干性的激光在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，激光焊接、切割、表面處理等加工工藝應(yīng)運(yùn)而生。在激光修復(fù)領(lǐng)域，激光熔凝、激光熔覆以及激光增材是目前最為常見的修復(fù)技術(shù)［1］。

1.1 激光熔凝修復(fù)技術(shù)

激光表面熔凝修復(fù)是利用高能激光束照射金屬表面，使得表面溫度迅速升高并熔化，停止照射后被照射區(qū)域迅速降溫而凝固，在快速熔凝的過程中使裂紋得以愈合。當(dāng)前，激光熔凝技術(shù)多用于材料表面改性，例如對(duì)Zr-1Nb核燃料包殼組織和性能進(jìn)行提升［2］。在結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)應(yīng)用方面，該修復(fù)工藝操作方便，通過調(diào)節(jié)激光光斑大小可控制修復(fù)區(qū)的面積，修復(fù)小尺寸裂紋。高樺等［3］通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了激光熔凝修復(fù)可以有效修復(fù)微小裂紋、阻止裂紋擴(kuò)展。高健等［4］采用激光熔凝修復(fù)技術(shù)對(duì)硬質(zhì)合金表面缺陷進(jìn)行了修復(fù)，研究了修復(fù)后合金組織形態(tài)和摩擦磨損性能。但是對(duì)于尺寸較大的裂紋，基體熔化的金屬液可能無法將裂紋充滿，修復(fù)效果不明顯。

1.2 激光熔覆修復(fù)技術(shù)

激光熔覆修復(fù)技術(shù)是1970年代提出的材料結(jié)構(gòu)修復(fù)新技術(shù)，也是材料表面改性的一項(xiàng)重要技術(shù)。該技術(shù)是利用高能量激光束使得合金粉末與基體材料迅速熔化，冷卻后在基體表面形成一層復(fù)合涂層，以補(bǔ)償基體材料的性能不足或修復(fù)含缺陷的結(jié)構(gòu)［5］。激光熔覆修復(fù)技術(shù)具有基體與粉末結(jié)合強(qiáng)度高、熱影響區(qū)小、修復(fù)成本低等特點(diǎn)，并表現(xiàn)出較好的抗熱疲勞性能、耐磨耐腐蝕性及抗載荷沖擊能力。由于激光的焦距和光斑可調(diào)，可精準(zhǔn)控制激光功率和修復(fù)區(qū)域大?。?］。當(dāng)前，激光熔覆修復(fù)技術(shù)已應(yīng)用于機(jī)械制造與維修、航空航天、化工、軍工等多個(gè)領(lǐng)域。

1.3 激光增材修復(fù)技術(shù)

增材制造（3D打?。┘夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了三維零件的降維成形，能夠進(jìn)行任意復(fù)雜形狀零件的快速化、智能化和柔性化制造［7］。近年來，結(jié)合了激光修復(fù)技術(shù)和增材制造理念的激光增材修復(fù)（laser additive re‐pairing，LAR）技術(shù)已逐步應(yīng)用于修復(fù)結(jié)構(gòu)損傷組件，尤其是在復(fù)雜部件的材料沉積、部件表面改性、修復(fù)服役磨損部件以及零件再制造等方面具有許多優(yōu)勢(shì)［8］。

由于激光熔凝技術(shù)研究相對(duì)較少，本文著重對(duì)激光熔覆修復(fù)和增材修復(fù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

