浙江工業(yè)大學姚喆赫博士：多能場復合激光表面改性技術及其工業(yè)應用

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)年會在安徽蕪湖市舉行，此次年會由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟和信息化廳、蕪湖市人民政府指導，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議進行了直播。

△浙江工業(yè)大學先進制造與現(xiàn)代設計技術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)大學先進制造與現(xiàn)代設計技術研究所副所長姚喆赫博士做了《多能場復合激光表面改性技術及其工業(yè)應用》演講的現(xiàn)場速記。
△視頻：姚喆赫《多能場復合激光表面改性技術及其工業(yè)應用》

姚喆赫博士：尊敬的各位領導、各位專家，大家下午好，題目稍微有點挑戰(zhàn)，因為昨天聽了題目感覺從激光制造著手講和大會主題更加契合。報告本來是由我們領導姚建華來做，但是臨時收到國家經(jīng)信委的答辯通知，所以由我來匯報一些工作。

修復與再造的趨勢大家非常明確，因為每年零件尤其是大型裝備的零部件損傷非常大，如果能夠實現(xiàn)修復，將大大提高經(jīng)濟效益。

不同的工業(yè)領域都有明確的修復需求，我們和國外的區(qū)別，因為在歐美國家的研究主要集中在航天發(fā)動機等領域，我們國家的航空發(fā)動機也做了一些東西，軍口不方便說。民口領域國外現(xiàn)存的大型設備更加多，因為我們在冶金裝備、軌道交通、工業(yè)基礎件等等這些部件都有大量的修復需求。因此我們也針對這方面需求開展增材再制造的研究。

再制造領域采用激光這個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)成為主流的技術之一。

昨天聽報告還學了領導的一句話，因為高校里經(jīng)常說“頂天立地”，鼎天叫基礎研究，立地叫應用，經(jīng)常說我們搞的東西不能用，領導總結為什么不能用？不好用、不敢用、不管用。

什么是不敢用？對于激光再制造來講，這個技術首先已經(jīng)用了，哪些領域不敢用？就是有些關鍵重要的領域對于零部件的修復質(zhì)量非常高，以前只是需要直接換新了，現(xiàn)在跟他說這個直接把缺陷修一修用一用他比較擔心，當然這個擔心不是多余的，尤其對一些疲勞要求比較高的零部件確實需要進行反復的測試，因此針對高質(zhì)量的修復需求我們重點開發(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，因為通過輔助能場可以在激光修復過程中對熔池形成調(diào)控從而控性控形達到我們的目的。

比如在穩(wěn)態(tài)磁場、交變磁場能夠抑制它的熔池流動或者加速熔池的流動。因為激光修復整個是成形的技術，這個過程它的所有最后的修復結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到我們需要的目標。除了文獻能查到的，我們還提出電磁復合場，采用穩(wěn)態(tài)電場和穩(wěn)態(tài)磁場可以達到我們的一些效果。

比如在形貌方面，一般來說激光修復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，使得表面形貌起伏降低。在氣孔方面因為有些對于氣孔要求非�？量逃绕涫擒姽ゎI域，那我們采用電磁場相當于向下的力，強制性地把氣孔排出去達到苛刻的氣孔需求，可以達到近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缺陷排除掉。還有一些顆粒分布，因為今天早晨參觀了上海光機所孵化的企業(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行調(diào)控，因為涂層如果做得特別硬而且集中在表面對于加工比較麻煩，因為太硬了，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行調(diào)控，以達到不同的應用場合我們所需要的目的。

總結一下，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)控方面達到我們所需要的效果。

超聲方面，因為我們在超聲振動目前做得比較多，可能覺得超聲就是把它振一振，實際上超聲加上去以后它對熔池有一個聲空化作用機制，一方面損失的射流可以使內(nèi)部的流動發(fā)生顯著變化，同時超聲功率下的沖擊壓強也會使損失的熔點提高，使凝固發(fā)生顯著的變化。因為有很多的東西沒有發(fā)表，就給大家簡單過一下，其中有一部分數(shù)字模擬的工作，在聲空化方面有一點微觀組織，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)常會說現(xiàn)在做實驗東不動幾千萬幾百萬，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。昨天有一個報告本來是李長久教授做冷噴涂的介紹，后來沒有來報告有所變化。冷噴涂是通過粉末固態(tài)沉積的過程，在這個過程我們使用激光進行輔助，為什么要加激光輔助？因為只是一個固態(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實現(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，一般做幾次實驗可以看到氧化，會有影響，那么在超音速沉積基本上看不到這個現(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，那這個技術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行復合涂層，包括對銅、鋁、鈦做的嘗試包括單層以后做一些增材制造的工作。

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


現(xiàn)場再制造因為連續(xù)三年國家重點研發(fā)計劃的支持下，第三年是支持可移動式的現(xiàn)場再制造的項目，這方面的工作我們也開展的一些，現(xiàn)在這臺設備是第二代設備，我們實際服役過，企業(yè)有需求時拉過去，尤其是轉子軸進行現(xiàn)場修復的工作。

應用案例因為合作單位中科煜宸還有報告，所以我就介紹得少一些，除了開展技術研發(fā)工作，也對一些應用案例開展研究。比如能源動力針對轉子軸以及葉片開展復合制造方面。同時在石油化工裝備領域對于閥板開展一些超音速激光沉積的探索。在軌道交通裝備領域和蘇州大學以及齊齊哈爾合作開展一些曲線鋼軌修復。礦山機械比較有代表性，山能重裝應該說激光再制造領域的規(guī)模化應用的典范，之前聽他們說還以為是吹，結果看了以后發(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用。還有工業(yè)基礎件的激光修復的應用。

發(fā)展前景，我們認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代，在這個過程中，浙江工業(yè)大學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步二等獎。第二階段從控形控性、效率成本、多能場復合達到從有到好的階段，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技術更早地實現(xiàn)批量應用。

從學術角度來說一些挑戰(zhàn)和展望，一個是多能量場/多工藝協(xié)同作用機理。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)同機理還 需要進一步研究，以及仿真非常困難，還有新的復合工藝的方法。標準化目前我們也參與一些工作，也非常重要，因為激光再制造有一些關鍵領域他可能不敢用，如果一個企業(yè)在前期沒有投入非常充分的實驗就去把激光再制造用在上面，使得出現(xiàn)一些問題，我說的這個問題確實是已經(jīng)出現(xiàn)了，不僅僅對于那家公司可能造成具有負面影響，對于這個行業(yè)可能都會有比較大的影響，會造成更加不敢用的情況，這種情況就呼吁標準化的工作。

最后請允許介紹一下我們的團隊。

我們的團隊在2000年成立激光中心，在2015年建立浙江工業(yè)大學校直屬的獨立激光先進制造研究院，到今年正好是20年，如果不是疫情應該會搞個慶典，現(xiàn)在不知道怎么弄，形成了一個國際化的創(chuàng)新團隊。2016年和2018年組織兩次LHM會議就是激光復合制造的會議，沒有疫情也會是今年舉辦，我們和機械工業(yè)學會都已經(jīng)談好，把機械工業(yè)學會的年會和我們放在一起，可能是今年弄，也可能是明年，到時候也是歡迎大家到浙江工業(yè)大學指導交流。

謝謝。