定向能沉積（DED）增材制造：物理特性、缺陷、挑戰(zhàn)和應(yīng)用（1）

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文概述了高端應(yīng)用、當(dāng)前與DED處理相關(guān)的挑戰(zhàn)以及該技術(shù)的重要前景。本文為第一部分。


定向能量沉積（DED）是增材制造（AM）工藝的一個(gè)分支，在該工藝中，粉末或金屬絲形式的原料被輸送到同時(shí)聚焦激光束、電子束或等離子/電弧等能量源的基板上，從而形成一個(gè)小熔池并逐層連續(xù)沉積材料。與其他AM工藝相比，DED具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如特定位置的沉積和修復(fù)、合金設(shè)計(jì)和復(fù)雜形狀的三維打印。在此，對(duì)近年來(lái)的進(jìn)展以及在DED過(guò)程中控制激光與材料相互作用的主要方面、熔池?zé)嵝袨�、先進(jìn)的原位監(jiān)測(cè)和相互作用機(jī)制進(jìn)行了評(píng)述。還確定并討論了最關(guān)鍵的工藝變量及其對(duì)沉積材料性能的影響，以及缺陷形成機(jī)制和表征技術(shù)。本文概述了高端應(yīng)用、當(dāng)前與DED處理相關(guān)的挑戰(zhàn)以及該技術(shù)的重要前景。

介紹
增材制造（AM），也稱(chēng)為三維（3D）打印，已被確定為構(gòu)成第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）的12項(xiàng)顛覆性技術(shù)之一。2013年，GE航空公司的生產(chǎn)線采用了金屬AM。2018年，GE航空已經(jīng)生產(chǎn)了23000多個(gè)飛行質(zhì)量附加部件，并計(jì)劃到2020年生產(chǎn)100000個(gè)部件。近年來(lái)，金屬AM市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于聚合物或陶瓷市場(chǎng)。到2027年，航空航天、汽車(chē)和能源行業(yè)可能占總收入的52%。預(yù)計(jì)基于AM的維修將與新的制造技術(shù)一起作為實(shí)際應(yīng)用出現(xiàn)。

粉末床聚變（PBF）和定向能沉積（DED）是兩種重要的AM工藝，能夠?yàn)椴煌�的工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)完全致密的金屬零件。它們不同的粉末輸送機(jī)制影響零件的復(fù)雜性、支撐要求、材料使用的靈活性以及沉積零件的表面粗糙度。2019年，PBF和DED系統(tǒng)在金屬AM市場(chǎng)的收入市場(chǎng)份額分別為85%和8.3%。預(yù)計(jì)在未來(lái)五年內(nèi)，DED技術(shù)的收入份額將增至11.1%，而PBF將降至63%。在另一份報(bào)告中，預(yù)計(jì)到2025年，DED市場(chǎng)將達(dá)到近7.55億美元。

粉末床聚變激光工藝。

DED制造的零件的質(zhì)量和性能取決于（i）DED技術(shù)的類(lèi)型（包括原料和熱源的類(lèi)型）；（ii）建造環(huán)境（真空、惰性氣體或環(huán)境）；（iii）梁-材料相互作用；（iv）沉積參數(shù)（主要是激光粉末、激光掃描速度、艙口間距、送粉速度、激光掃描策略）；和（v）原料屬性。此外，在逐層沉積過(guò)程中，DED沉積零件會(huì)經(jīng)歷快速重復(fù)的加熱-冷卻循環(huán)，從而產(chǎn)生獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)特征、非平衡相、凝固開(kāi)裂、定向凝固、殘余應(yīng)力、氣孔、分層和翹曲。一般來(lái)說(shuō)，由于沉積的方向性，DED樣品通常在力學(xué)性能和非均勻微觀結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)出各向異性。因此，DED工藝的熱歷史控制著宏觀組織和微觀組織，這可能會(huì)影響沉積零件的機(jī)械性能。通過(guò)工藝優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和反饋控制，可以消除或至少顯著減少與金屬AM相關(guān)的一些缺陷，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的部件質(zhì)量。

