先進材料的激光定向能量沉積（1）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本綜述重點介紹了通過微分方程的材料設(shè)計，包括對各種單片和多材料成分的調(diào)查。本文為第一部分。


定向能沉積（DED）已發(fā)展成為一個重要的增材制造（AM）分支。電火花放電已廣泛應(yīng)用于新型材料的設(shè)計和制造中。其中包括金屬、陶瓷和復(fù)合材料。成功的DED操作需要很好地理解許多關(guān)鍵現(xiàn)象，包括激光-材料相互作用、合金鑄造和凝固的基本原理、焊接冶金和連接界面，以及微觀結(jié)構(gòu)-機械性能關(guān)系。粉末流動性、傳熱和各種機器相關(guān)參數(shù)也至關(guān)重要。近年來，已經(jīng)發(fā)表了幾篇關(guān)于通過粉末床熔合（PBF）和電沉積的金屬AM的綜述文章，重點是特定材料系統(tǒng)、映射AM的最新技術(shù)，或與沉積過程或材料特性相關(guān)的問題。然而，最近沒有任何綜述致力于全面介紹材料系統(tǒng)、設(shè)計、制造、挑戰(zhàn)以及各種DED'ed材料族的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能之間的關(guān)系。由于基于微分方程的方法在制造雙金屬和多材料結(jié)構(gòu)、修復(fù)高價值結(jié)構(gòu)和合金設(shè)計方面越來越流行，本綜述重點介紹了通過微分方程的材料設(shè)計，包括對各種單片和多材料成分的調(diào)查。最后，強調(diào)了這一領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和機遇。

1、介紹

增材制造（AM）通常被稱為三維（3D）打印，允許直接從計算機輔助設(shè)計（CAD）文件快速按需制造近凈形狀部件，而無需任何零件專用工具。最近，它被確定為推動第四次工業(yè)革命的十二種顛覆性技術(shù)之一。雖然AM最初是作為“觸感”零件的快速原型制作工具，但現(xiàn)在它已成為各行業(yè)的主流制造。AM機器通過“逐層”方法逐步沉積材料，從數(shù)字模型制作3D零件。AM技術(shù)的后續(xù)創(chuàng)新將印刷材料的種類從聚合物擴展到金屬、陶瓷、復(fù)合材料，甚至生物組織。先進自動化和機器人技術(shù)在AM中的集成有助于減少制造差異，制造出高質(zhì)量和可重復(fù)性的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。AM的固有優(yōu)勢吸引了航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車和消費品行業(yè)的注意。

三徑跡激光直接沉積Ti6Al4V的顯微硬度預(yù)測與實驗測量的比較：（a）上層測量和（b）下層測量。

自2010年起，美國食品和藥物管理局（FDA）一直在批準AM加工零件供人類使用，2013年，美國聯(lián)邦航空局（FAA）批準了通用電氣公司制造的燃料噴嘴，這是用于關(guān)鍵噴氣發(fā)動機應(yīng)用的第一個金屬AM零件。2013年，美國國家航空航天局（NASA）在國際空間站（ISS）安裝了第一臺聚合物AM機器。這些事件增強了AM加工產(chǎn)品在各個工業(yè)部門的信心，并促進了該領(lǐng)域的增長。在過去15年中，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界與金屬AM相關(guān)的研發(fā)活動的強度迅速增加，專利和科學(xué)出版物的年度數(shù)量顯著增長就是證明（圖1）。

圖1金屬AM研究和知識產(chǎn)權(quán)的趨勢。（a）出版物（注意y軸的對數(shù)比例），（b）已發(fā)布專利，以及（c）獨立服務(wù)提供商生產(chǎn)AM零件（以百萬美元計）的年度數(shù)量（來源：Wohlers Report 2021）。

1994年，當電光系統(tǒng)（EOS）在直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）機中打印金屬零件時，金屬AM得到了提升�；�于激光粉末的定向能量沉積（DED）技術(shù)是在美國桑迪亞國家實驗室發(fā)明的，被稱為激光工程凈成形（LENS™)。多年來，由于核心技術(shù)的專利保護有限，其他公司也開始在全球銷售基于激光粉末的電火花加工設(shè)備。采用DED技術(shù)的混合AM機器以及采用燈絲進給的線材和電弧增材制造（WAAM，也稱為DED電弧）機器也為這一細分市場增加了新的規(guī)模。

