定向能沉積(DED)增材制造:物理特性、缺陷、挑戰(zhàn)和應(yīng)用（二）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文講述了DED處理相關(guān)的挑戰(zhàn)，并對該技術(shù)進(jìn)行了關(guān)鍵的展望。本文為第二部分。關(guān)鍵詞：增材制造(AM)，定向能沉積(DED)，激光工程凈整形(LENS™)，激光-材料相互作用缺陷

激光材料的相互作用
為了更好地理解和最終控制DED的熱環(huán)境，有必要了解底層激光-粉末-熔體池(LB-P-MP)的相互作用。對控制DED的潛在機(jī)制的基本理解將有助于對隨之而來的微觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力和缺陷進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)控制，最終目標(biāo)是優(yōu)化材料的性能和性能。本節(jié)回顧了相關(guān)方面，如飛行中粉末顆粒加熱、熔體池中存在的時空熱場、顆粒-熔體池相互作用以及它們的現(xiàn)場監(jiān)測。簡要討論了熱源-導(dǎo)線的相互作用，盡管這一領(lǐng)域落后于粉末的等效。

(a)從材料設(shè)計到修復(fù)再到應(yīng)用，DED相對于PBF的關(guān)鍵優(yōu)勢示意圖。(b) DED中微觀結(jié)構(gòu)、多界面、熱循環(huán)、缺陷和殘余應(yīng)力;(c)注入粉末、激光束和熔池之間的相互作用，在某些情況下導(dǎo)致熔池中形成小孔。

基于激光粉末的DED涉及粉末輸送在預(yù)先選擇和控制的速度使用惰性氣體作為載體媒體。粉末通過一系列噴嘴指向熔池。當(dāng)粉末流從噴嘴流出并向熔池流動時，粉末流呈圓錐狀。同心的粉末流在接近熔池時匯聚，導(dǎo)致粒子間碰撞以及LB-P-MP相互作用。加熱、熔化、汽化和凝固都發(fā)生在DED期間。因此，沉積材料的典型特征是層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷多次熱循環(huán)，通常包含氣孔和殘余應(yīng)力，如圖1b所示。在熔體池附近的區(qū)域，注入的粉末顆粒與激光束和熔體池相互作用，如圖1c所示。對流紊流與熔體池有關(guān)，在某些情況下，沉積條件導(dǎo)致“鑰匙孔”的形成，這源自金屬蒸氣，有時是在使用非常高的激光束強(qiáng)度的條件下加工材料時產(chǎn)生的。

在EFTEM中，10 eV的窗口分別位于0、10、15和25 eV的能量損失中心。在0 ~ 25 eV范圍內(nèi)，能量濾波下的對比度調(diào)整揭示了熔融單晶α-Al基體的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，其中包含多個10 ~ 20nm的Si析出相(1)、富α-Al區(qū)(2)和富Si區(qū)(3)，以及缺陷空洞(4)。由于液體通過含有合金(5)的5- 15納米厚的氧化殼噴射，并在熔化過程中破裂。

與傳統(tǒng)TEM成像相比，零損耗濾波提高了粒子結(jié)構(gòu)的對比度和分辨率，因?yàn)榉菑椥陨⑸潆娮釉斐傻哪：�和色差被消除�?Reimer和Kohl, 2008)。然而，粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)在零損耗(彈性電子)圖像中顯示(見上圖;由于其厚度為223 nm, 0±5 eV)幾乎不可見。

這些現(xiàn)象嚴(yán)重依賴于沉積材料的熱和物理性能，以及工藝參數(shù)，包括激光功率和強(qiáng)度剖面、粉末流率、速度和軌跡，以及掃描幾何形狀和激光通過的頻率。因此，許多正在進(jìn)行的研究旨在建立對控制DED的潛在機(jī)制的基本理解，以適當(dāng)?shù)貙﹄S之而來的微觀組織、殘余應(yīng)力和缺陷進(jìn)行自適應(yīng)控制，最終目標(biāo)是優(yōu)化材料性能和性能。