2 激光熔覆修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 激光熔覆修復(fù)技術(shù)研究

當(dāng)前，針對(duì)不同的功能材料，各研究機(jī)構(gòu)開展了大量的激光熔覆修復(fù)技術(shù)研究。瑞士洛桑理工學(xué)院Gaumann等［9-10］研究了激光快速修復(fù)高溫合金單晶葉片修復(fù)，西北工業(yè)大學(xué)［11-12］對(duì)飛機(jī)鈦合金零件的激光快速修復(fù)進(jìn)行了較為全面的研究。中航工業(yè)沈飛［13］在激光熔覆修復(fù)鈦合金試樣表面缺陷的基礎(chǔ)上，開展了修復(fù)層微觀形貌和硬度分析以及拉伸試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)研究。榮鵬等［14］研究了激光熔覆修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片鎳基單晶材料時(shí)激光熔池內(nèi)晶體形成過程。韓秀峰等［15］針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)TA19鈦合金整體葉盤的損傷修復(fù)需求，開展了激光熔覆修復(fù)技術(shù)工藝研究，對(duì)修復(fù)區(qū)域顯微組織、顯微硬度、拉伸性能、疲勞性能進(jìn)行了測(cè)試與分析，并與TA19鈦合金鍛件及激光直接沉積試樣進(jìn)行了對(duì)比。叢大龍［16］研究了TC11鈦合金壓氣機(jī)整體葉片盤修復(fù)時(shí)熔覆層外形尺寸控制、沉積材料及界面熱影響區(qū)組織性能控制等基礎(chǔ)問題。郄喜望等［17］分析了ZTC4激光熔覆修復(fù)過程中，不同修復(fù)光斑直徑下試樣斷裂位置和失效模式的變化。此外，國(guó)內(nèi)外不同研究機(jī)構(gòu)也針對(duì)激光熔覆修復(fù)不銹鋼［18-19］、模具鋼［6］、鋁合金［20］、高溫合金［21］等功能材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。

針對(duì)激光熔覆修復(fù)后修復(fù)區(qū)域的力學(xué)特性，殷克平［22］通過數(shù)值模擬分析了激光修復(fù)熱響應(yīng)與修復(fù)區(qū)微裂紋的關(guān)系，明確了溫度梯度、溫度變化率和修復(fù)區(qū)內(nèi)殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)對(duì)修復(fù)區(qū)微裂的影響規(guī)律。郭風(fēng)雷［23］以含裂紋304不銹鋼為研究對(duì)象，先后建立了激光修復(fù)過程中的溫度場(chǎng)分析模型和修復(fù)完成后的應(yīng)力場(chǎng)分析模型，運(yùn)用J積分評(píng)估了不同修復(fù)參數(shù)下的修復(fù)效能。宮新勇［24］通過有限元數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)修復(fù)過程的溫度場(chǎng)模擬、激光沉積鈦合金組織形成特征、磁場(chǎng)調(diào)控組織和力學(xué)性能控制技術(shù)等進(jìn)行了分析探討。田應(yīng)濤［25］開展了激光重熔修復(fù)鎳基合金微裂紋應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)值模擬。

2.2 激光熔覆修復(fù)技術(shù)應(yīng)用

激光修復(fù)技術(shù)在縮短結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)周期方面的應(yīng)用取得了顯著突破。美國(guó)AeroMet公司引入激光修復(fù)技術(shù)將F15戰(zhàn)斗機(jī)中鈦合金機(jī)翼梁的檢修周期縮短為1周（見圖1a）［26］。相應(yīng)的修復(fù)研究報(bào)告［26］詳細(xì)對(duì)比了激光修復(fù)與傳統(tǒng)鍛造、鑄造工藝對(duì)結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)的處置時(shí)間、熱處理時(shí)間、變形程度的差異，發(fā)現(xiàn)激光修復(fù)極大地縮短了修復(fù)時(shí)長(zhǎng)且引起的熱變形很小。美國(guó)Optomec Design公司將激光成型技術(shù)應(yīng)用于美國(guó)艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的磨損修復(fù)，實(shí)現(xiàn)了已失效零件的快速、低成本再制造，將原來所需數(shù)月的修復(fù)時(shí)間縮短為2周［27］。寶武裝備智能公司實(shí)現(xiàn)了熱軋粗軋萬向軸的就地修復(fù)，將修復(fù)周期縮短至7天［28］。進(jìn)一步對(duì)激光熔覆后修復(fù)區(qū)域的硬度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，硬度均在32～34 HRC范圍內(nèi)，這表明激光熔覆修復(fù)區(qū)域性能較為穩(wěn)定。此外，修復(fù)成本將為新品的50%左右，修復(fù)后使用壽命上與新品基本相同，顯示出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

