編者按
激光再制造技術以高功率激光束為熱源，運用非接觸光加工的方式，可為零件修復與再制造提供新的解決方案，是綠色再制造的重要支撐技術。激光再制造技術作為制造技術創(chuàng)新的前沿領域，深刻改變著高端裝備的設計與運行方式，是促進制造產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要力量。但激光再制造技術目前僅在少數(shù)領域?qū)崿F(xiàn)了工業(yè)應用，面向規(guī)模應用仍存在一定的技術與市場瓶頸。
中國工程院向巧院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》撰文，從激光再制造技術的宏觀需求入手，梳理了激光再制造技術的發(fā)展及應用現(xiàn)狀，凝練了激光再制造技術和產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中面臨的挑戰(zhàn)，進而提出了面向2025年、2035年以及2050年的分階段發(fā)展目標。針對當前我國激光再制造技術在專用材料、核心器件、再制造理念與標準體系等方面存在的問題與挑戰(zhàn)，文章提出：加強戰(zhàn)略層面的積極引導；構(gòu)建激光增材再制造材料基因組體系；完善標準化體系和高層次應用型人才培養(yǎng)體系；加大應用推廣力度，引導行業(yè)整合；建立合作平臺，加快關鍵共性技術創(chuàng)新發(fā)展，為激光再制造技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供支撐。
一、前言
高端裝備關鍵零部件，如航空發(fā)動機熱端部件、超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子及葉片、鐵路軌道、冶金裝備等，由于服役環(huán)境惡劣，易發(fā)生結(jié)構(gòu)、表面損傷而導致高端裝備停機或報廢。若運用全生命周期制造的思路，通過快速再制造或現(xiàn)場再制造，可延長易損件的服役時間，實現(xiàn)資源的再利用，促進可持續(xù)發(fā)展?！吨袊圃?025》中明確指出：全面推行綠色制造，大力發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)，實施高端再制造、智能再制造、在役再制造，推進產(chǎn)品認定，促進再制造產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。
激光再制造技術以高功率激光束為熱源，運用非接觸光加工的方式，可為零件修復與再制造提供新的解決方案，是綠色再制造的重要支撐技術。該技術可快速恢復產(chǎn)品或零部件尺寸，并在性能上達到甚至超越新品，具有修復精度高、工件損傷小、修復區(qū)結(jié)合強度高、材料利用率高等優(yōu)點。面向不同領域關鍵零部件的修復需求，國內(nèi)外學者主要針對鐵基、鈦基、鈷基、鎳基合金材料的激光熔覆開展了理論和實驗研究，并在航空發(fā)動機葉片、汽輪機轉(zhuǎn)子、冶金裝備、煤礦機械[、高壓油泵凸輪軸等領域開展了激光再制造技術的應用基礎研究。但激光再制造技術目前僅在少數(shù)領域?qū)崿F(xiàn)了工業(yè)應用，面向規(guī)模應用仍存在一定的技術與市場瓶頸。
針對激光再制造技術與產(chǎn)業(yè)，本文在分析其發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，梳理當前面臨的技術問題與應用挑戰(zhàn)，并研判發(fā)展趨勢，提出促進我國激光再制造技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對策建議。
二、激光再制造技術宏觀需求分析
（一）激光再制造技術是制造技術創(chuàng)新的前沿領域
