为了深入了解钛合金激光再制造的发展现状, 从再制造材料以及工艺方法两方面综述了钛合金激光再制造的研究进展。阐述了金属基粉末、陶瓷材料、稀土及其氧化物粉末的再制造特点与应用, 论述了主要激光工艺参数对覆层形貌及性能的影响规律, 讨论了数值模拟、辅助工艺以及复合工艺在该类合金部件激光再制造中的应用, 最后对钛合金部件激光再制造的发展趋势进行了展望。

为研究电磁场对激光再制造V型槽中孔隙调控的影响,在激光再制造过程中同时耦合稳态的磁场与电场,以产生定向洛伦兹力;通过激光再制造实验研究了激光功率与电磁场参数对V型槽内孔隙率的调控规律,实验结果显示:当激光功率小于1400 W时,V型槽底部界面结合处易产生熔合不良现象,并且修复区内存在大量气孔;随着磁感应强度增大,V型槽底部熔合不良现象得到了有效调控,修复区内的孔隙率逐渐降低;当磁感应强度为1200 mT时,修复区的孔隙率降至0.006%,修复区内几乎无气孔与熔合不良缺陷。稳态磁场与稳态电场所提供的向下的洛伦兹力驱使金属熔体向下填充,并使气泡受电磁挤压力的作用而加速逸出,最终获得了致密的修复区。

为了解决K418合金叶片再制造熔覆层易开裂、结合界面处力学性能较差等难题, 采用具有输入可调控、热输入可控制以及降低熔池及热影响区温度等优势的脉冲激光, 得出在工艺参量为激光功率2.5kW、送粉速率37.5g/min、扫描速率8mm/s, 载气气流3L/min下, K418基体与Inconel718熔覆层之间能够形成良好的冶金结合。结果表明, 熔覆层显微组织依次由界面处平面晶、底部胞状晶、中部树枝晶及顶部等轴晶组成; 经过对比优化下的工艺参量, 获得了成形质量良好且无明显裂纹、气孔等缺陷的Inconel718熔覆层; 通过基体与覆层的硬度测试, 覆层整体硬度值在300HV左右且分布较为均匀, 基体平均硬度在400HV以上、结合界面处硬度值为460.46HV, 相对于基体提升了12%; 物相形分析表明, Inconel718熔覆层与基体K418性能匹配较好, 激光再制造凝固成形时经历了L→γ→（γ+MC）→(γ+laves)的凝固过程, 脉冲激光的热输入对基体K418合金热影响区完成了γ′相的固溶再析出过程, 界面处沿晶界析出少量的二次析出相laves相和MC相对熔覆层及界面处晶界起到钉扎晶界、阻碍滑移的强化作用。试验相关工艺及参量为K418叶片激光再制造提供了借鉴和分析。

针对在K418薄壁叶片上局部再制造的多层立体成形组织难以调控优化的难点,开展该类合金激光再制造覆层工艺及组织研究。优选三组工艺进行Inconel 718成形试验,观察覆层显微组织,测试其力学性能,对比分析并进行单道多层立体成形试验。成形优化工艺的参数为激光功率为1.2 kW、扫描速度为300 mm/min、送粉速率为25 g/min、气体流速为3 L/min、脉宽为10 ms、占空比为1∶1。试验结果表明:单道覆层与基体形成了良好的冶金结合,高度和宽度分别为1.537 mm、1.414 mm,覆层主要由细小致密的等轴枝晶、定向生长的柱状枝晶和胞状晶组成,覆层显微硬度为263.7~289.7 HV0.2;多层立体成形总高度为3.67 mm,显微硬度范围为284.3~315.5 HV0.2,底层覆层析出Laves、MC和γ″相,弥散强化合金,提高了底部覆层的硬度。