機(jī)上粒子加熱
注入的粉末顆粒從噴嘴中出現(xiàn)，并與激光束相互作用。根據(jù)工藝條件和局部功率密度，粉末在減弱激光束的同時吸收熱能。因此，粉末顆粒在向基體表面移動的過程中會被加熱并可能熔化，這取決于存在的熱場和動量場。圖4a顯示了粉末顆粒與激光束相互作用的熱圖像的一個例子。圖4b所示的幾何關(guān)系顯示了粒子到達(dá)熔體時，軌跡和入射角對溫度的影響。粉末顆粒向熔池移動時所吸收的熱能取決于顆粒的密度和相關(guān)的熱物理性質(zhì)，以及顆粒的形態(tài)和尺寸分布;在激光束中的停留時間和氣體速度也影響了熱傳遞。

圖4 (a) 1000 W激光功率下，被加熱的粉末顆粒在噴嘴出口處的熱圖像，(b)幾何關(guān)系。(c和d)根據(jù)Beer-Lambert定律和粉末噴霧模式，激光在飛行過程中被粉末吸收和散射，能量分配。(e)實(shí)驗(yàn)裝置顯示了位于DED系統(tǒng)上方的熱測量系統(tǒng)，以及(f)當(dāng)?shù)?層沉積時，從頂部看的WC-Co樣品的熱圖像。

在相關(guān)的研究中，詳細(xì)地研究了316L SS粉末和Nd:YAG激光器的能量分配情況。數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，襯底吸收了30%的激光功率，反射了大約54%的激光功率;粉末的吸收率為11%，分散粉末的損失率為4%，沉積粉末的吸收率僅為1%。類似的結(jié)果在另一項(xiàng)關(guān)于粉末軌跡和停留時間在激光光束的影響的研究中被報道。

(a)計算出生長200 mm紅外鍺晶體的溫度分布。(b)同一晶體中的von Mises應(yīng)力不變量。

上圖模擬了用于光學(xué)應(yīng)用的200 mm晶體生長過程中的溫度和應(yīng)力分布。雖然溫度分布看起來很均勻，但熱彈性應(yīng)力分布卻呈現(xiàn)出截然不同的情況，在靠近固體/熔體界面的晶體邊緣處，應(yīng)力集中程度較高。很明顯，當(dāng)超過一個臨界應(yīng)力水平時，這將是位錯形核的有利位置。

激光沉積過程中激光能量的分配也與工作距離(WD)密切相關(guān)，工作距離定義為噴嘴平面到沉積材料表面的距離。在沉積過程中，WD收斂到一個平衡值，受到熱能積累的嚴(yán)重影響，最初在粉末質(zhì)量中，最終在沉積材料中。吸收的能量轉(zhuǎn)移到熔池的粉粉沉積或消散到環(huán)境室如果粉,從熔池轉(zhuǎn)移,如圖4中所示c, d。正確理解和最終控制d的熱環(huán)境,有必要充分了解LB-P-MP的潛在相互作用。

然而，考慮到熔池的體積小、熱梯度大以及固液界面的快速移動，這仍然是一個艱巨的挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)原料粉末在沖擊到熔體熔池之前經(jīng)歷高溫時，沖擊過程中的局部變形及其相應(yīng)的溫度變化和微觀結(jié)構(gòu)會根據(jù)熔體熔池中的局部位置而有所不同。高速攝影和熱成像，以及數(shù)值模擬，是重要的工具，可以用來描述衰減效應(yīng)，粒子對激光束，粒子熔化，和粒子池相互作用行為在DED過程中，而高速熱成像提供了與熔池附近的熱行為(即熱梯度和冷卻速率)相關(guān)的詳細(xì)信息。

熔池的熱行為
激光束沖擊在沉積材料的表面，導(dǎo)致一個聚焦和快速移動的熔池在DED期間。為了更好地理解微結(jié)構(gòu)演化的機(jī)理，不僅需要了解激光與熔池的相互作用，還需要了解熔池中存在的時空熱場。監(jiān)測沉積過程中的熱基特征(如熔池溫度梯度和冷卻速度)，可以預(yù)測顯微組織演化特征(如枝晶臂間距和晶粒形態(tài))、機(jī)械性能(抗拉強(qiáng)度和耐磨性)和缺陷形成(如:孔隙和裂縫)。因此，非接觸式熱成像，如可見和近紅外(IR)輻射測溫法，可用于確定熔池的熱特性和相關(guān)的冷卻速率。

