定向能沉積(DED)增材制造:物理特性、缺陷、挑戰(zhàn)和應(yīng)用（三）

來(lái)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(duì)該技術(shù)進(jìn)行了關(guān)鍵的展望。本文為第三部分。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

沉積材料中的缺陷及其表征
DED是一種冷速快、熱梯度大的非平衡加工技術(shù)。這些熱條件會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的相變和微觀結(jié)構(gòu)變化、不均勻的殘余應(yīng)力、變形、孔隙、開(kāi)裂，并因此導(dǎo)致耐蝕性退化、機(jī)械行為(如延展性和疲勞強(qiáng)度)和過(guò)早失效。這些是本節(jié)的主題。討論了這些缺陷的形成機(jī)制、測(cè)量、建模和緩解。表3總結(jié)了一些主要缺陷，它們的來(lái)源，對(duì)材料性能和部件的選擇影響，以及它們的表征技術(shù)。下面的小節(jié)將更詳細(xì)地討論它們。

表3 定向加工材料中主要缺陷的特征及其表征技術(shù)。

殘余應(yīng)力和變形

殘余應(yīng)力的來(lái)源:所有的熱機(jī)械制造過(guò)程都不可避免地導(dǎo)致殘余應(yīng)力的形成。由于DED工藝的逐層性質(zhì)，零件經(jīng)歷了一個(gè)非常復(fù)雜的熱歷史，包括熔化、重熔和再加熱。圖11a為加熱和冷卻循環(huán)過(guò)程中殘余應(yīng)力的形成模型。圖11b顯示了H13鋼盒LENS沉積期間的原位熱電偶讀數(shù)。每個(gè)峰值表示當(dāng)激光經(jīng)過(guò)熱電偶[57]時(shí)的熱電偶響應(yīng)。DED是一種非平衡處理技術(shù)，其快速冷卻速率為102–104 K/s，熱梯度為104–105 K/m（圖11c和d）。這可能導(dǎo)致復(fù)雜的相變和微觀結(jié)構(gòu)變化。AM引入的殘余應(yīng)力可能在空間和構(gòu)建方向上高度不均勻，并且通常具有高達(dá)～102兆帕/毫米�？偟膩�(lái)說(shuō)，控制DED中殘余應(yīng)力和變形演變的關(guān)鍵物理因素與熔焊中的類(lèi)似。殘余應(yīng)力根據(jù)其影響的大小分為三種類(lèi)型，從宏觀應(yīng)力（I型）到原子級(jí)應(yīng)力（III型）。

圖11 DED中殘余應(yīng)力的來(lái)源。(a)殘余應(yīng)力形成模型:加熱階段(左)和冷卻階段(右)。(b)透鏡制造過(guò)程中的響應(yīng)，顯示打印部件的復(fù)雜熱歷史。(c) 316ss激光發(fā)射過(guò)程中熔池的數(shù)字圖像，(d)沿梯度線的溫度梯度，顯示激光發(fā)射過(guò)程中溫度梯度很大。(e) Ti-6Al-4V激光DED過(guò)程中產(chǎn)生的計(jì)算畸變。預(yù)熱的構(gòu)建室減少積累的變形。(f)零件和底板預(yù)熱對(duì)熱梯度和產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的影響。較高的預(yù)熱溫度導(dǎo)致較低的熱梯度，從而降低殘余應(yīng)力。

殘余應(yīng)力對(duì)沉積材料和零件的影響: AM零件的殘余應(yīng)力可能會(huì)產(chǎn)生多種后果，包括殘余應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的相變，變形，幾何公差損失，開(kāi)裂，零件從基體上的分層，循環(huán)加載下的早期裂紋擴(kuò)展，因此，結(jié)構(gòu)部件的過(guò)早失效。

殘余應(yīng)力測(cè)量:殘余應(yīng)力測(cè)量是一項(xiàng)重要的任務(wù)。殘余應(yīng)力的計(jì)算需要獲取一些其他可測(cè)量的量，例如位移/畸變、格間距或聲速。殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)通常分為破壞性和非破壞性。破壞技術(shù)基于機(jī)械應(yīng)力松弛，包括鉆孔、連續(xù)切片和環(huán)芯鉆進(jìn)。非破壞性技術(shù)是基于測(cè)量格間距(衍射技術(shù))，聲速，或Barkhausen噪聲(鐵磁材料在外部磁場(chǎng)下發(fā)出的聲音)。大多數(shù)方法都是以假設(shè)為基礎(chǔ)的，因此需要小心確保這些假設(shè)對(duì)有關(guān)的特定部分是有效的。殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)的詳細(xì)綜述可在中找到。在三維模型中，基于熱應(yīng)力平衡方程的數(shù)值解的計(jì)算模型也經(jīng)常被用來(lái)描述應(yīng)力和位移隨時(shí)間的演化。

