《水下局部干法激光增材再制造技术》聚焦于水下局部干法激光增材再制造技术在海洋工程装备、核电站等水下原位修复领域中的应用前景，为读者呈现该领域*新的科研成果与实践经验，详细阐述了水下局部干法激光增材再制造技术的原理、工艺流程以及复杂冶金机制。通过对水下作业环境的深入分析，《水下局部干法激光增材再制造技术》揭示了该技术在水下修复中的*特优势。同时，结合大量实验室修复案例，展示了水下局部干法激光增材再制造技术在提升海洋工程装备性能、延长服役寿命方面的显著效果。通过阅读《水下局部干法激光增材再制造技术》，读者不仅能够深入了解水下局部干法激光增材再制造技术的原理和应用场景，还能够掌握相关操作技能，为实际工程应用提供有力支持。

目录
第1章 绪论 1
1.1 再制造工程的特征及内涵 2
1.2 水下原位修复背景与意义 4
1.3 水下原位修复技术体系 5
1.3.1 水下电弧焊接技术 5
1.3.2 水下激光填丝焊接技术 8
1.4 水下局部干法激光沉积再制造技术及系统组成 10
1.5 水下局部干法激光沉积再制造技术应用前景 14
1.5.1 技术研究层面 14
1.5.2 技术管理层面 14
1.5.3 技术应用层面 15
参考文献 15
第2章 水下压力环境对激光沉积熔池凝固影响机制研究 17
2.1 水下压力环境激光沉积实验 17
2.2 数学模型建立 18
2.2.1 外部因素对沉积轨迹轮廓的影响 18
2.2.2 外部因素对马兰戈尼对流的影响 20
2.2.3 外部因素对枝晶生长的影响 21
2.3 沉积轨迹轮廓演化 22
2.4 熔池动力学演化 25
2.5 枝晶生长演化 28
2.5.1 枝晶形貌 28
2.5.2 溶质分布 29
参考文献 33
第3章 水下激光沉积再制造钛合金 35
3.1 水下激光沉积再制造Ti-6Al-4V实验及温度历程分析 35
3.1.1 水下激光沉积再制造Ti-6Al-4V工艺实验 35
3.1.2 水下激光沉积再制造Ti-6Al-4V温度场建模 39
3.2 水下激光沉积再制造Ti-6Al-4V微观组织演变 44
3.2.1 水下激光沉积再制造Ti-6Al-4V微观组织表征 44
3.2.2 热循环过程对组织演化及元素扩散的影响 52
3.3 水下激光沉积再制造Ti-6Al-4V力学性能分析 56
3.3.1 水下激光沉积再制造Ti-6Al-4V力学性能表征 56
3.3.2 微观组织对力学性能的影响 59
3.4 水下激光沉积再制造Ti-6Al-4V疲劳特性 61
3.4.1 水下激光沉积再制造Ti-6Al-4V疲劳实验过程 61
3.4.2 水下激光沉积再制造Ti-6Al-4V疲劳行为分析 62
3.4.3 组织、缺陷及残余应力对短疲劳裂纹萌生和扩展的
影响机制 69
参考文献 76
第4章 水下激光沉积再制造低合金高强钢 81
4.1 水下激光沉积再制造HSLA-100组织演变及力学性能分析 81
4.1.1 水下激光沉积再制造HSLA-100工艺实验及温度历程分析 81
4.1.2 水下激光沉积再制造HSLA-100微观组织表征 87
4.1.3 水下激光沉积再制造热动力学过程对微观组织形成/演变的
影响机制 94
4.1.4 水下激光沉积再制 HSLA-100力学性能表征 97
4.1.5 微观组织演变和冶金缺陷对力学性能的影响 99
4.2 水下激光沉积再制造NV E690组织演变及力学性能分析 100
4.2.1 水下激光沉积再制造NV E690高强钢工艺实验 100
4.2.2 水下激光沉积再制造NV E690微观组织表征 100
4.2.3 水下环境对激光沉积再制造 NV E690 微观组织演变的影响 104