帶熱監(jiān)測(cè)的吹塑粉末直接激光沉積（DLD）。

一些關(guān)于金屬AM的廣譜評(píng)論集中在AM技術(shù)、應(yīng)用和/或材料上，而只有少數(shù)專(zhuān)門(mén)討論DED技術(shù)。這些課程的重點(diǎn)是熱和流體現(xiàn)象、工藝參數(shù)圖、優(yōu)化和控制、機(jī)械行為和應(yīng)用。近年來(lái)，DED技術(shù)在合金設(shè)計(jì)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)修復(fù)和雙金屬/多材料結(jié)構(gòu)方面取得了重大發(fā)展。本文綜述了激光與材料的相互作用、電沉積器件最關(guān)鍵的加工變量以及沉積材料中缺陷的形成和表征。為了完整起見(jiàn)，本文還對(duì)DED的原理、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行了更簡(jiǎn)明的總結(jié)，并簡(jiǎn)要討論了當(dāng)前的挑戰(zhàn)和未來(lái)的方向。

DLD期間帶熔池的熱影響區(qū)（HAZ）。

熔池（或熔池）是靠近激光/材料界面的過(guò)熱熔融金屬區(qū)域，通常為以橫向速度移動(dòng)的球形液滴。如上圖所示，它位于熱影響區(qū)的頂部，熱力學(xué)不穩(wěn)定——由于周?chē)�的傳熱和�?固相互作用（在壁面和由于吹出的粉末），它的形狀和內(nèi)能可以調(diào)整。金屬粉末被吹入其中，而激光通過(guò)能量轉(zhuǎn)移確保其生存。由于熔池是固體零件的起始，其形態(tài)、溫度和潤(rùn)濕行為在質(zhì)量控制中至關(guān)重要。成品零件的尺寸公差和微觀結(jié)構(gòu)特征，以及殘余應(yīng)力的存在，取決于DLD過(guò)程中的熔池行為和形狀。

定向能沉積（DED）-原理、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

本節(jié)簡(jiǎn)要總結(jié)了DED的一般原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，主要與PBF進(jìn)行了比較。從另一方面來(lái)說(shuō)，具有高機(jī)械性能的多功能材料和多功能材料的快速生產(chǎn)能力是兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)。還對(duì)不同熱源或不同原料的DED工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要比較。

DED是一種AM工藝，非常適用于高性能材料的沉積，如不銹鋼、工具鋼、合金鋼、鈦基合金、鈷基合金、鎳基合金、鋁合金、高熵合金、金屬間化合物、形狀記憶合金（SMA）、陶瓷、復(fù)合材料和功能梯度材料（FGM）。DED使用高能量密度熱源（激光、電子束或等離子/電弧），聚焦在基板上，形成一個(gè)小熔池，同時(shí)熔化以粉末或金屬絲的形式輸送到熔池中的原料。隨著熱源向前移動(dòng)，沉積的金屬在基板上固化，形成金屬軌道。金屬軌道根據(jù)預(yù)定義的圖案填充間距（即連續(xù)金屬軌道之間的距離）相互重疊。沉積完成后，將沉積層（圖1b）向上移動(dòng)至下一層（圖1b）。因此，所有層的沉積產(chǎn)生一個(gè)3D近凈形狀組件，類(lèi)似于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型。沉積前，使用軟件對(duì)3D數(shù)字模型進(jìn)行切片，以指定切片厚度、圖案填充間距和每層中的沉積路徑。

圖1 （a）從材料設(shè)計(jì)到維修再到應(yīng)用，DED相對(duì)于PBF的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)示意圖。（b）微觀結(jié)構(gòu)、多界面、熱循環(huán)、缺陷和殘余應(yīng)力，以及（c）DED中注入的粉末、激光束和熔池之間的相互作用，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致熔池中形成小孔。

根據(jù)能源和原料類(lèi)型，商用技術(shù)被稱(chēng)為激光金屬沉積（LMD）、直接金屬沉積（DMD）、激光固體成形（LSF）、LENS™, 定向光制造（DLF）、電子束增材制造（EBAM®）或?qū)Ь�加電弧增材制造（WAAM）。一些DED技術(shù)，如透鏡、DLF和EBAM，將金屬沉積在帶有受控大氣手套箱或真空的密閉室內(nèi)，而DMD和WAAM使用受控惰性氣體保護(hù)罩來(lái)防止沉積物氧化。一些DED系統(tǒng)可以同時(shí)沉積多種材料，并允許多軸沉積處理合理復(fù)雜的幾何形狀。DED也是填補(bǔ)裂紋、改裝制造零件和修復(fù)高價(jià)值金屬零件的有用技術(shù)。

由美國(guó)3D系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)的ProX 200直接打印的金屬零件。