激光修復(fù)技術(shù)在就地、在線修復(fù)方面也得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在鐵路領(lǐng)域。中車青島四方車輛研究所采用8620級(jí)鋼粉為修復(fù)粉末材料對(duì)列車鉤緩裝置進(jìn)行了激光修復(fù)；修復(fù)工藝研究表明隨著激光功率的增大修復(fù)區(qū)域硬度總體增大，掃描速率的增大導(dǎo)致晶粒細(xì)化［29］。吉林大學(xué)分別對(duì)車體側(cè)墻不銹鋼［30］和鐵制動(dòng)盤熱疲勞裂紋［1］進(jìn)行了修復(fù)。北京石油化工學(xué)院利用激光熔覆修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鐵路軌道的在軌快速修復(fù)，并通過研究基材與熔覆層、結(jié)合界面層等不同區(qū)域熱處理前/后的微觀組織、表面硬度和力學(xué)性能變化關(guān)系，獲得了優(yōu)化的修復(fù)工藝參數(shù)［31］。此外，長(zhǎng)江電力檢修廠采用鈷基耐蝕耐磨材料開展了水輪機(jī)過流部件的現(xiàn)場(chǎng)激光熔覆修復(fù)，修復(fù)后檢測(cè)表明，熔覆層與基體呈良好的冶金結(jié)合，耐蝕、耐磨性大幅度提高［32］。大連理工大學(xué)利用激光熔覆技術(shù)對(duì)齒輪齒面缺陷進(jìn)行了修復(fù)（見圖1b），并基于齒廓加工原理建立了齒面缺陷激光修復(fù)幾何數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了修復(fù)路徑數(shù)字化控制［33］。

圖1 激光熔覆修復(fù)技術(shù)典型應(yīng)用Fig.1 Typical application of laser cladding repair technology

2.3 激光熔覆修復(fù)裝置研發(fā)

湖南工業(yè)大學(xué)運(yùn)用自主組裝的激光熔覆修復(fù)系統(tǒng)完成了燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤修復(fù)技術(shù)研究，考察了激光能量密度對(duì)熔覆層的影響，開展了熔覆路徑規(guī)劃與修復(fù)程序設(shè)計(jì)［5］。其激光修復(fù)系統(tǒng)主要包含激光器、冷卻系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)以及機(jī)器人控制系統(tǒng)（見圖2）。與之類似，吉林大學(xué)激光修復(fù)系統(tǒng)主要由激光器、數(shù)控系統(tǒng)、循環(huán)水冷系統(tǒng)、機(jī)械手、工作臺(tái)構(gòu)成［16］。沈陽航空航天大學(xué)國(guó)防重點(diǎn)科實(shí)驗(yàn)室利用激光修復(fù)系統(tǒng)（見圖3）開展了鈦合金超差結(jié)構(gòu)件修復(fù)技術(shù)及修復(fù)過程中的應(yīng)力集中和變形控制問題研究［33-38］。

圖2 湖南工業(yè)大學(xué)自研激光熔覆修復(fù)系統(tǒng)［5］Fig.2 Self developed laser cladding repair system of Hunan Univer‐sity of Technology［5］

圖3 沈陽航空航天大學(xué)激光修復(fù)系統(tǒng)［38］Fig.3 Laser repair system of Shenyang University ofAeronautics and Astronautics［38］

河北科技大學(xué)設(shè)計(jì)了適應(yīng)零部件現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)工作的激光修復(fù)平臺(tái)，以三軸運(yùn)動(dòng)框架為修復(fù)平臺(tái)作業(yè)區(qū)域，如圖4所示。通過逆向工程技術(shù)輔助，對(duì)渦輪缺陷及坡口形式缺陷零件的缺陷部位三維模型及切片數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，利用激光修復(fù)平臺(tái)完成了缺陷部位的修復(fù)，并對(duì)顯微組織、硬度及無損檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析［39］。