一個(gè)電磁鐵產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，可以選擇0.1到幾百赫茲之間，這取決于測(cè)試問(wèn)題。感應(yīng)式傳感器與霍爾探頭位于磁極之間，用于測(cè)量切向磁場(chǎng)強(qiáng)度。

緩解: 減少殘余應(yīng)力最常用的方法之一是在沉積過(guò)程中對(duì)基板、建筑腔室和打印部件進(jìn)行預(yù)熱。這允許在部分印刷過(guò)程中減少整體的熱梯度，最大限度地減少累積的殘余應(yīng)力。Corbin等人證明將基材預(yù)熱到~ 400°C可以將基材在打印第一層時(shí)累積的變形減少27.4%。Lu等人開(kāi)發(fā)了一種三維熱機(jī)械有限元方法來(lái)研究由DED引起的變形和殘余應(yīng)力。

研究結(jié)果表明，當(dāng)基體預(yù)熱與構(gòu)建室加熱相結(jié)合時(shí)，殘余應(yīng)力和變形分別可以降低80.2%和90.1%(圖11e)。Vasinonta等也建立了熱-機(jī)械模型，研究了溫度梯度、零件預(yù)熱和底板預(yù)熱對(duì)LENS制作不銹鋼零件殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，均勻零件和底板預(yù)熱可顯著降低殘余應(yīng)力。通過(guò)將零件和底板預(yù)熱至400°C(圖11f)，可以最大限度地降低殘余應(yīng)力~ 40%。這些研究表明，對(duì)基材、構(gòu)建腔體和印刷部件進(jìn)行預(yù)熱，為殘余應(yīng)力的緩解提供了一種實(shí)用的方法;然而，預(yù)熱并不能消除殘余應(yīng)力�？赡苄枰�進(jìn)一步的后處理。

另一種減少打印過(guò)程中殘余應(yīng)力的方法是優(yōu)化掃描策略。較短的沉積長(zhǎng)度、較小的島嶼掃描、螺旋入層(而不是螺旋出層)、提高掃描速度、將層厚減小到熔池深度以下均有利于殘余應(yīng)力和變形的緩解。軌道寬度和艙口間距的設(shè)置應(yīng)使串珠重疊為。Denlinger等人對(duì)激光DED加工的Ti-6Al-4V和Inconel 625零件進(jìn)行了一系列原位和后加工變形測(cè)量，研究了層間駐留時(shí)間對(duì)零件變形的影響。他們證明，在Inconel 625沉積過(guò)程中，將層間停留時(shí)間從0增加到40s，可以在沉積過(guò)程中增加冷卻時(shí)間，并將殘余應(yīng)力從~ 710MPa降低到~566MPa。

圖12 基于掃描策略?xún)?yōu)化的殘余應(yīng)力緩解。(a)層間駐留時(shí)間對(duì)Inconel 625和Ti-6Al-4V合金殘余應(yīng)力的影響。(b) LSF沉積圖，(c) FE建模結(jié)果顯示了掃描策略對(duì)激光發(fā)射過(guò)程溫度梯度的影響。采用基于希爾伯特曲線的分形掃描策略，得到最小梯度。