4.2.4 水下激光沉积再制造NV E690力学性能 110
4.2.5 微观组织对力学性能的影响 113
4.3 水下激光沉积再制造NV E690耐蚀性能提升策略 115
4.3.1 水下激光沉积再制造NV E690耐蚀涂层制备工艺实验 115
4.3.2 水下激光沉积再制造316L不锈钢耐蚀涂层微观组织分析 116
4.3.3 水下激光沉积再制造316L不锈钢耐蚀涂层宏观偏析机制 120
4.3.4 水下激光沉积再制造耐蚀涂层腐蚀性能评估 122
4.3.5 水下激光沉积再制造耐蚀涂层组织特征对腐蚀行为的影响 128
4.3.6 水下激光沉积再制造制备耐蚀涂层启示 131
参考文献 132
第5章 水下激光沉积再制造马氏体时效钢 138
5.1 水下激光沉积再制造18Ni300工艺实验 138
5.2 水下激光沉积再制造18Ni300微观组织演变 142
5.2.1 水下激光沉积再制造18Ni300微观组织表征 142
5.2.2 水下环境对微观组织演变的影响 145
5.3 水下激光沉积再制造18Ni300力学性能分析 147
5.3.1 水下激光沉积再制造18Ni300力学性能表征 147
5.3.2 微观组织对力学性能的影响 149
5.4 水下激光沉积再制造18Ni300冲蚀性能分析 150
5.4.1 冲蚀磨损实验设置 150
5.4.2 18Ni300修复试样冲蚀磨损行为及形貌分析 150
5.4.3 修复试样冲蚀磨损机制分析 153
参考文献 155
第6章 水下激光沉积再制造高氮钢 158
6.1 水下激光沉积再制造低氮HNS微观组织演变及力学性能分析 158
6.1.1 水下激光沉积再制造低氮HNS工艺实验 158
6.1.2 水下激光沉积再制造低氮HNS微观组织表征 159
6.1.3 水冷效应对碳化物析出的影响 164
6.1.4 水下激光沉积再制造低氮HNS力学性能表征 170
6.1.5 微观组织对低氮HNS力学性能的影响 171
6.2 水下激光沉积再制造高氮HNS微观组织演变及力学性能分析 172
6.2.1 水下激光沉积再制造高氮HNS工艺实验及孔隙缺陷分析 172
6.2.2 水下压力环境对熔池氮行为的影响 173
6.2.3 水下激光沉积再制造高氮HNS微观组织表征 175
6.2.4 水下压力环境对铁素体向奥氏体转变的影响 180
6.2.5 水下激光沉积再制造高氮HNS力学性能表征 181
6.2.6 水下压力环境对高氮HNS力学性能的影响 183
6.3 水下压力环境氮分压调控水下激光沉积再制造高氮HNS185
6.3.1 氮分压调控水下激光沉积再制造高氮HNS工艺实验 185
6.3.2 氮分压调控高氮HNS修复试样微观组织表征 187
6.3.3 修复试样氧、氮含量分析 192
6.3.4 氮分压对修复试样微观组织演变的影响 194
6.3.5 氮分压调控对高氮HNS力学性能的影响 196
参考文献 198
后记 203

第1章绪论
　　随着陆地资源逐渐枯竭和环境要求越来越高，开发海洋和核电能源迅速发展，在能源消费结构中发挥重要作用，优先发展核电技术已被列入我国能源中长期发展战略。我国是一个负陆面海、陆海兼备的大国，提高海洋开发、控制和综合管理能力，事关经济社会长远发展和国家安全的大局[1]。经略海洋，装备先行。海洋装备几乎是所有海洋活动的基本支撑，如以海上风电、海上钻井平台为代表的海洋资源开发，以无人潜航器、水下机器人为代表的海底勘探和海洋安全维护。然而，我国海洋装备制造起步较晚，仍存在发展滞后、部分设备依赖进口等问题[2]。工欲善其事，必先利其器。发展高端海洋工程装备，努力拓展蓝色发展空间，打造海洋高质量发展战略要地，对加快海洋开发、保障战略运输安全、促进国民经济持续增长、维护国家海洋权益等方面具有重要意义，是建设“海洋强国”的必经之路。