圖4 河北科技大學(xué)自研激光修復(fù)平臺(tái)［39］Fig.4 Self developed laser repair platform of Hebei University of science and technology［39］

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有激光修復(fù)裝置大多是基于數(shù)控系統(tǒng)或者多自由度機(jī)械手臂上的大型裝置，難以滿足便攜性、有限空間作業(yè)等需求。針對(duì)這一問題，大連理工大學(xué)研發(fā)了便攜式金屬表面缺陷修復(fù)實(shí)驗(yàn)裝置，主要適用于空間有限、不便于自動(dòng)化設(shè)備操作以及小批量科研試驗(yàn)的使用等場(chǎng)景［40］，系統(tǒng)搭載了紅外線溫度檢測(cè)系統(tǒng)和視覺裂紋缺陷檢測(cè)元件。為進(jìn)一步提高激光修復(fù)系統(tǒng)的便攜性，設(shè)計(jì)了可攜帶的粉末輸送系統(tǒng)［41］。同時(shí)，開展了裂紋尖端激光修復(fù)后疲勞性能試驗(yàn)和修復(fù)參數(shù)對(duì)裂紋止裂效果的研究，并基于有限元軟件ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā)，建立了裂紋尖端激光修復(fù)效能分析平臺(tái)［42-43］。

3 激光增材修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

近來年，增材制造（3D打印）技術(shù)發(fā)展迅速，結(jié)合激光修復(fù)技術(shù)和增材制造理念的激光增材修復(fù)技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。

3.1 增材制造技術(shù)及激光增材修復(fù)技術(shù)研究

當(dāng)前，增材制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、能源等多個(gè)領(lǐng)域，也逐步應(yīng)用于反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)制造中。中核集團(tuán)完成了CAP1400型燃料組件的管座樣品3D打印，并成功打印了CF3型燃料組件的下管座樣品及鎳基合金格架樣品［44］。中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院與南方增材科技聯(lián)合開展了ACP1000反應(yīng)堆壓力容器增材制造研究，成功打印了我國(guó)首個(gè)小堆壓力容器試件。中廣核利用增材制造技術(shù)成功制造出核電站復(fù)雜流道儀表閥閥體［45］。

在增材制造基礎(chǔ)上發(fā)展起來的激光增材修復(fù)技術(shù)是近年來結(jié)構(gòu)修復(fù)領(lǐng)域新興的研究課題。Oh［46］等研究了激光修復(fù)316L不銹鋼的可行性及修復(fù)后試樣性能，考察了不同加工參數(shù)下修復(fù)區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)、微硬度以及修復(fù)試件拉伸力學(xué)性能。Liu等［47］開展了激光增材修復(fù)4140鋼的技術(shù)可行性研究。西北工業(yè)大學(xué)開展了TC4鈦合金［48］以及K465鎳基高溫合金［49］激光增材修復(fù)技術(shù)研究。應(yīng)俊龍等［50］開展了TC4鈦合金激光增材修復(fù)工藝及性能研究，探究了不同激光功率、掃描速度、送粉速率、搭接率對(duì)修復(fù)表面形貌、抗拉強(qiáng)度的影響。范朝等［51］以棒材為試驗(yàn)對(duì)象，開展了激光增材修復(fù)TC6鈦合金工藝性能研究，討論了激光增材修復(fù)后TC6合金顯微組織形態(tài)。Xu等［52］提出了激光增材一體化修復(fù)Inconel718裂紋方案，通過不同能量激光加工整合了多重修復(fù)工藝（見圖5）：首先利用脈沖激光清理、刻蝕裂紋，再通過高能激光沉積鑄模修復(fù)裂紋，隨后再次利用脈沖激光去除維修區(qū)域多余材料，最終利用高能激光對(duì)修復(fù)區(qū)域表面進(jìn)行打磨拋光。

圖5 激光增材一體化修復(fù)技術(shù)方案［52］Fig.5 Laser additive integrated repair technical scheme［52］