在一項(xiàng)相關(guān)研究中，利用單波長高速數(shù)字電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)測量了316L SS在DED沉積過程中獲得的熱圖像。利用650 nm寬帶通濾光片和遠(yuǎn)攝鏡頭對沉積路徑進(jìn)行成像。316L不銹鋼凝固界面溫度為1650 K，激光功率達(dá)到275 W時熔池尺寸增大。這些結(jié)果表明，激光掃描的冷卻速率為~ 103 K/s，在最低功率和最高掃描速度下可以獲得最高的冷卻速率。另一個實(shí)驗(yàn)研究涉及高速數(shù)字CCD攝像機(jī)的頂部視圖的熔化池也被報道了。這些研究中的相機(jī)是靜止的，并且與激光具有相同的焦點(diǎn)。

包括雙模濾波器的平面?zhèn)鬏攷�通濾波器的幾種常用結(jié)構(gòu)

平面帶通濾波器最常用的配置是直接耦合、平行耦合、數(shù)字間耦合、梳狀線、發(fā)夾線、雙模環(huán)形和方片諧振器，其中一些如上圖所示。直接耦合諧振濾波器的長度過大，可以通過使用平行耦合的幾何結(jié)構(gòu)來減少。并行耦合可以更強(qiáng)，以實(shí)現(xiàn)更大的帶寬。數(shù)字間組合和發(fā)夾線具有側(cè)對側(cè)腔間耦合方案，如果抑制雜散響應(yīng)，濾波器可以變得緊湊。此外，它們是窄頻帶設(shè)計的良好候選。該雙模環(huán)形諧振器和方片諧振器可以同時誘導(dǎo)出空間上正交的兩個諧振模式，并由兩條正交排列的輸入輸出線激發(fā)。這兩種模態(tài)之間的耦合是通過一個拓?fù)鋽_動來實(shí)現(xiàn)的，該擾動發(fā)生在對稱軸上，相對于輸入和輸出線。

因此，通過這種方式，相機(jī)始終處于對焦?fàn)顟B(tài)，并且可以在不考慮x、y和z位置的情況下成像熔池。采用原位高速熱成像技術(shù)(如圖4e和f所示)，結(jié)合有限元分析(FEA)，研究了WC-Co陶瓷在DED過程中的熱行為，為研究影響微觀組織演化的因素提供了基礎(chǔ)。該圖像以顏色顯示，以開氏度表示溫度，而x軸和y軸上的值顯示像素的圖像大小。白色箭頭表示激光束的橫向方向。原位高速熱成像可用于量化熔池附近區(qū)域的熱梯度和冷卻速率，而三維有限元則可覆蓋整個熔池沉積區(qū)域。在不反彈的粒子通過激光束的情況下，存在一個閾值z-高度，低于這個閾值粒子將浸入熔池中，高于這個閾值粒子將完全錯過熔池。

另一種熱成像系統(tǒng)，即雙波長高溫計，因其利用了兩種不同波長的輻射相對強(qiáng)度的比值而受到了研究DED過程的關(guān)注。這種方法的一個優(yōu)點(diǎn)是，它獨(dú)立于絕對發(fā)射率值，從而提供了更精確的溫度測量，據(jù)報道誤差范圍在±6 °C之間。用成像高溫計在1500 ~ 2500 K的動態(tài)范圍內(nèi)對316L不銹鋼的熱行為進(jìn)行了研究。熔池的熱梯度和冷卻速率和周圍地區(qū)來自溫度剖面,顯示的溫度梯度池的中心是102年～ 103 K /毫米,這102年的冷卻速率是～ 104 K / s d處理區(qū)。熱成像方法的一個局限性是不能獲得沉積構(gòu)件的整個熱歷史，特別是固化材料的溫度變化。

顆粒融化池交互
現(xiàn)場監(jiān)測可以提供工藝參數(shù)對粉末流動影響的關(guān)鍵信息，包括激光-熔體池相互作用、激光-顆粒相互作用、熔體池動機(jī)械和孔隙形成。使用高速攝影機(jī)進(jìn)行了一項(xiàng)研究，以測量飛行中粒子之間以及與熔池之間的相互作用，為分析和理解顆粒熔化和顆粒池相互作用的DED過程提供了有用的信息。圖5顯示了粉末顆粒移動和撞擊熔池時的一些顯著細(xì)節(jié)。結(jié)果顯示，單個粉末到達(dá)熔體表面，導(dǎo)致波紋的形成。