另一方面，在Ti-6Al-4V打印過(guò)程中，停留時(shí)間從0增加到40s，導(dǎo)致殘余應(yīng)力從~ 98MPa增加到~ 218MPa(圖12a)。這些結(jié)果表明，殘余應(yīng)力的發(fā)展和演化具有高度的材料依賴(lài)性。具體來(lái)說(shuō)，Inconel 625和Ti-6Al-4V行為的差異可能歸因于印刷過(guò)程中相變的差異。Woo等人研究了掃描策略對(duì)激光DED制備的FGM殘余應(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明，應(yīng)力范圍Δσ可從0°旋轉(zhuǎn)時(shí)的~ 950MPa降至90°旋轉(zhuǎn)時(shí)的~ 680MPa，而島式或“棋盤(pán)式”策略則可進(jìn)一步降至~ 430MPa。Yu等采用分形掃描策略，按照希爾伯特曲線(圖12b)進(jìn)行掃描，即連續(xù)的分形空間填充曲線。他們證明，由于沉積過(guò)程結(jié)束時(shí)的準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)溫度分布和分形掃描策略引入的較低的溫度梯度，使用該策略打印的零件比傳統(tǒng)掃描策略顯示出更低的襯底變形(圖12c)。這些研究表明，掃描策略對(duì)DED的殘余應(yīng)力和變形有很大的影響。

通過(guò)印后熱處理可以進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力。為了通過(guò)中子衍射研究Inconel 625零件熱處理引起的應(yīng)力松弛，進(jìn)行了原位壓縮試驗(yàn)。定量分析了增材加工和常規(guī)加工零件內(nèi)部的應(yīng)力演化，分析了宏觀應(yīng)力和不同晶態(tài)晶粒內(nèi)部的應(yīng)力。在相同的溫度和應(yīng)變條件下，am加工的零件比常規(guī)加工的零件表現(xiàn)出更高的應(yīng)力松弛速率，而與晶粒取向無(wú)關(guān)。此外，與常規(guī)加工的零件相比，am加工的零件表現(xiàn)出更低的峰值和平臺(tái)應(yīng)力。這種差異是由于兩種材料的結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸的差異造成的。

利用中子衍射，研究表明激光打印的Inconel 625零件的殘余應(yīng)力可以通過(guò)在氬氣中以870°C熱處理1h來(lái)消除。然而，熱處理還會(huì)導(dǎo)致碳化物的析出，從而降低了參考無(wú)應(yīng)變點(diǎn)陣間距，導(dǎo)致殘余應(yīng)力的計(jì)算存在潛在誤差。Zhang等人進(jìn)一步分析了與應(yīng)力消除熱處理相關(guān)的溫度下Inconel 625的相組成和析出動(dòng)機(jī)械。結(jié)果表明，AM處理引起的元素偏析是導(dǎo)致Inconel 625熱處理后析出行為異常的根本原因。這些研究表明，印后熱處理是消除殘余應(yīng)力的有效策略，但必須制定特定的策略以避免不良相的形成。

復(fù)合材料彈性常數(shù)的示意圖。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們可以考慮纖維和/或平板模型。根據(jù)載荷方向，不同的彈性常數(shù)在金屬?gòu)?fù)合材料中產(chǎn)生。上圖說(shuō)明了兩種不同的模型，并顯示了E和G模塊作為負(fù)載類(lèi)型的函數(shù)。在這些簡(jiǎn)單考慮的基礎(chǔ)上，可以對(duì)不同形態(tài)纖維的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的可達(dá)到的強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)。

實(shí)驗(yàn)成功地采用印后表面處理來(lái)調(diào)整DED零件的應(yīng)力狀態(tài)。例如，磁場(chǎng)輔助加工(MAF)被發(fā)現(xiàn)可以將AM零件表面的殘余應(yīng)力從約200MPa降低到約70MPa，將零件表面的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換為壓應(yīng)力，如圖13a所示。在WAAM零件中，殘余應(yīng)力和變形也可以通過(guò)基體的機(jī)械拉伸或中間軋制來(lái)降低。激光沖擊噴砂(LSP)已被探索作為一種印后處理，以修改激光ded Ti-6Al-4V零件的表面應(yīng)力。這種方法允許將殘余表面應(yīng)力從約100MPa修改為約200MPa(圖13b)，并將顯微硬度從約361 VHN增加到約420 VHN。

圖13 印后表面處理對(duì)殘余應(yīng)力的影響。(a)磁場(chǎng)輔助拋光將拉伸表面的殘余應(yīng)力改變?yōu)閴簯?yīng)力。(b)激光沖擊強(qiáng)化將拉伸表面的殘余應(yīng)力~ 100MPa轉(zhuǎn)化為約200MPa的壓縮殘余應(yīng)力。這幅漫畫(huà)說(shuō)明了兩種表面處理工藝之間的區(qū)別。(c)商業(yè)航空航天工業(yè)用formalloy生產(chǎn)的門(mén)把手，表面為印刷表面(左)和化學(xué)拋光表面(右)。