3.2 激光增材修復(fù)技術(shù)應(yīng)用

增材修復(fù)技術(shù)目前已經(jīng)成功應(yīng)用于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)（IGT）刀口密封的修復(fù)、工業(yè)維護(hù)、維修和大修、高級(jí)醫(yī)用植入物結(jié)構(gòu)制造、衛(wèi)星制造和鈦粉末冶金、注塑和壓鑄模具［8］。尤其是在工具結(jié)構(gòu)的就地快速修復(fù)方面，美國(guó)莫斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1998年開展了利用激光熔煉沉積技術(shù)修復(fù)H13工具鋼表面缺陷的技術(shù)探索，為激光增材修復(fù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)［53］。德國(guó)弗朗霍夫研究所Graf等［54］研究了增材修復(fù)技術(shù)在不銹鋼和鈦合金裂紋修復(fù)中的應(yīng)用，指出了裂紋修復(fù)的物理機(jī)理并討論了自動(dòng)修復(fù)技術(shù)的可能性。為解決經(jīng)傳統(tǒng)堆焊技術(shù)修復(fù)的磨損鏈輪精度低和修復(fù)后再失效問題，郭辰光等采用激光增材再制造技術(shù)對(duì)礦用鏈輪鏈窩磨損區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，通過毛坯點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集構(gòu)建磨損域截面樣條曲線，完成鏈窩磨損域三維幾何模型反求重構(gòu)建模，實(shí)現(xiàn)了鏈輪磨損區(qū)域激光增材修復(fù)軌跡代碼的自動(dòng)生成（見圖6）［55］。

圖6 激光增材修復(fù)路徑規(guī)劃［56］Fig.6 Path planning of laser additive repair［56］

此外，在軍事領(lǐng)域，王思明等［56］運(yùn)用激光增材修復(fù)技術(shù)對(duì)導(dǎo)彈艙段進(jìn)行了快速修復(fù)，同時(shí)借助有限元仿真對(duì)艙段裂紋部位進(jìn)行仿真，為激光增材修復(fù)參數(shù)及修復(fù)區(qū)域尺寸確定提供參考。修復(fù)后結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證了有限元仿真輔助增材修復(fù)技術(shù)的可靠性和有效性。針對(duì)大型結(jié)構(gòu)設(shè)備損傷，例如某巨型水電站機(jī)組的推力瓦在檢修期間發(fā)現(xiàn)的侵蝕斑，長(zhǎng)江電力設(shè)計(jì)并優(yōu)化了激光增材修復(fù)方案，完成了推力瓦的高效修復(fù)［57］。優(yōu)化結(jié)果表明，全部去除原瓦面澆注的巴氏合金層，重新在鋼坯上增材熔覆巴氏合金，再機(jī)加工恢復(fù)到要求尺寸的方案修復(fù)效果最優(yōu)，原因在于巴氏合金層與鋼坯結(jié)合強(qiáng)度可靠，脫殼傾向非常??；同時(shí)組織致密會(huì)有效降低氣孔的產(chǎn)生。在激光增材修復(fù)平臺(tái)方面，浙江工業(yè)大學(xué)姚喆赫等［58］搭建了激光修復(fù)試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了鎳基高溫合金V型槽修復(fù)；夏國(guó)俊等［59］基于該平臺(tái)進(jìn)一步開展了增材修復(fù)鎳基合金梯形槽試驗(yàn)研究，分析了增材修復(fù)區(qū)顯微組織結(jié)構(gòu)與物相組成。