　　海洋极端服役环境协同工作载荷极易造成海工装备损伤及结构破坏，如高盐、高湿协同海洋生物污损的强腐蚀环境易诱发金属溶解，形成孔洞、裂纹，*终导致结构失效；风浪侵袭、洋流冲刷和极端气候的流体动载荷易导致设备位移、疲劳损伤、连接件松动；深海环境的高静水压力易致使材料屈服、变形甚至断裂；海底沉积物冲刷协同泥沙磨损易造成装备表面损伤、腐蚀风险加剧、材料刚度和稳定性下降[3_5]。由此可见，海洋极端环境下海工装备损伤形式多样，危害极大。压水堆核电站核岛一回路主管道（内径约78.7cm）长期处于高温、高压、蒸汽高速冲刷以及酸性介质腐蚀的工况，并长期受到中子辐照，此外还要经受启停、振动以及温度和压力波动等条件的影响。这些因素极易引起管道出现晶间腐蚀、应力腐蚀、表面磨蚀及热老化引起的材料脆化等缺陷，对核电站安全运行构成严重威胁。若能及时发现并修复关键结构件的损伤，实现受损海工、核电装备再制造，
　　可显著延长其服役寿命，保障服役安全。
　　然而，大量水下在役海工装备，如海底管道、深水导管架、海底采油树、无人潜航器、核电站一回路管道、压力容器燃料棒等很难移出水面进行修复再制造，并且构件修复/更换成本高、周期长、难度极大。因此，实现水下现场高质量修复再制造的需求十分迫切。水下局部干法技术因其操作简便而被广泛应用，基于局部干法的电弧焊接和激光填丝焊接/熔覆是当前重点研究的两种修复方法。水下电弧焊接修复效率高、成本低[6]；水下激光填丝焊接/熔覆光束传输稳定，工艺过程可控，水下冶金性能良好[7]。近年来，海洋工程装备对水下修复提出了高强度、高可靠性、耐腐蚀、抗疲劳等性能要求，因此，仍需探索新型、稳定、高效的水下修复方式，以满足海洋工程复杂结构件的高质量修复要求。
　　同轴送粉式激光沉积再制造技术利用激光束快速加热和冷却的特点，在待修复件表面沉积同种或异种合金粉末，具有沉积组织致密、界面结合强度高、构件变形小和路径规划简单等优点，能显著修复/强化工件表面性能，大幅度延长装备服役寿命[8，9]。该技术广泛用于飞机起落架、航空发动机叶片、铁路轨道等关重件的修复再制造。因此，将该技术应用到水下环境进行原位修复，开发水下激光沉积再制造技术，可为海洋工程装备的高质量修复提供新的技术途径。
　　1.1再制造工程的特征及内涵
　　进入21世纪后，随着科学技术的进步，以优质、高效、安全、可靠、节能、节材为目标的先进制造技术在全世界得到了飞速发展。机械设备向着高精度、高自动化、高智能化发展，其服役条件更加苛刻，对机械零部件的维修要求更高，用传统维修手段难以达到要求。随着先进制造技术及设备工程技术的不断发展，制造与维修将越来越趋于统一。未来的制造与维修工程将是一个考虑设备和零部件设计、制造和运行全过程的系统工程。先进制造技术将统筹考虑整个设备寿命周期内的维修策略，而维修技术也将渗透到产品的制造工艺中，“维修”已被赋予了更广泛的含义[10]。
　　再制造是指对因功能性损坏或技术性淘汰等原因而不再使用的零部件，进行专业化修复或升级改造，使其质量特性和安全环保性能不低于原型新品的过程。作为循环经济“再利用”原则的高级形式，再制造以其复杂的技术工艺水平、良好的经济价格优势、领先的节能降碳效果而被誉为循环经济发展的一颗明珠。与
　　新品制造相比，再制造可节能60%、节材70%、降低污染物排放80%以上。再制造产业具有良好的发展潜力，是激活经济内循环体系，促进经济高质量发展的重要内容。