激光再制造技術可用于激光再制造的前處理、成形修復和后處理環(huán)節(jié)，具體分類如圖1所示。其中，核心環(huán)節(jié)是激光成形修復技術，如采用激光熔覆成形、激光快速成形以及激光焊接工藝來修復零件缺損部位。此外，激光切割和激光清洗技術可用于零件的拆解和前處理環(huán)節(jié)，激光沖擊強化和激光拋光可用于零件修復件的后處理環(huán)節(jié)。
圖1 激光再制造技術分類
基于激光熔覆成形和激光快速成形的激光增材再制造技術，具有能運用穩(wěn)定的熔池形成冶金結(jié)合、界面結(jié)合強度遠高于鍍膜和噴涂以及熱輸入量小于電弧堆焊的優(yōu)勢，可滿足高強度零部件的再制造需求，是先進制造技術的重要前沿發(fā)展方向。針對部分大型裝備、關鍵零部件的嚴苛修復需求，特種修復工藝、多能場激光再制造技術成為當前研究熱點。
（二）激光再制造產(chǎn)業(yè)是促進制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新興產(chǎn)業(yè)
激光再制造技術在高端裝備再制造中占據(jù)優(yōu)勢，被認為是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新一代戰(zhàn)略性支撐技術。由激光再制造技術發(fā)展而形成的激光再制造產(chǎn)業(yè)，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了發(fā)展動力。
激光再制造產(chǎn)業(yè)在歐美等發(fā)達國家或地區(qū)已成為具有顯著經(jīng)濟和社會效益的產(chǎn)業(yè)，極大地推動了制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。為推動激光再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，世界主要國家或地區(qū)先后制定了一系列戰(zhàn)略建議與政策支持（見表1）。當前，我國已躋身為制造業(yè)大國，但相較于發(fā)達國家或地區(qū)，生產(chǎn)制造技術的精細化程度仍有待提高。另外，在節(jié)能減排的發(fā)展要求下，我國也逐漸關注激光再制造產(chǎn)業(yè)領域，并推出了一系列戰(zhàn)略與政策進行配套支持發(fā)展。近年來，我國激光修復與再制造技術在航空、航天、礦山機械、輪機裝備、冶金裝備等領域初步形成產(chǎn)業(yè)，在煤礦液壓支架、冶金軋輥、汽輪機轉(zhuǎn)子等動力設備再制造上得到了廣泛應用。激光再制造產(chǎn)業(yè)成為推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新興產(chǎn)業(yè)。
表1 世界主要國家或地區(qū)激光再制造技術及產(chǎn)業(yè)相關戰(zhàn)略與政策
（三）激光再制造產(chǎn)業(yè)是促進可持續(xù)發(fā)展的重要力量
《中國制造2025》將綠色制造作為五大工程之一，更明確指出要組織實施傳統(tǒng)制造業(yè)能效提升、清潔生產(chǎn)、節(jié)水治污、循環(huán)利用等專項技術并加以改造。而激光再制造產(chǎn)業(yè)與綠色制造的理念高度契合，為傳統(tǒng)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供重要支撐。
激光再制造技術具有熱量輸入集中、工件損傷小、加工速度快等特點，是一種新興的綠色再制造技術。激光再制造技術可實現(xiàn)關鍵零部件的快速修復并減少資源浪費，降低停機造成的能源和經(jīng)濟損失，促進可持續(xù)發(fā)展。另外，激光再制造產(chǎn)業(yè)在制造過程中“三廢”排放少，污染源可控，這與我國構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟高度契合，并有利于促進節(jié)能減排戰(zhàn)略需求的部署實施。
（四）激光再制造技術深刻改變著高端裝備的設計與運行方式