4 激光修復(fù)技術(shù)在核電領(lǐng)域應(yīng)用前景

4.1 激光修復(fù)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

雖然激光修復(fù)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，但在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)中的應(yīng)用還相對(duì)較少。1993年，比利時(shí)Doel核電站4號(hào)機(jī)組蒸汽發(fā)生器發(fā)生外徑應(yīng)力腐蝕開裂，應(yīng)用激光技術(shù)焊接的套管性能被證明優(yōu)于原套管，表明激光技術(shù)在核工業(yè)領(lǐng)域同樣具有一定優(yōu)勢(shì)，但是此次維修中還未直接利用激光修復(fù)技術(shù)［60］。中核核電運(yùn)行管理公司針對(duì)核電廠上充泵轉(zhuǎn)子修復(fù)需求，綜合考量了傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)和激光熔覆修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行了修復(fù)，并開展了修復(fù)后尺寸檢查、硬度檢查以及動(dòng)平衡試驗(yàn)檢查［61］。針對(duì)核電廠反應(yīng)堆部件表面修復(fù)，中廣核采用增材修復(fù)技術(shù)修復(fù)閘閥閥桿，將修復(fù)時(shí)長(zhǎng)縮短至48 h（見圖7）［44］。上述初步探索為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)的廣泛應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖7 激光增材修復(fù)閘閥閥桿［44］Fig.7 Repair of gate valve stem by laser additive［44］

4.2 激光修復(fù)技術(shù)應(yīng)用前景分析

反應(yīng)堆運(yùn)行階段的維修活動(dòng)，通常按維修性質(zhì)的不同分為預(yù)防性維修和改正性維修。預(yù)防性維修是按預(yù)定的時(shí)間間隔或規(guī)定的準(zhǔn)則在設(shè)備故障前實(shí)施維修，以降低設(shè)備失效的概率或防止功能退化。改正性維修是設(shè)備發(fā)生故障后，使設(shè)備迅速恢復(fù)到能執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)所實(shí)施的維修［62］。核島一回路主結(jié)構(gòu)設(shè)備均屬于厚壁（120～250 mm）大型設(shè)備，焊接質(zhì)量要求高、修復(fù)時(shí)熱輸入量要求盡量小，采用常規(guī)焊接方法還存在許多不足之處［63］。例如，目前減輕和修復(fù)壓力容器接管嘴和安全端異種金屬焊縫應(yīng)力腐蝕裂紋的方法，主要是在安全端管接頭外表面堆焊一層更抗腐蝕的鎳基合金（Alloy52M）材料［64］，修復(fù)實(shí)施難度大、修復(fù)質(zhì)量不確定性高。針對(duì)管道微裂紋泄漏問題，目前主要采用安裝套管進(jìn)行堵漏［65］，無法一次性解決結(jié)構(gòu)損傷問題，且加裝套管等結(jié)構(gòu)將改變管道固有頻率等力學(xué)特性，可能導(dǎo)致進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)損傷。采用激光修復(fù)技術(shù)不僅能夠控制修復(fù)過程中的熱輸入，還可以減小修復(fù)結(jié)構(gòu)對(duì)原有結(jié)構(gòu)的影響。陳興東等［66］在討論核電汽輪機(jī)部件修復(fù)時(shí)指出，我國(guó)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了常規(guī)焊接方法的主要修復(fù)流程，而常規(guī)焊接技術(shù)往往能量分散，對(duì)母材的熱影響較大，對(duì)于精密部件的修復(fù)往往處于劣勢(shì)。激光熔覆層厚度為0.3～1 mm，熔覆速率可達(dá)15 m/min以上，在大型葉片抗水蝕、高溫端進(jìn)汽管、轉(zhuǎn)子軸頸修復(fù)、水泵泵軸防海水腐蝕等核電關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)備修復(fù)中極具應(yīng)用前景。

Jadot等［67］在鈉冷快堆在役檢測(cè)和維修技術(shù)提升的研究中指出，由于激光技術(shù)適合眾多應(yīng)用場(chǎng)景，包括鈉消除、激光加工、激光焊接和激光修復(fù)，且不會(huì)對(duì)原有結(jié)構(gòu)施加過大的應(yīng)力載荷，未來在反應(yīng)堆修復(fù)領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的前景。Baqué等［68］在鈉冷快堆結(jié)構(gòu)在線修復(fù)技術(shù)研究中認(rèn)為，激光技術(shù)可較好地解決結(jié)構(gòu)修復(fù)過程中附著物剝離、裂紋附近開槽、焊接熔接等三個(gè)關(guān)鍵主要需求，這表明激光修復(fù)技術(shù)的引入可以整合原有修復(fù)方法的多種工序，通過不同能量的激光完成多重功能，從而實(shí)現(xiàn)一體化的修復(fù)過程。