電火花加工通常使用粉末或金屬絲作為原料，激光/電子束/電弧作為能源。集中能源在特定點熔化進料，并形成熔池，通常用惰性氣體保護。與任何其他AM工藝一樣，DED也使用計算機輔助設(shè)計（CAD）模型以逐層方式沉積原料（例如粉末或金屬絲）。最常用的金屬AM工藝是PBF和DED（分別圖2a和b）。雖然PBF通常具有更高的尺寸精度并產(chǎn)生具有較低表面粗糙度的零件，但與PBF相比，DED具有多個獨特的優(yōu)勢（圖2c-f）：（1）DED能夠?qū)崿F(xiàn)更高的沉積速率（對于DED，高達2.5 kg/h，而對于PBF，高達0.25 kg/h）；（2）電沉積具有多材料沉積（例如原位合金化）和制造具有特定位置特性的功能梯度結(jié)構(gòu)的固有能力；（3） DED系統(tǒng)可適用于涂層/覆層的處理和受損零件的修復(fù)；（4） DED能夠處理大體積（>1000 mm3）零件；和（5）在DED系統(tǒng)中，5+軸允許層向任何方向沉積。

圖2金屬AM技術(shù)。（a）粉末床熔融（PBF）工藝示意圖。（b）定向能沉積（DED）工藝示意圖。（c） DED在熔覆和修復(fù)中的應(yīng)用。（d）修復(fù)DED制造的316L不銹鋼渦輪葉片。（e）一種功能梯度磁性非磁性雙金屬結(jié)構(gòu)，通過電火花加工制造。（f）一種通過基于自定義DED的工藝制造的大型航空航天組件。

在不同的金屬電火花加工工藝中，以激光束為能源的粉末原料是最常用的研究工藝。圖3顯示了用于粉末和線基進料的基于激光的電火花放電的示意圖，最近對其特性進行了比較。商用金屬線比金屬粉末便宜。金屬絲也比粉末更安全，更容易儲存。然而，需要增加激光功率來熔化金屬絲，從而導(dǎo)致送絲激光DED系統(tǒng)的價格更高。

圖3.DED過程示意圖。（a）帶有同軸顆粒注射裝置的粉末供給系統(tǒng)。（b）送絲系統(tǒng)。

雖然DED的核心原則類似于焊接，但它提出了各種獨特的技術(shù)和科學(xué)挑戰(zhàn)。因此，基于焊接冶金建立的知識有助于改善具有受控微觀結(jié)構(gòu)和過程重復(fù)性的電火花放電加工。將不同的焊接方法與AM相結(jié)合，拓寬了AM技術(shù)在大規(guī)模制造中的潛力。基于焊接的AM工藝，如金屬絲激光金屬沉積（LMD-W）、電子束AM（EBAM）和WAAM，能夠以較低的生產(chǎn)成本沉積大型部件。

具體而言，WAAM工藝因其高沉積速率和生產(chǎn)大型結(jié)構(gòu)的靈活性，在航空航天行業(yè)制造高強度鋁結(jié)構(gòu)方面吸引了更多的興趣。高達10 5K/s的高冷卻速率，再加上對材料進行獨特熱循環(huán)的分層沉積，可導(dǎo)致復(fù)雜的相變和有害殘余應(yīng)力的形成。沉積態(tài)材料的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)由電火花沉積過程中的熱歷史控制。這些可能會影響沉積零件的機械和物理性能。報告了現(xiàn)場監(jiān)測、過程優(yōu)化和反饋控制，以最大限度地減少與DED過程相關(guān)的缺陷，提高零件質(zhì)量。

（a） Inconel 625增材制造墻體的有限元網(wǎng)格示意圖。（b）沿鉻鎳鐵合金625壁長度方向的二維殘余應(yīng)力等值線（單位：MPa），層間停留時間為0 s。（c）沿鉻鎳鐵合金625壁長度方向的二維殘余應(yīng)力等值線（單位：MPa），層間停留時間為40秒。

上圖顯示了用于分析的有限元網(wǎng)格。該網(wǎng)格由52472個六角形8單元和62231個節(jié)點組成。沉積區(qū)的網(wǎng)格密度為每個熱源半徑2個元素。進行了三步網(wǎng)格收斂研究，以確認網(wǎng)格足夠精細。使用有限元求解器項目Pan進行熱機械分析。