高端裝備制造業(yè)的綠色、低能耗、高品質(zhì)發(fā)展已是當務之急，對關鍵零部件進行全生命周期管理已成為高端裝備發(fā)展的重要趨勢。激光再制造技術的出現(xiàn)和使用，完善了關鍵零部件全生命周期管理的內(nèi)涵。具體來說，關鍵零部件在設計階段要考慮修復可能性，在服役階段要考慮使用壽命等的信息反饋，在報廢階段要考慮非破壞性分解等報廢方式。同時，通過加強對產(chǎn)品失效分析及剩余壽命變化規(guī)律的探索，可以實現(xiàn)零部件失效部位高性能表面涂層的設計與制備以及薄弱部位的加工完善和質(zhì)量控制。
全生命周期的制造模式將從源頭上有效治理制造業(yè)污染，彌補設備運行停頓帶來的損失，顛覆傳統(tǒng)的制造模式。而激光修復與再制造技術作為其中的關鍵一環(huán)，深刻改變著制造業(yè)裝備的設計思路和運行方式。
三、激光再制造技術發(fā)展現(xiàn)狀
（一）激光再制造技術在不同工業(yè)領域零部件修復中實現(xiàn)應用
隨著大功率激光器及其配套設備的不斷發(fā)展，越來越多的國家加強對激光再制造技術在機械零件制造和修復領域的理論與技術研究。如圖2所示，目前激光再制造技術已在航空、航天、國防工業(yè)、礦山機械、能源動力、冶金裝備等工業(yè)領域?qū)嶋H應用。國外激光再制造技術的應用主要集中于國防工業(yè)及航空、航天領域，如應用激光再制造技術修復航空發(fā)動機失效零部件。
圖2 面向不同工業(yè)領域的激光再制造技術
我國激光再制造技術在軍用領域主要用于構(gòu)建軍用航空發(fā)動機關鍵零部件再制造核心技術體系；在民用工業(yè)領域，激光再制造技術已在礦山機械、能源動力、冶金裝備等領域的煤礦液壓支架、汽輪機轉(zhuǎn)子及葉片、冶金輥道、芯棒、軋機牌坊等大型裝備及關鍵零部件的修復中實現(xiàn)應用，其中，煤礦液壓支架的激光再制造技術已實現(xiàn)了批量化應用。
（二）能場輔助激光再制造成為高質(zhì)量再制造的重要手段
面向高端裝備關鍵零部件的高質(zhì)量修復、現(xiàn)場修復需求，單一能束的激光金屬成形技術存在易產(chǎn)生氣孔、殘余應力、微裂紋等缺陷，從而影響到修復件的性能和穩(wěn)定性。因而，僅僅通過改變激光工藝已難以滿足高端裝備對精確性、復雜性和高性能等的再制造需求。
國內(nèi)外學者提出采用電磁場、感應熱場、超聲振動等外加能場耦合作用于激光再制造過程（見圖3）。具體來看，面向窄深缺陷修復問題以及嚴格無氣孔要求，引入電磁場調(diào)節(jié)熔池流動、抑制氣孔；面向?qū)ξ⒂^組織有嚴格要求的部件，引入超聲能場對組織形貌進行調(diào)控；面向易開裂材料或部位，引入熱場降低溫度梯度，降低殘余應力風險。當前，能場輔助激光再制造技術已成為研究熱點，但相關技術仍處于實驗室研發(fā)及原型樣機研發(fā)階段。面向工業(yè)應用需求，亟需在復合制造工藝定型、能場復合集成設備等方面繼續(xù)開展研發(fā)，以滿足未來高端裝備對高質(zhì)量、高效率的修復需求。
圖3 外加能場在激光再制造中的作用機制
（三）現(xiàn)場再制造是激光再制造技術的重要發(fā)展方向
面對尺寸龐大、難以運輸?shù)拇笮驮O備或大型零部件的修復需求，應用激光現(xiàn)場再制造技術的突出優(yōu)勢可快速實現(xiàn)損傷設備的恢復運行。為便于進行現(xiàn)場再制造，激光設備需小型化、集成化且方便運輸，以適應復雜的現(xiàn)場環(huán)境和保持較高的穩(wěn)定性。
采用激光熔覆再制造技術對大型裝備或零部件進行修復時，尤其是非水平基面損傷的激光修復，熔池在重力作用下形狀易發(fā)生變化，這對多角度激光再制造工藝提出了更高的要求。為此，石世宏研究團隊采用光內(nèi)送粉激光熔覆技術，在不同傾角基面下控制激光熔覆頭與基面始終垂直，實現(xiàn)了全角度激光熔覆。姚建華研究團隊研究了工作氣流及熔覆角度對激光修復轉(zhuǎn)子軸質(zhì)量的影響情況，實現(xiàn)了不同傾角條件下的激光修復。
四、激光再制造技術發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