此外，當(dāng)前大量結(jié)構(gòu)損傷難以通過現(xiàn)有規(guī)范或技術(shù)指導(dǎo)文件獲得準(zhǔn)確的修復(fù)方案。例如，某核電機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)管座與耐壓殼焊接后，水壓試驗(yàn)發(fā)生滲漏，但相關(guān)設(shè)計(jì)文件未規(guī)定返修方法，經(jīng)對(duì)比分析多個(gè)修復(fù)方案后最終確定補(bǔ)焊修復(fù)及修復(fù)參數(shù)，修復(fù)流程復(fù)雜繁瑣［69］。反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)完成后，還需要進(jìn)行修復(fù)結(jié)構(gòu)失效分析、壽命預(yù)測(cè)和修復(fù)后的安全可靠性評(píng)估。若能夠生成智能化修復(fù)方案，并基于數(shù)字化修復(fù)工藝參數(shù)開展修復(fù)效能評(píng)估，將極大地縮短修復(fù)周期。

4.3 技術(shù)難點(diǎn)分析

綜上所述，激光修復(fù)技術(shù)在核電領(lǐng)域能夠更好地滿足反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)損傷快速修復(fù)需求。鑒于反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)損傷多為管道焊縫裂紋、小支管開裂或存在于復(fù)雜構(gòu)型設(shè)備，應(yīng)用于核電領(lǐng)域的激光修復(fù)平臺(tái)宜采取便攜式修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡量縮小送粉系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)在狹小空間的可達(dá)性。相比于激光熔覆修復(fù)技術(shù)，激光增材修復(fù)能夠在單一涂層熔覆修復(fù)的基礎(chǔ)上針對(duì)不同裂紋狀態(tài)設(shè)計(jì)修復(fù)微結(jié)構(gòu)，更加靈活地應(yīng)對(duì)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)不同形式的損傷或失效。然而，運(yùn)用激光修復(fù)技術(shù)對(duì)反應(yīng)堆一回路結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)也存在許多難點(diǎn)，當(dāng)前亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)如下：

（1）反應(yīng)堆一回路結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)工藝。

反應(yīng)堆一回路結(jié)構(gòu)損傷通常存在于復(fù)雜構(gòu)型區(qū)域或焊縫接口處，例如CRDM管座貫穿件在J形焊縫處產(chǎn)生裂紋并發(fā)生泄漏、蒸發(fā)器一次側(cè)U形彎管發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂、蒸發(fā)器給水管管嘴發(fā)生疲勞或熱疲勞破壞等。雖然現(xiàn)有激光修復(fù)技術(shù)對(duì)于簡(jiǎn)單幾何構(gòu)型結(jié)構(gòu)的修復(fù)已有較為成熟的應(yīng)用，但相關(guān)技術(shù)還很難直接應(yīng)用于反應(yīng)堆一回路的修復(fù)。需要結(jié)合反應(yīng)堆一回路典型結(jié)構(gòu)損傷的特性，集中針對(duì)曲面結(jié)構(gòu)表面損傷開展激光修復(fù)工藝研究，探究不同激光修復(fù)工藝下的修復(fù)區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)、修復(fù)涂層結(jié)合特性等，最終形成最優(yōu)修復(fù)參數(shù)。

（2）激光修復(fù)性能試驗(yàn)研究。

激光修復(fù)完成后，修復(fù)區(qū)域組織結(jié)構(gòu)較基體組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，且熱輸入導(dǎo)致修復(fù)區(qū)域和基體之間形成熱影響區(qū)。由此引入了材料性能非均勻區(qū)域，并形成了修復(fù)區(qū)域-基體界面。因此，激光修復(fù)后結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能需要進(jìn)一步充分驗(yàn)證。在宏觀尺度，必須開展大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，包括對(duì)修復(fù)后結(jié)構(gòu)極限承載能力、失效模式和疲勞壽命等力學(xué)性能進(jìn)行全面驗(yàn)證，并與未損傷結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。由于驗(yàn)證試驗(yàn)種類較多、數(shù)量龐大，需要形成高效、簡(jiǎn)便的驗(yàn)證試驗(yàn)體系。在微觀尺度，基于宏觀尺度力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，需開展基體-修復(fù)區(qū)域界面失效演化研究，明確修復(fù)區(qū)域?qū)Y(jié)構(gòu)損傷控制的有效性。