LSP也應(yīng)用于WAAM 2319鋁合金，引入的壓縮應(yīng)力高達(dá)100MPa。圖13c為化學(xué)拋光金屬AM零件拋光前后的例子。這個(gè)特殊的部分是用FormAlloy公司(San Diego, CA)基于激光的DED裝置快速制作的，作為航空航天行業(yè)的門(mén)把手�？梢�(jiàn)，簡(jiǎn)單的化學(xué)拋光可以提高金屬AM零件的表面光潔度，減少金屬AM零件的分層痕跡。LSP還顯著提高了WAAM零件的表面顯微硬度，從約75 VHN增加到約110 VHN。這些研究表明，印后表面改性可以引入表面壓應(yīng)力，有可能提高印后零件的疲勞壽命。

綜上所述，DED是一種非平衡加工技術(shù)，具有加熱和冷卻速度快、高溫梯度和復(fù)雜的熱歷史等特點(diǎn)，常導(dǎo)致殘余應(yīng)力、氣孔等缺陷的發(fā)展。雖然在測(cè)量、建模和減輕AM部件的殘余應(yīng)力方面已經(jīng)做出了相當(dāng)大的努力，但對(duì)殘余應(yīng)力發(fā)展機(jī)制的基本和整體理解仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。大量研究表明，優(yōu)化工藝參數(shù)和掃描策略可以降低工件的殘余應(yīng)力;然而，仍然需要后處理(如熱等靜壓(HIP)或表面處理)來(lái)充分釋放殘余應(yīng)力。

這在制造過(guò)程中增加了額外的步驟，增加了總成本。由于應(yīng)力測(cè)量技術(shù)在時(shí)間、成本和精度之間的權(quán)衡，準(zhǔn)確測(cè)量DED零件的殘余應(yīng)力也是一個(gè)挑戰(zhàn)。這對(duì)殘余應(yīng)力的研究施加了額外的限制，通常只測(cè)量少量的樣本，這對(duì)發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)上的顯著差異帶來(lái)了挑戰(zhàn)。最后，大多數(shù)殘余應(yīng)力研究都是在AM中常見(jiàn)的合金上進(jìn)行的，如Inconel 625和718,304和316不銹鋼，Ti-6Al-4V和AlSi10Mg�？紤]到殘余應(yīng)力的形成和演化是材料特有的，必須進(jìn)一步理解其他材料(如金屬基復(fù)合材料和fgf)中的這些機(jī)制。

孔隙度
孔隙度的來(lái)源:孔隙度是DED最常見(jiàn)的缺陷之一。典型的形成機(jī)制有三種::(1)鑰匙孔，這些鑰匙孔是由于沉積過(guò)程中的高能量密度而產(chǎn)生的，導(dǎo)致局部汽化和氣體滯留(圖14a);(2)原料產(chǎn)生的氣體孔隙，合金熔煉過(guò)程中元素的選擇性蒸發(fā)，或熔池中屏蔽惰性氣體的滯留;(3)熔體熔池未充分滲透到基板或先前沉積的層中，導(dǎo)致未熔合(LoF)，即能量輸入不足(圖14b)。區(qū)分層間孔隙度(即LoF)和層內(nèi)孔隙度也是很常見(jiàn)的。后者通常隨機(jī)分布在大部分樣本中。

圖14 深部孔隙度的成因與類(lèi)型。(a) 316L SS中LOF孔隙度的示意圖和SEM顯微圖。(b) Ti-6Al-4V小孔孔隙率示意圖和掃描電鏡顯微圖。(c)各種金屬和合金的線能密度、粉末進(jìn)給速率和孔隙率之間的關(guān)系。

就其形狀而言，鑰匙孔是相對(duì)較大的孔隙，它們要么水平呈圓形，在構(gòu)建方向上被拉長(zhǎng)，要么頂部比底部寬。另一方面，氣體孔隙是所有孔隙中最小、最球形的。最后，LoF孔隙通常較大(長(zhǎng)度尺度與熔池大小相似)，形狀不規(guī)則。球度因子有助于區(qū)分不同類(lèi)型的孔隙度。小于0.6、大于0.7和大于0.92的值分別與LoF或部分熔化的粉末顆粒、匙孔和氣孔有關(guān)。