圖5 粉末流(a)從噴嘴前端到基板，(b)從一個噴嘴捕捉粒子速度，(c)低速視頻(10 kHz)提供(d) 100萬個粒子數(shù)據(jù)集，以識別噴霧的空間濃度，(e)在單道沉積過程中飛行，(f)各自的粒子軌跡跟蹤，和(g)中繪制的速度分量。

這些顆粒在表面停留了~ 0 ~ 600 μs，然后被吸收到熔體中。在某些情況下，粒子在與已經(jīng)存在于表面的粒子相互作用后從表面反彈。為了提供粒子速度分布的統(tǒng)計信息，我們從高速圖像中追蹤粉末軌跡(圖5f)。此外，本研究還制定并實(shí)施了三相(氣、液、固)計算流體動機(jī)械(CFD)模型，以確定控制顆粒碰撞、熔體池動機(jī)械和潤濕性的機(jī)制。然后將計算流體動機(jī)械模型結(jié)果與316L SS中單個顆粒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較�？傊�，本研究有助于建立材料熱物理性質(zhì)、停留時間、粒度和溫度、沖擊速度、熔池條件和表面張力在DED過程中的影響。

Cunningham等人在最近的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究中，使用Ti-6Al-4V基板測量了單軌激光與材料的相互作用。利用原位成像(圖6a)可以看出，氣相抑制和鎖孔形成的演化依賴于輸入的激光能量。研究發(fā)現(xiàn)，較低的激光功率和相應(yīng)的輸入能量會降低激光的有效鉆速，從而減少鎖孔發(fā)生的次數(shù)。

圖6 (a)在Ti-6Al-4V構(gòu)建板上進(jìn)行的單軌激光實(shí)驗(yàn)(固定激光)顯示了固體材料在0-1.7 ms時間范圍內(nèi)熔體池的演化和相應(yīng)的蒸氣壓“鎖孔”。(b)激光功率為250 W，掃描速度為100 mm/s的DED模擬實(shí)驗(yàn)中，腔體、熔池、孔隙率和濺射的演化。

在另一項(xiàng)研究中，使用高速x射線成像來表征粉末流動和激光與熔池的相互作用。采用專門設(shè)計的DED儀對Ti-6Al-4V粉末的沉積過程進(jìn)行了成像。研究結(jié)果為激光-熔池相互作用對孔隙形成的影響提供了新的見解。圖6b提供了氣孔的形成和小孔孔的演化的有趣細(xì)節(jié)。圖中還顯示，熔池底部附近的空腔坍塌導(dǎo)致粒子從表面噴射(即，這被描述為濺射)。一般情況下，濺射是由于蒸汽-等離子體羽流引起的較大壓力梯度或反沖壓力的存在，有助于在DED過程中穩(wěn)定熔池，可能導(dǎo)致表面缺陷的形成或表面粗糙度的增加。

激光-導(dǎo)線相互作用
在基于激光絲的電火花線切割（EDD）技術(shù)中，這是一種基于填充絲的激光焊接技術(shù)，該工藝對激光束和焊絲之間的相互作用也很敏感。與激光-物質(zhì)相互作用相關(guān)的研究結(jié)果不一定適用于粉末基和金屬絲基的電火花加工，因?yàn)檫@兩種工藝不同。除激光功率、橫向速度和送絲速率外，還有其他參數(shù)影響送絲器和激光束之間的相互作用，如激光/導(dǎo)線或激光/基板角度、相對于熔池的線頭位置、導(dǎo)線突出距離和送絲方向，需要仔細(xì)調(diào)整。在加工過程中，金屬絲通常通過球狀轉(zhuǎn)移、平滑轉(zhuǎn)移或插入來沉積�；�本上要求熔線尖端始終與熔池物理接觸，以實(shí)現(xiàn)無缺陷沉積。

為實(shí)現(xiàn)良好的工藝穩(wěn)定性，開發(fā)并實(shí)施了基于視覺傳感和圖像處理的閉環(huán)工藝監(jiān)控和控制，用于基于激光線的沉積工藝。可以使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）相機(jī)監(jiān)測沉積過程中導(dǎo)線尖端和熔池之間的相互作用。視覺反饋有助于識別任何干擾并評估控制器的效率。金屬絲尖端進(jìn)入激光束和隨后進(jìn)入熔池之間的時間間隔取決于金屬絲噴嘴的位置和角度。當(dāng)接觸過多的能量時，金屬絲尖端會過早熔化，形成熔融金屬絲的液滴，導(dǎo)致形成“薄弱環(huán)節(jié)”，而不是平滑轉(zhuǎn)移的情況。如果送絲速度相對于熔池的能量輸入過高，則焊絲可能未適當(dāng)熔化，從而增加未熔合（LoF）缺陷的風(fēng)險。對已發(fā)表文獻(xiàn)的回顧表明，對控制激光束和導(dǎo)線相互作用的基本機(jī)制的研究仍然相對有限，需要進(jìn)一步的工作。

