水下局部干法激光增材再制造：原位高质高效的水下装备修复新技术

作者简介

孙桂芳，东北大学与美国密歇根大学联合培养博士、博士后，东南大学机械工程学院教授、博士生导师，广东腐蚀科学与技术创新研究院增材制造耐蚀材料开发与制备课题组组长。主要研究方向为极端服役材料成分设计及特殊环境氛围高性能激光增材制造理论、技术、装备、应用。在国家、省部级科研项目支持下，开发了送粉式局部干法激光增材再制造成套装备和技术，突破了极端服役材料设计方法、环境组织凝固仿真、水下激光增材再制造质量控制等关键技术，形成了特殊环境氛围激光增材冶金理论、失效构件水下激光增材再制造提升机理、腐蚀/疲劳/断裂失效机理、抗氢脆行为调控机制，建立了多种海工材料、核电用钢水下激光增材修复工艺数据库。

韩恩厚，中国工程院院士，华南理工大学教授、博士生导师。广东腐蚀科学与技术创新研究院院长，亚太材料科学院（APAM）院长。于1998年4月从美国麻省理工学院（MIT）回国。研究方向为腐蚀机理、耐腐蚀材料、腐蚀控制技术、工程结构/装备/设施的腐蚀服役安全评价与寿命评估研究与工程应用，材料与装备制造工艺研究（含表面完整性、增材制造等）。三次承担国家“973”计划项目首席科学家，担任国家重大科技专项课题、国家重点研发计划项目、国家自然科学重点基金项目/重大基金课题负责人等。

作者团队基于长期陆上激光增材再制造的研究积累，结合水下局部干法原位修复技术的显著优势，创新性地提出 水下局部干法激光增材再制造技术 ，该技术有望为水下装备原位高质高效修复提供一种全新的技术途径。

随着全球海洋经济的快速发展，海洋工程装备在能源勘探、运输、军事、科研等领域的重要性日益凸显。然而，长期暴露在严苛的海洋环境中，这些装备不可避免地会遭受腐蚀、磨损、裂纹等各种形式的损伤，严重威胁其安全性能与服役寿命。传统的岸上维修或更换部件的方式不仅成本高昂、周期冗长，而且在深海、极地等特殊环境下实施难度极大，甚至难以实现。

▲ 海洋及核电严酷环境服役装备：海底管道（左）；海上风电机组（中）；核电站（右）

根据国际原子能机构(IAEA)报告及世界核工业现状报告(WNISR)，截至2023 年年中，在运行核电站中有265 座反应堆(占全球运行机组的2/3)已运行31 年或更长时间，为了更大发挥现有核电站的发电能力，使其安全运行寿命超过40 年甚至60 年，当务之急是解决核反应堆长期运转老化问题，实现对核电站内部老化构件的快速维修。目前潜水焊工手动焊接修复存在辐射和高温危害，人力成本高昂。核电站的修复与延寿已经成为各国监管者、运营者和公用事业部门面临的重大挑战。因此，寻求高效、便捷且能在现场直接进行的水下原位修复技术成为亟待解决的关键课题。

▲水下局部干法激光增材再制造技术的核心原理：原理图（左）、装备构成（中）和实验过程（右）

根据水环境对修复过程作用机制的差异，水下原位修复技术可分为水下湿法、水下干法和水下局部干法三种类型。其中，水下局部干法原位修复技术利用特制排水装置创造水下局部干区，在此区域内对受损部位进行修复。与水下湿法和水下干法相比，水下局部干法兼具环境适应性和装备灵活性，具有设备简单、作业周期短、成本较低等优势，已成为水下修复领域的研究热点。激光增材再制造技术是一种先进的装备高性能修复技术，已在高端装备维修中获得重要应用。激光增材再制造技术是以激光束为热源，通过在受损构件表面熔化金属粉末实现修复，能够高质量恢复受损构件的几何形状和力学性能，显著延长装备服役寿命。同时，激光增材再制造技术还具有凝固组织精细、界面结合强度高及表面性能灵活调控等突出优势，在海洋工程和核电修复领域展现出广阔的应用前景。

▲ 水下局部干法激光增材再制造过程与陆上环境激光增材再制造过程示意图。(a)水下高压环境；(b)陆上常压环境

经过近十年的技术攻关，作者团队成功研发了水下激光增材再制造技术，并将其打造为一项崭新的水下现场修复/制造工艺。其核心优势包括：成形高效灵活、修复性能优异。无需拆卸装备，可在海洋、核电等复杂水下环境中自由成形作业；修复区组织精细、力学性能接近甚至优于陆上修复水平。有望在海底管道、海上钻井平台、核电站等各类水下工程装备的原位修复和制造上得到广泛应用。该技术涉及多学科融合，整合了激光技术、材料科学、流体力学与智能控制，为海洋装备延寿与核电站安全运维提供全新解决方案。

《水下局部干法激光增材再制造技术》

孙桂芳等著

北京 : 科学出版社, 2025. 3

ISBN 978-7-03-081249-0

《水下局部干法激光增材再制造技术》系统总结了作者团队近年来在水下激光增材再制造工艺和技术研发方面所取得的研究成果，详细阐述水下激光增材再制造系统组成和工艺实施过程。书中总结了水下激光增材再制造修复典型海洋工程金属材料过程中，激光增材工艺参数和水环境对修复区的宏观形貌、缺陷形成、组织凝固和综合性能的影响规律，揭示了激光急热急冷协同水环境强制冷却对熔池流动和凝固行为的影响机制，并提出水下激光增材修复过程及修复质量调控策略。同时，本书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。

全书内容丰富、特色鲜明，适用于海洋工程、材料科学、机械制造等领域的科研人员、工程师及高校师生阅读。通过阅读本书，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。

本文摘编自《水下局部干法激光增材再制造技术》（孙桂芳等著.北京 : 科学出版社, 2025. 3）一书“前言”“后记”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-081249-0

责任编辑：惠 雪 曾佳佳 李佳琴

本书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，为读者呈现该领域最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。

（本文编辑：刘四旦）

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