由于孔隙率降低了材料的機(jī)械性能，促進(jìn)了裂紋的形核和擴(kuò)展，因此密度測(cè)量是沉積材料質(zhì)量控制的首要手段之一。在工藝優(yōu)化中，目標(biāo)通常是實(shí)現(xiàn)密度高于99.5%。在粉末DED中，孔隙度取決于粉末進(jìn)給速率(圖14c)和由激光功率、激光光斑大小、掃描速度定義的能量輸入，以及粉末孔隙度。

圖示各向同性蝕刻和薄膜厚度如何限制分辨率和可實(shí)現(xiàn)的最小特征尺寸。

在要蝕刻的樣品得到適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和掩膜的應(yīng)用后，晶圓將浸入蝕刻劑中達(dá)到所需的時(shí)間。濕法蝕刻是一種各向同性蝕刻過(guò)程，即所有暴露的材料都被蝕刻。這導(dǎo)致了典型的蝕刻特征，側(cè)壁出現(xiàn)平緩的斜坡，通常在45°左右。在掩膜和薄膜之間的界面上，如果蝕刻劑在毛細(xì)管作用下沿界面被拉伸，就會(huì)發(fā)生過(guò)度的蝕刻。這導(dǎo)致了特征口的擴(kuò)大和該區(qū)域較淺的側(cè)壁角度。各向同性腐蝕特性有兩個(gè)結(jié)果。兩個(gè)特征之間最小間距的大小和可實(shí)現(xiàn)的最小特征的大小都受到側(cè)壁角度和膜厚的限制（見(jiàn)上圖）。

孔隙率對(duì)沉積材料和零件的影響:孔隙率對(duì)機(jī)械性能有直接和不利的影響，特別是對(duì)印刷零件的抗疲勞性能、各向異性、抗氧化腐蝕性能。由于不規(guī)則或簇狀孔隙可作為應(yīng)力集中器，因此與球形孔隙相比，它們被認(rèn)為對(duì)機(jī)械性能的危害更大，特別是當(dāng)它們垂直于加載方向時(shí)。由于孔隙幾何形狀和位置對(duì)疲勞壽命降低程度的復(fù)雜影響，疲勞數(shù)據(jù)中的彌散性可能較高，不確定性增加。研究發(fā)現(xiàn)，透鏡沉積Ti-6Al-4V的疲勞壽命主要受孔隙大小(較大的孔隙有更不利的影響)、孔隙數(shù)量(但僅受接近表面的孔隙影響)以及在低周疲勞(LCF)情況下，孔隙形狀、相鄰孔隙之間的距離(密集排列的孔隙具有更明顯的影響)。

孔隙度測(cè)量:最近在工藝優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)工藝控制方面的努力使常規(guī)的DED制造具有99%密度的零件。有幾種測(cè)量AM零件孔隙度/密度的方法，包括 Archimedes方法，超聲波脈沖回波速度測(cè)量，金相截面圖像分析，x射線微計(jì)算機(jī)層析成像(μ-CT)、同步加速器設(shè)備中的硬x射線和氣體比重測(cè)量。

緩解: 在DED中，孔隙度管理最直接的方法是流程優(yōu)化。工藝優(yōu)化包括激光功率、掃描速度、艙口間距、層厚、進(jìn)粉速度等參數(shù)的調(diào)整。線形能量密度(LED,J/mm)、面形能量密度(AED, J/mm2)、體積能量密度(VED, J/mm3)、粉末密度(J/mm)等組合參數(shù)在優(yōu)化時(shí)經(jīng)常被用到。然而，盡管人們一致認(rèn)為可以通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)最小化層間孔隙度(LoF)，但層內(nèi)孔隙度的起源并不明確，因此通過(guò)工藝參數(shù)來(lái)降低孔隙度往往不是一件簡(jiǎn)單的事情。