上圖給出了焊接電壓和電流輸出的金屬過渡模式函數(shù)，它們的值直接影響熔滴過渡模式和過程的穩(wěn)定性，從而決定了電弧過程的類型。傳統(tǒng)電源的主要困難在于控制過程中的這些變量。電子和數(shù)字控制提高了電弧的精度。20世紀(jì)90年代，計算機(jī)的發(fā)展使設(shè)計特殊波形成為可能，目的是改善電弧和金屬沉積的時機(jī)。

上述高速成像等可視化技術(shù)仍在不斷改進(jìn)，并提供了關(guān)鍵的新功能，有助于深入理解與激光材料相互作用和DED材料加工過程中微觀結(jié)構(gòu)演變相關(guān)的一些基本科學(xué)問題。例如，控制孔隙形成和殘余應(yīng)力演化的機(jī)制是什么？我們預(yù)計，在制造日益復(fù)雜的DED組件的需求推動下，新的和更復(fù)雜的可視化技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展和成熟。功能梯度復(fù)合材料、定向凝固部件和非平衡微觀結(jié)構(gòu)的最新研究提供了此類復(fù)雜性的最新實(shí)例，這些通常需要工藝參數(shù)的不尋常組合。

DED中的主要處理變量
用DED技術(shù)制造高質(zhì)量的零件并不是一項(xiàng)簡單的任務(wù)。熔敷過程與許多工藝變量有關(guān)，這些變量控制著沉積體的熱歷史和凝固，并顯著影響著沉積體材料的組織、物理和機(jī)械性能。在本節(jié)中，主要的工藝參數(shù)決定了DED過程及其對沉積材料的顯微組織和行為的影響。此外，還討論了當(dāng)前和潛在的工藝優(yōu)化技術(shù)。

DED過程使用激光、電子束或等離子體/電弧形式的聚焦熱源。因此，用DED工藝制備的樣品經(jīng)歷了重復(fù)的熱循環(huán)和非常高的熔池冷卻速度(激光熔化103-105 K/s)，在凝固時，會產(chǎn)生細(xì)小的、不平衡的顯微組織和高殘余應(yīng)力，在某些情況下還會出現(xiàn)開裂。對于吹粉DED過程，影響沉積材料的過程參數(shù)分為三個主要分支:(1)系統(tǒng)(規(guī)格)相關(guān)，(2)原料(在這個例子中是粉末)相關(guān)，(3)過程(沉積)變量相關(guān)。這些如圖7所示。圖7中所列的復(fù)雜的熱歷史和大量的工藝參數(shù)使得很難完全表征和研究每個參數(shù)對沉積材料的影響(以及它們的交聯(lián)作用)。

圖7 DED工藝參數(shù)圖。

值得注意的是，與焊接工藝相似，DED工藝高度依賴于粉末原料材料的不同性質(zhì)，包括化學(xué)成分、熔化溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、反射率、比熱容、熔體粘度、熔體表面張力、光譜發(fā)射率等。材料性能對沉積過程的高度依賴導(dǎo)致需要對特定材料的工藝進(jìn)行優(yōu)化。近年來，各種數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)伴隨著閉環(huán)自適應(yīng)控制被提出來解決這一挑戰(zhàn)，預(yù)測、關(guān)聯(lián)和控制給定材料的最佳工藝參數(shù)。圖8所示為組合梯度火箭噴管加工的原理圖工作流仿真示例。這種模型可以通過模擬熱、凝固、顯微組織和性能數(shù)值模擬來模擬沉積過程，從而基于預(yù)先定義的幾何形狀和材料屬性來確定最佳工藝參數(shù)�；�于模擬的最優(yōu)工藝參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)和閉環(huán)反饋控制，按照預(yù)先設(shè)定的刀具路徑執(zhí)行沉積過程。