近年來，通過PBF和DED發(fā)表了幾篇關(guān)于金屬AM的綜述文章。然而，最近似乎沒有對材料系統(tǒng)、材料設(shè)計、制造、挑戰(zhàn)以及各種材料族的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能之間的關(guān)系進行全面綜述。因此，本綜述的目的是全面分析通過電沉積沉積的材料，包括單片、雙金屬和多材料系統(tǒng)。這些材料包括鈦合金、鋼、鋁合金、鎳合金、鈷合金、金屬間化合物、形狀記憶合金（SMA）、高熵合金（HEA）、陶瓷、復(fù)合材料、功能梯度材料和多層材料。重點放在DED工藝參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)和印刷元件的機械性能之間的關(guān)系。還討論了合金設(shè)計、自由結(jié)構(gòu)沉積、材料包覆和電火花修復(fù)。最后，強調(diào)了這一領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和機遇。

2.DED沉積的材料系統(tǒng)、其微觀結(jié)構(gòu)和機械性能

為AM開發(fā)功能和結(jié)構(gòu)材料的興趣正在迅速增長。包括汽車、航空航天、軍事和生物醫(yī)學(xué)在內(nèi)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的這種興趣導(dǎo)致了對AM各種材料的研究的重大投資。本節(jié)回顧了最近報告通過DED技術(shù)處理的材料。討論了加工參數(shù)對加工材料微觀結(jié)構(gòu)和機械性能的影響，強調(diào)了當前設(shè)計工業(yè)可靠工程部件的科學(xué)和技術(shù)差距。迄今為止，各種材料已通過DED技術(shù)進行處理，取得了不同程度的成功。該材料清單可分為兩大類：（1）常用的AM材料，如鈦基合金、合金鋼、不銹鋼、工具鋼、鎳基合金和鋁基合金；（2）新型AM材料，如鈷基合金、金屬間化合物、SMA、HEA、陶瓷、復(fù)合材料和功能梯度材料。

定向能沉積Ti6Al4V的單軌珠說明了決定β晶粒柱狀生長模式的熱行為。

2.1合金鋼

合金鋼含有1.0至50 wt%的合金元素，廣泛用作汽車、船舶、石油和化學(xué)工業(yè)的結(jié)構(gòu)材料。它們具有高強度和良好的延展性，以及優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性。合金鋼可以通過各種成形和連接操作形成。在低氧環(huán)境中制造可以提高合金鋼零件的機械性能自然，合金鋼的AM正在不同行業(yè)中實踐，是一個快速增長的研究領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)碳鋼相比，添加合金元素提高了機械性能和耐腐蝕性。迄今為止，各種低合金鋼已成功地由DED加工。Guan等人研究了能量密度對DED'ed 12CrNi2Y鋼最終微觀結(jié)構(gòu)、鍍層密度和機械性能的影響（圖4a）。在所使用的能量密度集內(nèi)，相對密度的局部最大值達到98.95%。電火花加工零件從能量密度較低的多邊形鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰棵芏容^高的粒狀貝氏體。能量密度在閾值處的增加導(dǎo)致冷卻速度降低和晶粒粗化（圖4a）。Fang等人研究了滲碳FeCrNiMnMoNbSi鋼的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)和腐蝕性能。結(jié)果表明，微觀結(jié)構(gòu)由均勻分布的元素組成，具有納米級馬氏體相板條間距和少量納米多晶沉淀物（圖4b）。關(guān)于屈服強度和伸長率，沉積態(tài)材料符合鍛造沉淀硬化（PH）不銹鋼基材的標準（圖4b）。與FV520B不銹鋼相比，添加Cr提高了沉積合金的耐蝕性。

圖4 （a）施加的激光能量密度對DED-LB 12CrNi2Y合金鋼的微觀結(jié)構(gòu)、相對密度和機械性能的影響。（b）用于維修的沉積態(tài)FeCrNiMnMoNbSi鋼的沉淀演變和力學(xué)性能。（c） 300M合金鋼基體上AerMet100鋼覆層在不同區(qū)域的宏觀組織和相變，以及形成的熱影響區(qū)，與沉積過程中的熱歷史相對應(yīng)。（d） 24CrNiMo鋼在DED-LB過程中的組織演變和冷卻速度分析。

Liu等研究了超高強度300M鋼的電火花放電。超高強度鋼通常定義為屈服強度高于1380 MPa（200 ksi）的鋼。與AISI 4340鋼相比，300M鋼中的高硅含量提供了更高的淬透性深度、更高的固溶體硬化和更高的高溫軟化抗力。沉積態(tài)鋼的微觀結(jié)構(gòu)由回火馬氏體、殘余奧氏體和精細分散的碳化物組成。還報告了熱影響區(qū)（HAZ）的微觀結(jié)構(gòu)演變及其對與DED工藝相關(guān)的熱循環(huán)的依賴性，見圖4c。還利用電火花沉積技術(shù)沉積24CrNiMo鋼。采用實驗觀察和模擬來研究與模擬冷卻速率和熔池區(qū)域溫度分布相對應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機制（圖4d）。晶粒形貌分析顯示，沿沉積物表面有一種強烈的<100>紋理的柱狀晶粒，并且在沉積物的大部分中具有隨機的晶體取向。表面和大塊微觀結(jié)構(gòu)之間的這種差異歸因于電火花加工過程中固有的熱循環(huán)，從而導(dǎo)致回火效應(yīng)。