以激光再制造技術為代表的裝備修復與再制造產(chǎn)業(yè)是裝備制造業(yè)的衍生產(chǎn)業(yè)。我國激光再制造技術雖已在礦山機械、能源動力、冶金裝備等領域率先得到了應用，但隨著高端裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對激光再制造技術和產(chǎn)業(yè)提出了更多新的要求，如以航空發(fā)動機與燃氣輪機為代表的高端裝備激光再制造技術。目前，我國激光再制造產(chǎn)業(yè)與制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模不匹配，產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在“小、散、弱”、應用領域少等問題，缺少規(guī)模大、技術實力強的國際龍頭企業(yè)。我國激光再制造技術的應用和發(fā)展面臨如下挑戰(zhàn)。
（一）激光再制造專用材料發(fā)展落后
我國激光再制造專用材料“卡脖子”問題突出，具體表現(xiàn)為：激光再制造粉材與絲材等專用新材料方面發(fā)展較為滯后，專有材料選擇局限性較大，面臨品種少、供應商少、高性能修復材料缺乏等問題，且專有材料的可靠性、穩(wěn)定性普遍不高并缺乏驗證。目前國外企業(yè)面向激光增材制造技術已開發(fā)出系列專用材料，如德國斯棱曼激光公司（SLM Solutions）已開發(fā)出鋁基、鎳基、鈦基、鈷基、鐵基、銅基等系列激光增材制造材料，并與自產(chǎn)裝備配套建立了穩(wěn)定的工藝體系。國外的設備廠商在出口時通常采用“裝備+粉末”的捆綁銷售政策，使得我國在進口專用材料時價格昂貴，提高了產(chǎn)品成本，降低了在激光增材再制造領域的競爭力。
（二）核心裝備及部件依賴進口
我國在激光再制造領域已具備一定的裝備研發(fā)能力，但仍以面向工業(yè)應用的設備集成開發(fā)為主，其核心器件，如高光束質(zhì)量激光器及光束整形系統(tǒng)、高品質(zhì)電子槍及高速掃描系統(tǒng)、大功率激光掃描振鏡、動態(tài)聚焦鏡、陣列式高精度噴嘴/噴頭等精密元器件仍然嚴重依賴進口，國產(chǎn)激光制造裝備在工藝穩(wěn)定性、環(huán)境溫度控制等方面與進口品牌仍有較大差距。我國目前已有大族激光智能裝備集團、華工激光工程有限責任公司等一批具有國際影響力的設備廠家，但高端激光裝備市場仍以國外先進企業(yè)為主導，如通快集團（Trumpf）、阿帕奇公司（IPG）、美國相干激光公司（Coherent）、利澤萊恩激光公司（Laserline）等。
（三）企業(yè)對激光再制造技術的理解和認識不足
激光再制造技術為高端裝備修復與再制造提供了新的解決方案，但該技術尚未被裝備行業(yè)廣泛接受和認可。具體原因有：一方面，部分傳統(tǒng)裝備企業(yè)對于新技術的敏感度較低，需要加強推廣提高認識；另一方面，在某一裝備領域引入激光再制造技術時，需經(jīng)過嚴謹?shù)目茖W分析與完備的工藝驗證，盲目引入新技術將帶來裝備運行風險。另外，在產(chǎn)品全生命周期管理中，產(chǎn)品和材料設計需考慮零部件的維護保養(yǎng)與再制造，而傳統(tǒng)裝備部件在設計時并未考慮采用激光再制造進行部件維修，因此，部分裝備部件受結(jié)構(gòu)形式或材料選型方面的限制難以應用激光再制造技術。
（四）行業(yè)標準及體系不健全
在激光修復與再制造領域，我國已有《激光修復技術 術語和定義》、《激光修復通用技術規(guī)范》等國家標準以及部分機械行業(yè)標準和企業(yè)標準，但尚未建立完整的激光再制造技術標準體系，這制約了相關技術成果的累積、固化、推廣和應用。由于欠缺統(tǒng)一的行業(yè)標準體系，部分企業(yè)在激光修復過程中對材料選型和工藝的科學考慮不足，導致修復件失效，造成財產(chǎn)損失甚至是安全事故，進而給激光再制造技術的行業(yè)推廣帶來了負面影響。
五、激光再制造技術的發(fā)展目標
