浙江工業(yè)大學(xué)姚喆赫博士：多能場復(fù)合激光表面改性技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用

2020年8月20日-21日，中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì)在安徽蕪湖市舉行，此次年會(huì)由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟(jì)和信息化廳、蕪湖市人民政府指導(dǎo)，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦，繁昌縣人民政府協(xié)辦，南極熊作為支持媒體對本次會(huì)議進(jìn)行了直播。

△浙江工業(yè)大學(xué)先進(jìn)制造與現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)研究所副所長姚喆赫博士

在“產(chǎn)業(yè)化推廣論壇”上，浙江工業(yè)大學(xué)先進(jìn)制造與現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)研究所副所長姚喆赫博士做了《多能場復(fù)合激光表面改性技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用》演講的現(xiàn)場速記。
△視頻：姚喆赫《多能場復(fù)合激光表面改性技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用》

姚喆赫博士：尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家，大家下午好，題目稍微有點(diǎn)挑戰(zhàn)，因?yàn)樽蛱炻犃祟}目感覺從激光制造著手講和大會(huì)主題更加契合。報(bào)告本來是由我們領(lǐng)導(dǎo)姚建華來做，但是臨時(shí)收到國家經(jīng)信委的答辯通知，所以由我來匯報(bào)一些工作。

修復(fù)與再造的趨勢大家非常明確，因?yàn)槊磕炅慵�尤其是大型裝備的零部件損傷非常大，如果能夠?qū)崿F(xiàn)修復(fù)，將大大提高經(jīng)濟(jì)效益。

不同的工業(yè)領(lǐng)域都有明確的修復(fù)需求，我們和國外的區(qū)別，因?yàn)樵跉W美國家的研究主要集中在航天發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域，我們國家的航空發(fā)動(dòng)機(jī)也做了一些東西，軍口不方便說。民口領(lǐng)域國外現(xiàn)存的大型設(shè)備更加多，因?yàn)槲覀冊谝苯鹧b備、軌道交通、工業(yè)基礎(chǔ)件等等這些部件都有大量的修復(fù)需求。因此我們也針對這方面需求開展增材再制造的研究。

再制造領(lǐng)域采用激光這個(gè)手段來做增材再制造，其性能效率和智能化具有優(yōu)勢，已經(jīng)成為主流的技術(shù)之一。

昨天聽報(bào)告還學(xué)了領(lǐng)導(dǎo)的一句話，因?yàn)楦咝＠锝?jīng)常說“頂天立地”，鼎天叫基礎(chǔ)研究，立地叫應(yīng)用，經(jīng)常說我們搞的東西不能用，領(lǐng)導(dǎo)總結(jié)為什么不能用？不好用、不敢用、不管用。

什么是不敢用？對于激光再制造來講，這個(gè)技術(shù)首先已經(jīng)用了，哪些領(lǐng)域不敢用？就是有些關(guān)鍵重要的領(lǐng)域?qū)τ诹悴考�的修�?fù)質(zhì)量非常高，以前只是需要直接換新了，現(xiàn)在跟他說這個(gè)直接把缺陷修一修用一用他比較擔(dān)心，當(dāng)然這個(gè)擔(dān)心不是多余的，尤其對一些疲勞要求比較高的零部件確實(shí)需要進(jìn)行反復(fù)的測試，因此針對高質(zhì)量的修復(fù)需求我們重點(diǎn)開發(fā)激光符合再制造和過程智能監(jiān)控。很多公司尤其有一些大型的研發(fā)儲(chǔ)備公司買來以后就搗鼓，發(fā)現(xiàn)不好用，不好用的重要原因是成本和效益問題。我們?nèi)绾翁岣咝�率？在激光有一個(gè)超高速熔覆、寬待以及超音速激光沉積等方面。還有大型裝備目前拆下來比較困難，就需要現(xiàn)場再制造和在疫再制造的研究。

針對能場輔助的激光再制造我們主要針對一些電磁場、超聲能場以及熱場，因?yàn)橥ㄟ^輔助能場可以在激光修復(fù)過程中對熔池形成調(diào)控從而控性控形達(dá)到我們的目的。