一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)適用于DED工藝。ASTM 3413列出了DED工藝的以下優(yōu)點(diǎn)：（1）原料范圍廣泛；（2）可加工多種材料、復(fù)合材料和功能梯度材料；（3）沉積態(tài)零件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能通常優(yōu)于PBF沉積零件；（4）零件特性可局部調(diào)整；（5）在一臺(tái)機(jī)器上打印完整零件或局部特征、涂層或維修；（6）高沉積速率；（7）與PBF相比，部件可能更大；（7）與傳統(tǒng)制造工藝相比，設(shè)計(jì)自由度通常較高；（8）與其他AM流程相比，高技術(shù)準(zhǔn)備水平（TRL）或制造準(zhǔn)備水平（MRL）；（9）有些DED機(jī)器是混合的，即它們?cè)试S增減材制造；（10）可以在非水平表面上進(jìn)行AM；（11）與使用激光的PBF相比，使用激光的DED使用的粉末粒度更大（既有成本優(yōu)勢(shì)，也有安全優(yōu)勢(shì)）；（12）當(dāng)使用帶有送絲、電子束能量源和真空室的DED系統(tǒng)時(shí)，在零重力環(huán)境下進(jìn)行空間打印是可能的。

用Sciaky的EBAM™制作的大鈦部件（72英寸長(zhǎng)）。

DED工藝有以下缺點(diǎn)：（1）局部溫差會(huì)導(dǎo)致收縮、殘余應(yīng)力和變形；（2）與使用激光束的PBF相比，它們的尺寸分辨率（有時(shí)精度）較低，表面波紋度較大；（3）在吹制粉末系統(tǒng)中，與激光束PBF相比，獲得了更高的表面粗糙度；（4）零件的復(fù)雜性可能會(huì)受到限制，尤其是在限制在三個(gè)自由度的機(jī)器中；（5）通常需要進(jìn)行制造后加工；（6）與PBF相比，粉末效率和粉末可回收性更低，尤其是在打印粉末混合物時(shí)。圖1a顯示了從材料設(shè)計(jì)到修復(fù)再到應(yīng)用，DED相對(duì)于PBF的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)示意圖。涉及先進(jìn)材料設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)、功能和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的研究領(lǐng)域只能使用基于DED的金屬和多材料AM。

DED的應(yīng)用
在介紹了DED及其優(yōu)缺點(diǎn)之后，本節(jié)重點(diǎn)介紹了DED在合金設(shè)計(jì)和多材料結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)制造、維修和涂層方面的一些現(xiàn)有和新興獨(dú)特應(yīng)用。

自1990年中期DED技術(shù)商業(yè)化以來(lái)，除了打印3D結(jié)構(gòu)外，它獨(dú)特的功能還可以在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。圖2顯示了DED技術(shù)在制造大型結(jié)構(gòu)、修復(fù)和涂層方面的一些獨(dú)特應(yīng)用。大型、高價(jià)值金屬零件的維修在工業(yè)上是一種常見(jiàn)做法，通常使用焊接，然后進(jìn)行表面處理。然而，對(duì)于大型和/或昂貴的零件，DED技術(shù)可以修復(fù)結(jié)構(gòu)，并在修復(fù)過(guò)程中添加材料，以盡量減少未來(lái)的侵蝕或損壞（圖2b）。

圖2 DED在大型零件制造、維修和涂層中的應(yīng)用。（a）多種修復(fù)和沉積策略。（b）大型管狀結(jié)構(gòu)的修復(fù)。（c）鈦上的鉭涂層，除了在體外提高生物活性外，還顯示出強(qiáng)大的結(jié)合力。（d）鈦表面的磷酸鈣涂層可提高生物活性（e）為航空航天應(yīng)用而制造的大型火箭噴管。（f）硬質(zhì)金屬碳化物涂層，金剛石增強(qiáng)，用于刀具應(yīng)用。

這是通過(guò)在DED中使用計(jì)算機(jī)控制的沉積頭來(lái)完成的，以根據(jù)被修復(fù)零件的CAD文件沉積材料。首先，分析零件的常見(jiàn)損壞區(qū)域，例如熱降解或磨損，然后在目標(biāo)位置沉積與基體合金相容的更高硬度或耐高溫材料。由于DED是一種熔融鑄造工藝，因此可以通過(guò)擴(kuò)散界面獲得良好的冶金結(jié)合。由于快速冷卻速度和高熱梯度，后熱處理有時(shí)用于降低殘余應(yīng)力。最后，完成表面修整以滿(mǎn)足必要的公差。圖2e顯示了NASA的半比例尺1.016 米高，RS25火箭噴管內(nèi)襯，內(nèi)置30毫米，使用激光粉末可減少航空航天應(yīng)用的成本和交付周期。使用任何其他AM技術(shù)制造此類(lèi)大型金屬零件都具有挑戰(zhàn)性，并且通常是傳統(tǒng)制造中的大規(guī)模多步驟工藝。圖2a顯示了該透鏡可用于修復(fù)Inconel 718和其他金屬的內(nèi)部缺陷。