　　1999年，徐滨士院士在中国*次提出“再制造”，二十多年来，再制造作为一种以机电产品全寿命周期理论为指导，利用高技术手段实现废旧产品修复和改造的新型制造模式，其节能省材、绿色低碳的特性成为解决工业废弃物处置难题，降低工业化进程对环境影响的有效途径，在建设循环经济体系以及落实推动经济发展绿色化、低碳化目标的过程中发挥了重要作用。我国再制造发展实行政策先行、创新驱动、产业支撑的方针策略。作为国家着力发展的战略性新兴产业，从“十五”期间技术论证理论探索，“十一五”期间有序组织开展试点工作，“十二五”期间全面布局推进完善再制造政策体系，“十三五”期间加速落实再制造产业高质量发展，到“十四五”期间持续深化再制造产业改革，我国再制造的蓬勃发展受益于顶层设计和统筹规划。《中华人民共和国循环经济促进法》、《关于推进再制造产业发展的意见》和《中国制造2025》等一系列政策措施的出台，进一步推动了再制造技术的应用创新和产业的规范化、规模化发展。根据“十四五”期间发布的《“十四五”循环经济发展规划》及《“十四五”工业绿色发展规划》，要将高端智能再制造作为未来再制造重点研发领域，拓宽再制造产业模式、落实再制造产业高质量发展等，高度契合了绿水青山就是金山银山的可持续发展理念。
　　再制造是一项复杂的系统工程，促进再制造的高质量发展不仅需要政策支持，也需要完善的技术体系和理论支撑。自20世纪90年代以来，我国的再制造工程在维修工程、表面工程基础上取得了长足发展，形成了以拆解与清洗技术、损伤检测和寿命评估技术、成形修复和强化技术等为关键技术，涵盖拆解和清洗、检测评估、成形加工、装配调试等多个环节的再制造工艺流程，如图1-1所示。相较于欧美国家早期普遍采取的以简单废弃替换和尺寸修整为核心的再制造模式，当下所推崇的基于寿命评估、尺寸复原与性能强化的增材再制造理念，展现出了对零部件修复更为宽泛的适应性和更高的资源利用率。这种模式不仅更有效地保全了废旧零部件内蕴的剩余价值，显著减少了对新资源与能源的需求，而且在经济效益与环保效益上呈现出显著优势。
　　再制造作为先进制造体系中不可或缺的一环，其重要性不言而喻。在信息技术、生物技术、纳米技术、新能源以及新材料等诸多高新技术领域呈井喷式发展
　　图1-1机械零部件再制造工艺流程
　　的态势下，全球制造科技正经历一场深刻的变革。这些新兴科技力量不仅革新了传统制造的理念与实践，更对再制造领域产生了深远影响。机械设备在其生命周期内，历经数载乃至十数年的服役，直至达到法定或功能性的报废状态。其间，科技的车轮滚滚向前，层出不穷的新技术、新材料不断涌现，为老旧设备的再制造提供了丰富的创新资源。通过巧妙地运用这些*新科技成果，对即将退役或已报废的机械设备进行再制造，不仅能赋予其新生，更使得再制造产品的质量和性能得以显著提升，甚至在某些方面超越新出厂产品。再制造能够充分挖掘废旧机电产品中蕴含的高附加值，以汽车发动机为例，原材料的价值只占15%，而产品附加值却高达85%。再制造过程中由于充分利用废旧产品中的附加值，能源消耗是新品制造的50%，劳动力消耗是新品制造的67%，原材料消耗是新品制造的15%？。
　　1.2水下原位修复背景与意义
　　随着人口指数增长和自然资源的逐渐短缺，海洋成为当今时代工业和信息发展的重要领域，建设海洋强国成为我国新时代发展方针中的重要组成部分，海洋开发进入了新的阶段。国际经济政治和外交形势的深刻变革，也促使我国继续调整海洋战略的结构部署，坚持南海海域的合理开发，未来将会有更多的海上工程出现在我国海域，海洋工程建设和开发将会如火如荼地展开。