比如在穩(wěn)態(tài)磁場、交變磁場能夠抑制它的熔池流動(dòng)或者加速熔池的流動(dòng)。因?yàn)榧す庑迯?fù)整個(gè)是成形的技術(shù)，這個(gè)過程它的所有最后的修復(fù)結(jié)果都基于溶池的過程，如果通過穩(wěn)態(tài)和交變磁場就能夠達(dá)到我們需要的目標(biāo)。除了文獻(xiàn)能查到的，我們還提出電磁復(fù)合場，采用穩(wěn)態(tài)電場和穩(wěn)態(tài)磁場可以達(dá)到我們的一些效果。

比如在形貌方面，一般來說激光修復(fù)或者熔覆的效果相對比較差一些，采用電磁場輔助一定程度能夠抑制表面的流動(dòng)，使得表面形貌起伏降低。在氣孔方面因?yàn)橛行�對于氣孔要求非常苛刻尤其是軍工領(lǐng)域，那我們采用電磁場相當(dāng)于向下的力，強(qiáng)制性地把氣孔排出去達(dá)到苛刻的氣孔需求，可以達(dá)到近100%的致密度。如果我們不加電磁場一做出來全是氣孔。或者在非常極端的比如尖角的孔里面也可以采用這樣方式把這個(gè)缺陷排除掉。還有一些顆粒分布，因?yàn)榻裉煸绯繀⒂^了上海光機(jī)所孵化的企業(yè)，他們也做了碳涂層做得也非常好。這方面可以采用電磁場對涂層的分布進(jìn)行調(diào)控，因?yàn)橥繉尤绻�做得特別硬而且集中在表面對于加工比較麻煩，因?yàn)樘�硬了，如果全部都在下面又不起作用，所以可以通過電磁場縱向進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到不同的應(yīng)用場合我們所需要的目的。

總結(jié)一下，我們采用電磁場對于激光熔覆能夠在排氣、組織致密度以及調(diào)控方面達(dá)到我們所需要的效果。

超聲方面，因?yàn)槲覀冊诔�聲振�?dòng)目前做得比較多，可能覺得超聲就是把它振一振，實(shí)際上超聲加上去以后它對熔池有一個(gè)聲空化作用機(jī)制，一方面損失的射流可以使內(nèi)部的流動(dòng)發(fā)生顯著變化，同時(shí)超聲功率下的沖擊壓強(qiáng)也會(huì)使損失的熔點(diǎn)提高，使凝固發(fā)生顯著的變化。因?yàn)橛泻芏嗟臇|西沒有發(fā)表，就給大家簡單過一下，其中有一部分?jǐn)?shù)字模擬的工作，在聲空化方面有一點(diǎn)微觀組織，對于熔池同樣有明顯的加速過程，使得熔池的溫度梯度發(fā)生顯著變化。同樣對于微觀組織來講超聲組織可以發(fā)現(xiàn)發(fā)生顯著變化，還有Laves的分散也有明顯的趨勢。

在高效激光增材再制造方面，我覺得所有高效激光增材再制造的前提是目前大功率激光器的普及，我們院長經(jīng)常會(huì)說現(xiàn)在做實(shí)驗(yàn)東不動(dòng)幾千萬幾百萬，現(xiàn)在萬瓦級已經(jīng)普及了，在激光器普及的情況下對效率就可以各種方法來提高。比如高音速的角度來講德國人提出超高速熔覆，還有大光斑來說，如果光斑不聚焦的話根本無法熔化或者提高高溫，現(xiàn)在功率高了用大光斑可以實(shí)現(xiàn)大面積的寬帶熔覆。還有超音速激光沉積過程，這是源于冷噴涂。昨天有一個(gè)報(bào)告本來是李長久教授做冷噴涂的介紹，后來沒有來報(bào)告有所變化。冷噴涂是通過粉末固態(tài)沉積的過程，在這個(gè)過程我們使用激光進(jìn)行輔助，為什么要加激光輔助？因?yàn)橹皇且粋�(gè)固態(tài)沉積更適合用一些輕金屬比如鋁、鋁合金、銅合金等等，對于鐵基、高溫合金可能不太合適，但是輔助一些激光就能夠?qū)崿F(xiàn)這方面，這方面也有美國的專利。

在超音速激光沉積里面，在激光輔助下的顆粒打在上面，和激光熔覆可以完有全不一樣的效果。相比于激光熔覆，一般做幾次實(shí)驗(yàn)可以看到氧化，會(huì)有影響，那么在超音速沉積基本上看不到這個(gè)現(xiàn)象，而且基本上保持原始成分，原始成分從金剛石這方面就更加明確。如果采用激光熔覆，金剛石一照肯定就沒了，那這個(gè)技術(shù)可以獲非常高硬度的涂層。包括對于一些輕合金，我們采用超音速沉積的方法可以進(jìn)行復(fù)合涂層，包括對銅、鋁、鈦?zhàn)龅膰L試包括單層以后做一些增材制造的工作。