近年來隨著激光修復與再制造技術的不斷發(fā)展，我國激光再制造產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模。經(jīng)估算，2019年我國激光修復與再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模約達到20億元，激光再制造技術在工業(yè)修復領域已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的應用潛力。未來隨著修復質(zhì)量、效率、智能化等方面的進一步提升，激光再制造技術將進一步得到推廣和應用，對裝備設計理念、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、制造服務產(chǎn)生深遠影響?？紤]到技術、產(chǎn)業(yè)、理念的革新，激光再制造技術今后分階段的發(fā)展目標如下。
（一）面向2025年的發(fā)展目標
對接《中國制造2025》提出的再制造發(fā)展戰(zhàn)略，針對高端裝備關鍵零部件對提高修復質(zhì)量和效率的迫切需求，解決目前激光再制造產(chǎn)業(yè)“小、散、弱”的現(xiàn)狀，到2025年，激光再制造技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標為：全面提高激光再制造裝備、材料、工藝水平，不斷滿足不同工業(yè)領域關鍵零部件對高質(zhì)量再制造、現(xiàn)場再制造、在役再制造技術的需求；提高激光再制造及其前后處理工藝的綜合效率，滿足高效再制造的需求；對接“兩機”國產(chǎn)化戰(zhàn)略，解決“兩機”熱端部件等核心部件修復需求；以規(guī)模化為發(fā)展目標，在技術發(fā)展和成本下降的基礎上擴大應用領域、擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模。預計到2025年，我國整體激光再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到100億元。
面向2025年的重點發(fā)展方向為：在技術層面重點發(fā)展激光復合再制造及其關鍵裝備、高速/超高速/寬帶激光再制造裝備與工藝、復雜形狀熱端部件高質(zhì)量激光增材再制造技術、激光再制造過程中的同步檢測與控制、惡劣現(xiàn)場環(huán)境下的激光再制造技術；形成激光復合裝備制造業(yè)、修復服務業(yè)、修復專用粉材及絲材產(chǎn)業(yè)；激光再制造技術向多個領域及其零部件延伸，形成規(guī)?；默F(xiàn)場激光再制造服務行業(yè)。
（二）面向 2035年的發(fā)展目標
制造業(yè)服務化已成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要方向，而激光再制造技術是回收再制造服務的重要支撐技術。為了支撐分布式的激光再制造服務體系，到2035年，激光再制造技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標為：智能化激光再制造技術趨于成熟，零部件激光修復實現(xiàn)自動便捷操作；激光修復與再制造技術形成標準化體系；面向不同工業(yè)領域?qū)す庵悄苄迯图夹g的需求，形成成熟的激光再制造產(chǎn)業(yè)鏈。預計到2035年，我國激光再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到500億元。
面向2035年的重點發(fā)展方向為：在技術層面重點發(fā)展缺陷自動識別與修復工藝智能規(guī)范技術、激光智能修復與再制造技術、激光再制造件壽命精確預測技術；形成激光再制造專用裝備、智能化控制系統(tǒng)及軟件、修復專用材料、再制造服務四大產(chǎn)業(yè)。
（三）面向2050年的發(fā)展目標
人與自然和諧發(fā)展是人類文明發(fā)展的必由之路，隨著再生產(chǎn)品和循環(huán)經(jīng)濟理念的深入人心，再制造技術將走向普及化、家用化。到2050年，激光再制造技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標為：小型化激光快速修復裝備與配套工藝技術成熟；實現(xiàn)極端條件和環(huán)境下的激光再制造；以激光再制造為核心技術的制造服務在高端裝備業(yè)普及化。