2.2.工具鋼

據(jù)報道，與DED-LB工藝相關(guān)的固有快速凝固過程和高熱梯度會影響沉積材料的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能，尤其是在鍛造工具鋼的情況下。Park等人研究了激光能量密度對沉積態(tài)AISI H13和D2工具鋼性能的影響。兩種鋼的平均顯微硬度均隨能量密度的增加而降低。這種現(xiàn)象可以通過二次枝晶臂間距的明顯增加和CO形成導(dǎo)致的碳含量降低來解釋。Baek等人報告了AISI H13和M2合金的DED-LB加工。觀察到具有細胞狀樹枝狀結(jié)構(gòu)的精細微觀結(jié)構(gòu)，提高了顯微硬度。M2沉積樣品的磨損性能優(yōu)于含富鉻碳化物的商業(yè)熱處理D2鋼。這可以解釋為沉積態(tài)M2合金中碳化物含量高。Rahman等人研究了兩種新型DED-LB高碳高速鋼（HC HSS）的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能——Febal-C-Cr-Mo-V和Febal−x-C-Cr-Mo-V-Wx。這兩種鋼的微觀結(jié)構(gòu)均由含有殘余奧氏體的馬氏體基體和一次、二次和共晶金屬碳化物的枝晶間網(wǎng)絡(luò)組成（圖5a）。在含W合金的鋼中觀察到表面形成氧化層和更高的碳化物密度，這導(dǎo)致耐磨性增強（圖5a）�；鼗鹛幚砗蟮睦�伸試驗表明，斷裂表面具有脆性。

圖5 （a）DED-LB Febal-C-Cr-Mo-V（左上）和Febal−x-C-Cr-Mo-V-Wx（右上角）以及添加W對微觀結(jié)構(gòu)和耐磨性的影響。（b）沉積方法對DED-LB H13工具鋼熱歷史和力學(xué)性能的影響，以及沿構(gòu)建方向的非均勻微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。（c）沉積態(tài)M4和高耐磨鋼（HWS）的磨痕形態(tài)和特征。

Baek等研究了基板預(yù)熱對AISI M4工具鋼微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，通過提高基板預(yù)熱溫度，冷卻速度降低，導(dǎo)致殘余應(yīng)力降低，硬度增加，但抗拉強度和沖擊強度降低。Zhao等人研究了沉積方法對H13工具鋼微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，由此產(chǎn)生的熱循環(huán)直接受到沉積方法的影響。在連續(xù)沉積層之間增加時間間隔以及施加的激光功率的變化或兩者的組合導(dǎo)致不同的熱歷史，這導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)和機械性能隨沉積高度而變化（圖5b）。圖5c顯示了沉積態(tài)M4和HWS鋼上磨痕的磨損分析結(jié)果以及熱處理前后的磨損特性。綜上所述，可以清楚地看出，DED-LB是制造工具鋼的可行選擇；然而，加工參數(shù)顯著影響部件的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能。此外，強烈建議進行后處理熱處理，以盡量減少殘余應(yīng)力。

2.3不銹鋼

不銹鋼是鐵基合金，通常含有至少10.5 wt%的Cr，以形成具有優(yōu)異耐腐蝕性的鈍化表面層。此類合金廣泛用于需要耐腐蝕性、強度和延展性組合的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。一般來說，不銹鋼的AM加工因其高Cr含量而具有挑戰(zhàn)性。在激光沉積過程中，鉻的高氧親和力導(dǎo)致顯著氧化。多項研究表明，在DED過程中，加工參數(shù)對不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)演變有很大影響。與非均勻重復(fù)逐層沉積過程相關(guān)的高熱梯度、動態(tài)熔體池流動和快速凝固導(dǎo)致了獨特的分層和非均勻微觀結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)的特征是通過先前沉積層邊界以不同方向外延生長柱狀晶粒（圖6a）。結(jié)果表明，隨著建造高度的增加，熱梯度和冷卻速率降低。這導(dǎo)致晶粒結(jié)構(gòu)粗化。