针对激光熔覆专用粉末的问题, 微调材料配比, 采用真空气雾化的方法制备了激光熔覆用Fe55合金粉末。研究了不同雾化气体压力、导流管直径对粉末粒度分布的影响; 在最佳工艺参数下, 对粉末的成分、杂质含量进行了测试; 利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对粉末形貌、相结构进行了观察与分析; 采用霍尔流速计测试粉末的流动性; 最后, 将粉末在42CrMo基体上进行激光熔覆试验, 并对涂层的硬度进行测试。结果表明, 雾化气体压力在3.5 MPa, 导流管直径6.0 mm时, 所得粉末主要分布在10~300 μm之间; 粉末具有较低的杂质含量, 其中氧含量274 ppm, 氮296 ppm, 硫含量157 ppm; 粉末形貌大多呈现为球形、类球形结构, 卫星球较少, 粉末物相结构主要由α-Fe、M-(FeCr)固溶体相组成; 粉末流动性为17 s/50 g, 表现出良好的激光熔覆性, 涂层的硬度在HRC 54.5~56.8之间。

农机刀具易于磨损的特点, 采用激光再制造的方法对农耕刀具表面制备NiCr＋WC涂层, 并对涂层和涂层与基材的界面显微组织进行了分析, 最后通过Abaqus对再制造层及其界面的温度场进行了模拟。实验结果表明, 通过激光再制造方法可以成功制备出与基材呈良好冶金结合的耐磨强化涂层, 通过SEM观察发现涂层的WC与NiCr合金形成了良好的复合材料, 涂层中晶粒细化, 硬质颗粒WC均匀分布在NiCr合金基体上, 形成了良好的结合界面, 模拟结果与实验结果的温度场分布具有一致性。

针对汽轮机转子轴颈易损伤的问题, 采用2 kW半导体激光器进行同轴送粉的激光再制造Fe基合金试验, 以提升其表面性能, 解决失效问题;采用显微硬度计、气蚀装置与残余应力分析仪分别测试了再制造层的显微硬度、抗气蚀性能与残余应力。结果表明, 再制造层最高显微硬度为359 HV0.2, 平均显微硬度为353 HV0.2, 较基体提高20%, 再制造层的抗气蚀性能较基体提高了3倍以上。再制造层的表层两端的残余应力为压应力, 中部为拉应力, 从基体到热影响区逐渐升高;沿层深由再制造层至热影响区, 残余压应力先转变为拉应力, 再转变为压应力。另外由实验数据依据弹性力学的叠加原理, 提出了确定再制造层残余应力的反推法。

为了使机器人准确高效地完成复杂形貌零件修复，开发了一套基于三维视觉的激光再制造机器人离线自动编程系统。系统主要包含6个功能模块：机器视觉测量、三维建模、再制造规划、自动编程、仿真优化和通信模块。基于HALCON软件采用标准标定板进行视觉系统的标定，应用梯度重心法对采集到的激光光条图像进行光条中心提取，依据极限几何理论进行特征匹配，根据三角原理获取零件表面点云数据。然后逆向重建零件三维模型并提取出修复区域，根据工艺规划参数，自动进行再制造路径规划和机器人加工程序编制，并通过机器人主控方式实现多个设备之间的联动和时序控制。试验表明，该方法能提高激光再制造机器人编程效率和精度，且机器人动作连贯，修复路径与设计吻合，满足零件修复要求。

设计了一种用于激光再制造的沸腾式送粉器, 并基于PICF877A单片机开发了送粉器控制系统。为探索送粉器输送规律, 以Fluent软件为工具, 通过变化沸腾气流量值、送粉气流量值等参数, 探讨气体输送流量大小、输送策略等对粉末输送特性的影响。在仿真研究的基础上, 建立控制系统的控制策略, 并以所开发的控制系统为实验平台对控制规律进行实验验证。实验结果证明: 该系统控制精度高、稳定性好, 能够满足再制造系统的需要。

研制了一套低功率、便携、便宜、高精度的粉末流场检测系统,能对激光再制造中同轴送粉条件下金属粉末流浓度场进行检测,能适应激光机器人修复的需要。该系统主要包括532 nm,100 mW半导体激光器,片光透镜,CCD相机和检测分析软件。实验结果表明,该系统对金属粉末流浓度体积分布检测与理论计算结果有较好的一致性,能有效地指导同轴送粉嘴的设计和机器人在激光再制造中粉末流参数的测定。