　　与此同时，深海潜器、海洋燃气轮机、深海空间站等的应用开发也进入了新的阶段。深海空间站能为我国海洋科学研究、深水资源探测、国防观测等提供运输、维修、紧急救援等功能，而各类深海潜器在海底探矿、深海高精度地形勘探、生物探测、可疑物考察与捕获等方面起着无比重要的作用。这些机构和设备与陆地使用不同，在海洋服役的海洋工程装备除了会承受正常的工作载荷外，还要承受海水腐蚀、生物污损、洋流冲刷、泥沙磨损以及风暴、波浪和潮汐等引起的附加载荷作用，更容易出现表面缺损而失效。此外，水下在役海工装备很难移出水面进行修复再制造，并且构件修复/更换成本高、周期长、难度极大。因此，实现水下现场高质量修复再制造的需求十分迫切。水下应急修复和日常维护工作成为目前海洋工程建设中亟待解决的关键技术，水下原位修复技术也成为国内外研究者人员争相努力攻破的技术难题之一。
　　在军事领域同样亟待发展水下原位修复技术。航母是现代科学技术的产物，也是一个非常复杂的系统工程，是将通信、情报、作战信息、反潜反导装置及后勤保障整合为一体的大型水面战斗基地平台。但航母及其配套舰艇在海洋环境中会遭受多种类型的损伤，主要包括船体腐蚀、船体结构变形、磨损和裂缝等。船体腐蚀、磨损和疲劳损伤程度随着服役时间的延长而增长；当达到一定程度后，势必削弱船体强度，严重时将难以保证服役性能要求，直接影响舰艇的使用寿命。美国智库战略与预算评估中心发布《水下战新纪元》，英国、德国、日本等发达国家也纷纷开始积极探索深海大型装备现场修复技术。
　　迅速现场修复破损的舰船装备，以保持海上战斗力、掌握海上战斗的主动权，对保证战斗的胜利有着十分重要的意义。因此，各海军强国都非常重视对现役舰船结构损伤现场抢修技术的研究。第二次世界大战中美“企业”号航空母舰、1982年马尔维纳斯群岛战争时英“格拉摩根”号驱逐舰经抢修而迅速恢复并投入战斗。然而，英美两国当时都是及时派出修理船队到战场附近进行修理，严格来说尚不能称为结构损伤的“现场抢修”。寻找一种适合于海战时使用的损伤结构现场抢修方法，研制奇缺的快速抢修设备，对保障我军战斗力有重要意义。
　　1.3水下原位修复技术体系
　　当前水下修复技术主要包括水下电弧焊接技术和水下激光填丝焊接技术，根据焊接作业实施环境的不同可分为干法焊接和湿法焊接[11，12]。
　　1.3.1水下电弧焊接技术
　　如图1-2所示，根据作业环境，水下电弧焊接技术一般分为三类：水下湿法电弧焊接技术、水下干法电弧焊接技术和水下局部干法电弧焊接技术。
　　图1-2三种水下电弧焊接技术实施示意图[12]
　　（1）水下湿法电弧焊接技术在海洋工程结构的建造和维修中一直发挥着重要作用。该方法不采用排水装置，焊枪和焊丝均直接暴露在水下环境中，电弧燃烧及熔池凝固过程均在水中进行。水下湿法电弧焊接技术的优点是所需设备简单、焊接成本较低、水下操作简便。该技术的缺点是水压的存在导致电弧不稳定、焊缝表面质量差、焊缝富集氢元素而易发生氢脆等[12]。
　　近些年来，水下湿法电弧焊接技术主要集中于对焊接材料及焊接工艺的开发，可通过研究改进水下焊接焊条和水下药芯焊丝，推动水下湿法电弧焊接技术的应用。目前所得水下焊缝的质量已达到美国焊接学会的标准。我国自20世纪60年代开始研发水下专用焊条，现在主要产品有TSH-1、TS202、TS203及TS208，中国船舶重工集团公司第七二五研究所（洛阳船舶材料研究所）开发的TS208适用于Q345钢的焊接，抗拉强度大于530MPa，研究者将其与国外****进行了对比实验，获得了满意的结果[13]。发达国家对水下湿法电弧焊接技术进行了大量研究，英国已将水下湿法电弧焊接技术应用于北海钻井平台的修建和维护，美国也将水下湿法电弧焊接技术应用于潜艇的维护工作。在我国，哈尔滨工业大学和山东大学等单位也在水下湿法电弧焊接领域开展了