然而，由DED和傳統(tǒng)純帽涂層制成的鈦帽涂層的生物相容性改善幾乎相同。圖2f展示了切削刀具應(yīng)用中的含金剛石粉塵的金屬碳化物硬質(zhì)涂層。這些涂層沒(méi)有大面積開(kāi)裂，顯示出多個(gè)增強(qiáng)相，并且在鋁和AM鈦的加工中發(fā)現(xiàn)有用。上述所有涂層均已應(yīng)用于通過(guò)傳統(tǒng)方法制造的零件。然而，DED的新穎之處在于，它能夠通過(guò)使用保持強(qiáng)冶金結(jié)合的涂層，在成品表面沉積沉積物，以改善現(xiàn)場(chǎng)特定性能。

圖3顯示了DED工藝的其他兩個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域:合金設(shè)計(jì)和多材料結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)方法的合金設(shè)計(jì)需要廣泛的高溫能力和大量的原材料。使用DED，可以在受控環(huán)境下以組合方式沉積多種合金，在短時(shí)間內(nèi)向下選擇有前景的成分進(jìn)行進(jìn)一步分析。使用一個(gè)多料斗的DED系統(tǒng)和一個(gè)程序化的粉末輸送系統(tǒng)，即使是一個(gè)單一的部件，也可以從部件的一端到另一端以不同的成分制成，這是一個(gè)經(jīng)典的多材料成分分級(jí)結(jié)構(gòu)。這樣的選擇使DED機(jī)器幾乎成為冶金學(xué)家提出具有特定場(chǎng)地性能的結(jié)構(gòu)的理想工具。

圖3 DED在合金設(shè)計(jì)和多材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。（a）使用DED處理多材料結(jié)構(gòu)的概念。（b）成分設(shè)計(jì)的鋁合金塊，相對(duì)密度>99%。（c）由鉻鎳鐵合金718和GR-Cop84（銅合金）通過(guò)透鏡加工而成的雙金屬結(jié)構(gòu)火箭噴管壁的熱導(dǎo)率增加。（d）具有不同金屬和陶瓷區(qū)域的交替鈦鈮碳化物結(jié)構(gòu)，用于定向熱/結(jié)構(gòu)應(yīng)用。（e）采用透鏡加工的雙金屬不銹鋼結(jié)構(gòu)顯示了磁性（430SS）和非磁性（316SS）鋼的不同區(qū)域。

圖3a顯示了由Cr–Mo–V熱加工工具鋼和Ni基馬氏體時(shí)效鋼組成的~ 500 μm厚FGM結(jié)構(gòu)塊的激光金屬沉積(LMD)。圖3b顯示了鋁合金塊的LENS™沉積。最近的一項(xiàng)研究表明，由于鎂的選擇性蒸發(fā)，DED處理的Al 5xxx合金在印刷狀態(tài)下的化學(xué)成分從Al 5083原料變?yōu)锳l 5754，這是一個(gè)典型的挑戰(zhàn)，需要在許多合金元素熔點(diǎn)不同的系統(tǒng)中加以考慮。圖3c為在Inconel 718上沉積的高溫銅合金GRCop-84，其界面具有冶金性強(qiáng)的特點(diǎn)，增強(qiáng)了該合金的導(dǎo)熱性。圖3e顯示了LENS™沉積的鋼管，其成分從磁性鐵素體不銹鋼(SS) 430到非磁性?shī)W氏體不銹鋼316不等。這些示例突出了幾個(gè)獨(dú)特的領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，除了根據(jù)CAD文件打印一些3D形狀外，DED技術(shù)平臺(tái)在制造先進(jìn)材料方面發(fā)揮了重要作用。

來(lái)源：Directed energy deposition (DED) additive manufacturing: Physical characteristics, defects, challenges and applications, materials today, doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.020
參考文獻(xiàn)：
J. Manyika, M. Chui, J. Bughin, R. Dobbs, P. Bisson, A. Marrs,Disruptive Technologies: Advances that will Transform Life, Business, and the Global Economy, McKinsey & Company, Washington DC (2013)