圖6 （a）316L不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)演變和熔池幾何特征以及對DED-LB中施加的激光能量的依賴性。（b）使用316L的DED-LB用于維修應(yīng)用。獲得的晶粒尺寸和構(gòu)建高度與發(fā)展的單軸應(yīng)變之間具有良好的擬合。（c）在通過電火花沉積的304L中，水平和垂直構(gòu)建方向的Nf循環(huán)后的晶粒形態(tài)和取向以及相應(yīng)的裂紋擴展機制。（d）研究了沉積方式對冷卻速率、垂直堆積高度和PACS的影響，以及氧含量對DED-LB 316L不銹鋼拉伸性能的影響。

Yang等人測量了沉積態(tài)316L奧氏體不銹鋼的顯微硬度（不銹鋼中的“L”表示低碳，即低于0.03 wt%，以防止敏化并提高耐腐蝕性）與鍛造對應(yīng)物相比，顯微硬度增加約35%。與鍛鋼相比，這種增加與DED-LB鋼的精細微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。然而，據(jù)報道，測得的顯微硬度變化很大。這些變化與沉積鋼的非均勻微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括層間沉積細胞、夾雜物孔和熱影響區(qū)，所有這些都具有不同的顯微硬度值。人們廣泛研究了電火花放電不銹鋼的拉伸性能。結(jié)果表明，沉積方向?qū)�拉伸性能有很大影響�?br />
具有不同取向的樣品拉伸性能的變化與沉積過程中熱歷史的變化有關(guān)，因為冷卻速率受到熱梯度的高度影響，因此受到沉積高度的影響。結(jié)果表明，熱等靜壓（HIP）由于減少了孔隙率和殘余應(yīng)力而提高了拉伸性能。Balit等人研究了用于修復(fù)應(yīng)用的沉積態(tài)薄壁DED-LB 316L的微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能。使用原位數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）結(jié)合電子背散射衍射（EBSD）分析，發(fā)現(xiàn)測量晶粒尺寸與分析的平均軸向應(yīng)變之間存在良好的相關(guān)性，見圖6b。Gordon等人研究了在高周疲勞（HCF）加載狀態(tài)下，通過氣體保護金屬極電弧焊（DED電�。┲圃斓某练e態(tài)304L不銹鋼的疲勞性能。結(jié)果表明，疲勞壽命在很大程度上取決于沉積態(tài)鋼的固有各向異性、優(yōu)先晶粒生長方向和孔隙度。研究表明，其疲勞性能類似或優(yōu)于鍛造304L不銹鋼。這與由DED-LB制造的不銹鋼疲勞性能的其他研究非常一致。

樣品S1斷裂表面和疲勞損傷孕育點的SEM顯微照片，表面上有未熔化的顆粒。疲勞裂紋起源于大孔隙附近的脫粘未熔顆粒。

研究了沉積態(tài)不銹鋼在水平和垂直方向上的損傷容限和裂紋擴展機制。在垂直試樣中，裂紋擴展路徑為穿晶。在具有水平取向的樣品中，裂紋分支和沿晶界擴展很明顯（圖6c）。Smith等人報告，沉積態(tài)304L不銹鋼的疲勞性能在很大程度上取決于沉積態(tài)鋼中的缺陷。結(jié)果表明，當缺陷數(shù)量最小化時，可以獲得優(yōu)異的疲勞性能。疲勞裂紋的起源以不規(guī)則形狀未熔合（LoF）缺陷的區(qū)域為特征，缺陷中含有部分被測量的粉末顆粒。圖6d說明了氧含量對沉積態(tài)316L伸長率的影響。很明顯，沉積圖案（連續(xù)層之間為67°或90°）直接影響產(chǎn)生的熱歷史和與基板的距離，進而導(dǎo)致主蜂窩臂間距（PCA）的變化。

沉淀硬化（PH）鋼是低碳含量（低于0.1 wt%）的Fe–Cr–Ni合金，包含沉淀形成元素，如銅、鋁、鈦、鈮和鉭。在退火條件下，它們可以是奧氏體或馬氏體。PH鋼零件需要一組獨特的性能。其中，這些屬性包括高強度、高耐腐蝕性、抗氧化性以及優(yōu)異的耐熱性和耐火性。PH鋼零件在各種應(yīng)用中用作結(jié)構(gòu)材料，包括海洋結(jié)構(gòu)、飛機燃氣輪機、油箱、液壓系統(tǒng)、緊固件和核電站。在沉積過程中利用超聲波振動提高了沉積零件的硬度和拉伸性能。這歸因于超聲波振動在提高粉末收集效率、降低表面粗糙度、增加熔池尺寸、孔隙度、減少微裂紋和細化晶粒尺寸方面的作用。