圖8 結(jié)合有限元模擬、現(xiàn)場監(jiān)測和反饋控制優(yōu)化工藝變量的關(guān)鍵部件DED AM流程圖。

迄今為止，這種先進(jìn)而復(fù)雜的現(xiàn)場模擬-監(jiān)測-控制方法仍被認(rèn)為是一個巨大的挑戰(zhàn)。其中，對零件加工過程中形成的缺陷(如氣孔、LoF缺陷、變形、夾雜物等)和其他工藝特征(如熔體池幾何形狀和溫度、粉流分布、沉積高度等)進(jìn)行在線檢測和原位修復(fù)，并有足夠的響應(yīng)時間是限制因素。然而，先進(jìn)的自適應(yīng)控制和基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)的引入，在優(yōu)化眾多工藝參數(shù)、執(zhí)行在線過程監(jiān)測和控制沉積過程過程中顯示了非常有前途的能力。

基于實(shí)驗(yàn)的過程優(yōu)化工具，如實(shí)驗(yàn)設(shè)計(DOE)方法，被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐。DED工藝參數(shù)及其交聯(lián)協(xié)同和拮抗作用直接影響沉積材料的顯微組織、機(jī)械和物理性能。雖然已有許多報道研究了DED過程相關(guān)參數(shù)對沉積態(tài)材料性能的影響，但交聯(lián)作用之間的相關(guān)性尚未深入研究。

兩相流體的質(zhì)量流量最好直接測量，首先分離兩相，然后用文丘里流量計或校準(zhǔn)孔板分別測量液體和蒸汽的流量。上圖為文丘里流量計圖。

激光功率、激光掃描速度(也稱為橫向速度)和粉末質(zhì)量流量(PMFR)被認(rèn)為是實(shí)際中三個主要的DED處理變量。另一方面，基于初步的材料特異性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通常將艙口間距、能量源直徑、z階躍、工作距離等參數(shù)在整個優(yōu)化過程中定義為常數(shù)。這通常是通過沉積和分析單/雙軌與各種加工參數(shù)集。

有效能量密度E (J/mm2)和粉末密度F (g/mm2)這兩個參數(shù)通常被用作表示與連續(xù)沉積和沉積長徑比相關(guān)的主導(dǎo)工藝參數(shù)組合的因子：


其中，P為激光功率(J/s)， ν為激光掃描速度(mm/s)， d為激光束直徑(mm)，

G為粉體質(zhì)量流量，G /s。

這兩個參數(shù)共同控制激光的有效停留時間，并直接影響熔池溫度、冷卻速度和最終的顯微組織。此外，粉末的流動速率影響了粉末固結(jié)面附近的激光衰減，從而間接影響了粉末的能量密度。在最近的一項(xiàng)研究中，Traxel等人表明了一個比較參數(shù)S對于DED過程是很有意義的，其中S被定義為:


比較參數(shù)類似于Simchi的能量輸入關(guān)系，然而，它對于DED進(jìn)程更有用。在最近的另一篇報告中，DED被用于Inconel 718的沉積[。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，晶粒形貌、枝晶臂間距和孔隙率等微觀結(jié)構(gòu)特征(圖9a和b)隨激光能量密度的變化而顯著變化。與變形形態(tài)相比，沉積態(tài)的Inconel 718的平均晶粒尺寸和枝晶臂間距減小。這歸因于DED過程中固有的高冷卻速率。圖9c-e為使用Ti-6Al-4V的多道實(shí)驗(yàn)中S的影響。增大S中粉末的流動速度會降低總能量輸入，因?yàn)楦�多的質(zhì)量被輸送到熔體池中，這就需要更多的能量來熔化材料。

圖9 (a)激光能量密度對晶粒形貌和平均晶粒尺寸(AGS)的影響，(b)沉積態(tài)Inconel 718的孔隙率 (c)使用LENS™進(jìn)行DED加工設(shè)計的原理圖和工作流程。(d)不同粉末流速下的初始沉積軌跡，(e)不同流速下的沉積特征。

實(shí)驗(yàn)中，完全熔化的粒子被選擇為一個質(zhì)量建設(shè)的主要因素。然而，所有其他因素，包括高寬比和建筑高度，都被視為次要指標(biāo)。能量密度和粉末密度對AISI M4工具鋼單層沉積高度的影響也有報道。結(jié)果表明:鍍層的平均層高隨能量密度和粉末密度的增大而增大;此外，可以觀察到線性相關(guān)，從而可以預(yù)測給定能量和粉末密度下的沉積高度。