（3）激光修復(fù)效能快速評(píng)估。

結(jié)構(gòu)完整性是反應(yīng)堆安全運(yùn)行過程中最為關(guān)心的問題之一。反應(yīng)堆一回路焊縫結(jié)構(gòu)損傷完成在線修復(fù)后，需要進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)修復(fù)效能進(jìn)行評(píng)定以確保安全性，而目前針對(duì)修復(fù)后結(jié)構(gòu)的快速評(píng)估方法還未建立。

原因之一是修復(fù)效能評(píng)估的理論方法還不成熟。修復(fù)后結(jié)構(gòu)仍可視為含缺陷（修復(fù)區(qū)域）結(jié)構(gòu)，可通過完整性評(píng)估方法量化激光修復(fù)效能。當(dāng)前，結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估主要基于斷裂力學(xué)理論。隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展，根據(jù)J積分?jǐn)嗔褏⒘浚ㄅc路徑無關(guān)的力學(xué)參量積分）的評(píng)定方法被廣泛采用，不僅可評(píng)判管道所含裂紋的啟裂，而且還可以進(jìn)行裂紋擴(kuò)展的計(jì)算。然而，激光修復(fù)后修復(fù)區(qū)域材料特性與基體材料特性不再一致，J積分不再具有路徑無關(guān)特性。需進(jìn)一步考慮如何在非均勻區(qū)域進(jìn)行J積分計(jì)算，從而從理論方法層面建立修復(fù)效能的評(píng)估方法。

此外，當(dāng)前結(jié)構(gòu)修復(fù)安全性評(píng)估主要依靠多種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)手段，評(píng)估周期較長(zhǎng)，還未發(fā)展出快速評(píng)估方法。鑒于激光修復(fù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化修復(fù)控制，可將相關(guān)修復(fù)參數(shù)作為輸入，通過編寫評(píng)估計(jì)算程序并調(diào)用有限元仿真軟件，實(shí)現(xiàn)修復(fù)效能快速化評(píng)估，極大地縮短評(píng)估周期。

5 結(jié)論

激光修復(fù)技術(shù)在當(dāng)前結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)中得到越來越多的應(yīng)用，并在核電領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。文中總結(jié)了激光熔凝、激光熔覆和激光增材修復(fù)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了激光熔覆和增材修復(fù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)應(yīng)用實(shí)例和裝置研制情況，并分析了激光修復(fù)技術(shù)在核電領(lǐng)域的應(yīng)用前景和當(dāng)前亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)。技術(shù)進(jìn)展總結(jié)表明，激光熔凝修復(fù)技術(shù)適用于微小裂紋修復(fù)，對(duì)尺寸較大裂紋修復(fù)效果不明顯；激光熔覆修復(fù)技術(shù)理論研究較為深入，并且已成功應(yīng)用于機(jī)械制造與維修、航空航天、化工、軍工等多個(gè)領(lǐng)域；激光增材修復(fù)技術(shù)結(jié)合了增材制造的先進(jìn)理念，具有很大的潛在優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用前景分析發(fā)現(xiàn)，激光修復(fù)在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)中的應(yīng)用還相對(duì)較少，激光修復(fù)技術(shù)的引入可以整合原有修復(fù)方法的多種工序，通過不同能量的激光完成多重功能，從而實(shí)現(xiàn)一體化的修復(fù)過程。技術(shù)難度分析表明，激光修復(fù)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用前，還需要重點(diǎn)攻克修復(fù)工藝研究、修復(fù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)技術(shù)及修復(fù)效能評(píng)估方法等問題。