面向2050年的重點發(fā)展方向為：在技術層面重點發(fā)展細小損傷的精確監(jiān)測以及微觀組織層面的精密修復；深海、太空、兩極等極端環(huán)境下激光再制造；高端裝備銷售業(yè)轉(zhuǎn)型為高端裝備服務業(yè)并成為主流；激光再制造技術支撐再生產(chǎn)品和循環(huán)經(jīng)濟的普及。
六、激光再制造技術發(fā)展建議
（一）加強戰(zhàn)略層面的積極引導
建議加大對激光再制造專用材料、核心裝備及部件等重點領域的財政支持力度。充分利用國家重大專項、國家重點研發(fā)計劃等資金渠道，采用高校、科研院所、企業(yè)、用戶相結(jié)合的方式，在不斷推動通用型設備及工藝發(fā)展的基礎上，重點支持面向典型易損件的專用激光再制造裝備、材料及工藝的研發(fā)。
（二）建立激光增材再制造材料基因組體系
激光增材再制造技術的不斷發(fā)展對專用材料提出了更高的發(fā)展要求。由于專用材料的非平衡亞穩(wěn)態(tài)特性，與傳統(tǒng)材料相比，專用材料的設計與研發(fā)難度更大、周期更長、過程也更復雜，傳統(tǒng)的方法已難以滿足現(xiàn)在的發(fā)展需要。因此，建議盡快建立具有自身特點的激光增材再制造材料基因組體系，提高專用材料的非平衡亞穩(wěn)態(tài)特性，并建立具有自身基因組高通量的計算依據(jù)及理論。
（三）加快建立完善標準化體系和高層次應用型人才培養(yǎng)體系
建議提高對激光再制造技術及產(chǎn)品的研發(fā)、檢驗與認證的能力，努力促進標準化與產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，建立完善的激光再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展標準體系。加強國際合作，積極對接國際標準化組織，開展相關標準的建立、轉(zhuǎn)化及完善工作。同時，聚焦我國在激光再制造領域?qū)ｉT人才和行業(yè)規(guī)范欠缺的情況，依托國家現(xiàn)有人才培養(yǎng)與引進政策，不斷完善高層次應用型人才的培養(yǎng)體系建設。
（四）加大應用推廣力度，引導行業(yè)整合
建議將政府支持與各種行業(yè)資源相結(jié)合，加強我國激光再制造產(chǎn)業(yè)各分領域的聯(lián)系，拓寬產(chǎn)業(yè)與政府、產(chǎn)業(yè)鏈上下游、產(chǎn)業(yè)之間以及生產(chǎn)企業(yè)和用戶之間的對接通道，加快技術的推廣應用。著重開展分層級、分領域的試點示范專項行動，點面結(jié)合，協(xié)同推進，積極引導和促進社會力量及地方政府的投入，共同推進激光再制造技術的深度應用，促進我國激光再制造產(chǎn)業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展。
（五）加強“產(chǎn)學研用”協(xié)同創(chuàng)新，加快關鍵共性技術創(chuàng)新發(fā)展
建議在激光再制造、全生命周期制造等領域建立國家級研發(fā)平臺，由高校、科研院所和骨干企業(yè)牽頭，打通產(chǎn)業(yè)鏈的上下游，形成完整的材料、裝備、工藝、檢測、應用體系，加快對關鍵共性技術的攻關和創(chuàng)新發(fā)展。面向不同行業(yè)領域，設立各具特色的再制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、再制造產(chǎn)品評估與檢測中心以及協(xié)同創(chuàng)新中心等。
本文作者：姚喆赫、姚建華、向巧，本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2020年第3期
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