在Inconel 718的DED中，激光能量密度被認(rèn)為是一個穩(wěn)健的參數(shù)，在相似的能量密度下會產(chǎn)生相似的材料孔隙率。然而，最近的一篇報道表明，即使在Al-Mg合金的DED中有相同的能量密度，得到的材料密度也是不同的。結(jié)果的差異表明，比能量密度不能作為一個單一的穩(wěn)健的過程參數(shù)，但一個應(yīng)該考慮額外的因素，如原料材料特性和粉末質(zhì)量流量。原料材料的激光反射率、導(dǎo)熱系數(shù)、熔池表面張力等性能直接影響到沉積態(tài)材料的性能和缺陷的形成。例如，為了完成鋁基合金粉末的完全熔化，由于其固有的高表面反射率和高導(dǎo)熱系數(shù)，需要較高的能量輸入。

這就導(dǎo)致了一個不穩(wěn)定的熔池的演化和過度的熱能積累，這可能會導(dǎo)致沉積材料中出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷。此外，熔化這些粉末所需的高激光能量也可能會影響沉積材料的最終成分，因?yàn)榈腿埸c(diǎn)合金元素如Mg、Zn等會汽化。因此，這種化學(xué)成分的變化可能會影響最終的顯微組織、孔隙率、機(jī)械性能和耐腐蝕性。另一方面，激光能量不足可能會導(dǎo)致粉末原料無法適當(dāng)熔化，導(dǎo)致沿圓周形成球化效應(yīng)或空洞。

在吹粉DED過程中，原料通過沉積頭噴嘴進(jìn)入熔池。因此，粉體質(zhì)量流量是決定入熔池的原料量的重要參數(shù)。然而，進(jìn)入熔池的材料量也取決于沉積頭的移動，這相當(dāng)于激光掃描速度。因此，激光掃描速度可以控制能量密度和材料進(jìn)入熔池的數(shù)量。多項(xiàng)研究表明，激光掃描速度影響熔池的凝固行為。因此，它顯著影響了沉積材料的組織和機(jī)械性能。粉末流量和激光掃描速度的結(jié)合決定了每加入一定量粉末到熔體中激光的有效停留時間。一般來說，停留時間的增加會增加進(jìn)入熔池的粉末的體積和能量的輸入，從而產(chǎn)生更大的沉積物。然而，增加粉體密度并不是影響粉體集水效率的唯一參數(shù)。粉末原料的集水效率被定義為粉末在熔池中被吸收。材料的物理性質(zhì)，如熔池溫度、表面張力和粉末流動彌散特性也會影響集水效率，從而影響沉積物的幾何性質(zhì)。

圖10 不同激光功率下實(shí)驗(yàn)與模擬單軌鍍層的俯視圖(a)和側(cè)視圖(b)。激光功率對Inconel 718鍍層幾何形狀(c)和穿透深度(d)的影響。

通過三維數(shù)值模擬結(jié)合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，研究了Inconel 718中熔池和礦床幾何形態(tài)的演化。結(jié)果表明，激光功率的增加不會影響熔敷層的高度，但會導(dǎo)致熔池寬度和穿透深度的增加(圖10)。激光功率的增加導(dǎo)致了熔池表面積的增加，從而提高了集水效率。因此，增加的粉末質(zhì)量分散在更大的熔池上，因此它對沉積高度的影響很小。

在高沖擊的工業(yè)應(yīng)用中，3D零件的DED加工及其獨(dú)特的功能如表面覆蓋和修復(fù)的需求越來越大，高效的工藝優(yōu)化成為必要。然而，盡管許多研究試圖描述各種DED工藝參數(shù)對沉積材料的微觀結(jié)構(gòu)、缺陷形成和性能的機(jī)制和影響，但對其調(diào)控機(jī)制以及它們之間的協(xié)同和對抗相互作用尚未完全了解。


來源：Directed energy deposition (DED) additive manufacturing: Physicalcharacteristics, defects, challenges and applications，MaterialsToday， https://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 theGlobal，Economy, McKinsey & Company, Washington DC, 2013.，G. Warwick,Aviat. Week Space Technol. 176 (11) (2014) 43–44.，M. Segrest, Printbetter parts, Efficient Plant, 17 September 2018，https://www.efficientplantmag.com/2018/09/print-better-parts/(accessed 14December 2020).