超音速激光復(fù)合沉積在材料方面、結(jié)合里方面與對比的技術(shù)都有一定的優(yōu)勢。


現(xiàn)場再制造因?yàn)檫B續(xù)三年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，第三年是支持可移動(dòng)式的現(xiàn)場再制造的項(xiàng)目，這方面的工作我們也開展的一些，現(xiàn)在這臺設(shè)備是第二代設(shè)備，我們實(shí)際服役過，企業(yè)有需求時(shí)拉過去，尤其是轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)的工作。

應(yīng)用案例因?yàn)楹献鲉挝恢锌旗襄愤�有報(bào)告，所以我就介紹得少一些，除了開展技術(shù)研發(fā)工作，也對一些應(yīng)用案例開展研究。比如能源動(dòng)力針對轉(zhuǎn)子軸以及葉片開展復(fù)合制造方面。同時(shí)在石油化工裝備領(lǐng)域?qū)τ陂y板開展一些超音速激光沉積的探索。在軌道交通裝備領(lǐng)域和蘇州大學(xué)以及齊齊哈爾合作開展一些曲線鋼軌修復(fù)。礦山機(jī)械比較有代表性，山能重裝應(yīng)該說激光再制造領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用的典范，之前聽他們說還以為是吹，結(jié)果看了以后發(fā)現(xiàn)不是吹，真的是大規(guī)模在不停地熔覆。冶金裝備在南鋼也有一些應(yīng)用。還有工業(yè)基礎(chǔ)件的激光修復(fù)的應(yīng)用。

發(fā)展前景，我們認(rèn)為目前處于第二階段，第一階段是從無到有的過程。早期的激光器可能是能量完全不夠的時(shí)代，在這個(gè)過程中，浙江工業(yè)大學(xué)2000年成立激光中心，也參與到從無到有的開發(fā)過程，也在2012年獲得了國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。第二階段從控形控性、效率成本、多能場復(fù)合達(dá)到從有到好的階段，也獲得一些成果。后面還需要各位專家和同仁的共同努力使得這個(gè)技術(shù)更早地實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。

從學(xué)術(shù)角度來說一些挑戰(zhàn)和展望，一個(gè)是多能量場/多工藝協(xié)同作用機(jī)理。一方面我們采用協(xié)同作用獲得一些效益，但是真正內(nèi)部的協(xié)同機(jī)理還 需要進(jìn)一步研究，以及仿真非常困難，還有新的復(fù)合工藝的方法。標(biāo)準(zhǔn)化目前我們也參與一些工作，也非常重要，因?yàn)榧す庠僦圃煊幸恍╆P(guān)鍵領(lǐng)域他可能不敢用，如果一個(gè)企業(yè)在前期沒有投入非常充分的實(shí)驗(yàn)就去把激光再制造用在上面，使得出現(xiàn)一些問題，我說的這個(gè)問題確實(shí)是已經(jīng)出現(xiàn)了，不僅僅對于那家公司可能造成具有負(fù)面影響，對于這個(gè)行業(yè)可能都會(huì)有比較大的影響，會(huì)造成更加不敢用的情況，這種情況就呼吁標(biāo)準(zhǔn)化的工作。

最后請?jiān)试S介紹一下我們的團(tuán)隊(duì)。

我們的團(tuán)隊(duì)在2000年成立激光中心，在2015年建立浙江工業(yè)大學(xué)校直屬的獨(dú)立激光先進(jìn)制造研究院，到今年正好是20年，如果不是疫情應(yīng)該會(huì)搞個(gè)慶典，現(xiàn)在不知道怎么弄，形成了一個(gè)國際化的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。2016年和2018年組織兩次LHM會(huì)議就是激光復(fù)合制造的會(huì)議，沒有疫情也會(huì)是今年舉辦，我們和機(jī)械工業(yè)學(xué)會(huì)都已經(jīng)談好，把機(jī)械工業(yè)學(xué)會(huì)的年會(huì)和我們放在一起，可能是今年弄，也可能是明年，到時(shí)候也是歡迎大家到浙江工業(yè)大學(xué)指導(dǎo)交流。

謝謝。