Liu等采用方差分析(ANOVA)研究了激光DED工藝參數(shù)對(duì)AlSi10Mg零件氣孔率的影響。他們發(fā)現(xiàn)最重要的參數(shù)是激光功率，占相對(duì)密度的49%，其次是掃描速度，占34%。研究表明，低VED導(dǎo)致LOF孔隙度的形成，高VED導(dǎo)致鎖孔和球形孔隙的形成;在125J/mm3時(shí)，最大密度>99%。Dass和Moridi編制了一份工藝圖，其中對(duì)各種材料的DED工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化(圖14c)，包括Inconel、Ti-6Al-4V、H13工具鋼、Fe、Ti-15Mo和一些Ni-Cr合金。他們觀察到，該地圖包含三個(gè)沒(méi)有最佳數(shù)據(jù)點(diǎn)的區(qū)域，這可以歸因于這些區(qū)域的鎖孔、LOF和混合模式孔隙度。

控制粉末原料的組成和質(zhì)量對(duì)于在DED中減少孔隙率也是必不可少的，因?yàn)橛∷⒉考�中的一些氣體孔隙率是由粉末原料引入的。Ahsan等人比較了由氣霧化(GA)和等離子體旋轉(zhuǎn)電極(PREP) Ti-6Al-4V粉末制成的零件的孔隙率。他們發(fā)現(xiàn)，用PREP粉末打印的零件的孔隙率始終低于用GA粉末打印的零件。粉末的化學(xué)成分，包括氧氣和水分含量，也會(huì)極大地影響AM部件的孔隙率。Leung等人采用原位和operando同步x射線成像技術(shù)，研究了粉末氧化對(duì)因瓦36孔隙度的影響。他們?cè)诠��?yīng)條件下(0.057 vol.% O)和儲(chǔ)存~ 1年后(0.343 vol.% O)對(duì)粉末進(jìn)行了評(píng)估。他們的結(jié)果表明，粉末原料的氧化物是孔隙形成的成核位點(diǎn)，隨后穩(wěn)定了孔隙。Zhong等論證了水分和粉末干燥處理對(duì)Inconel 718沉積物孔隙率的影響。他們發(fā)現(xiàn)，在110°C的溫度下，將粉末干燥~ 6h，孔隙度就會(huì)大大降低，從~ 0.41%降至~ 0.07%。這些研究突出了原料粉末控制在DED孔隙度管理中的重要性。

DED零件的孔隙可以通過(guò)印后處理(如HIP)來(lái)封閉。Qiu等研究了HIP對(duì)選擇性激光熔化(SLM)Ti-6Al-4V零件顯微組織和拉伸性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，HIP封閉了幾乎所有樣品的孔隙度，使孔隙面積分?jǐn)?shù)從在建條件下的~ 0.35%下降到HIPed條件下的<0.01%。Kobryn等人也使用HIP來(lái)降低Ti-6Al-4V LENS零件的孔隙率。在900°C和100MPa條件下，HIPed時(shí)間為2h，導(dǎo)致LOF孔隙閉合，從而顯著提高了延性。盡管存在上述情況，但有人認(rèn)為，HIP并不是一種從建筑物中去除圈閉氣體的可靠方法。

綜上所述，現(xiàn)有的孔隙度研究大多集中于研究特定的金屬或合金，不能擴(kuò)展到一般的DED工藝。需要更深入地了解材料特性(如激光吸收率、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和表面張力)如何影響多孔性的形成和演化，以減少在工藝優(yōu)化上花費(fèi)的時(shí)間。

開(kāi)裂和分層
開(kāi)裂和分層的起源:一般而言，分層和分層是層狀制造中最常見(jiàn)的現(xiàn)象，但在DED和其他一些AM技術(shù)中，快速加熱和冷卻循環(huán)產(chǎn)生的熱應(yīng)力進(jìn)一步強(qiáng)化了分層和開(kāi)裂。層間殘余應(yīng)力高于材料屈服強(qiáng)度導(dǎo)致分層(即兩個(gè)連續(xù)層之間或第一層沉積層與底板之間的分離)。脫層通常是由于加入未熔化或部分熔化的粉末或熔池下面的層重熔不足造成的。它經(jīng)常發(fā)生在結(jié)構(gòu)和底板之間的界面，那里存在高應(yīng)力集中。

AM預(yù)制件的開(kāi)裂是阻礙金屬AM廣泛應(yīng)用的重要因素。它高度依賴(lài)于沉積材料，即在熔焊過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋的金屬和合金在AM加工過(guò)程中很可能容易產(chǎn)生裂紋。AM 'ed零件的主要開(kāi)裂類(lèi)型為:(i)沿晶界凝固開(kāi)裂，也稱(chēng)為熱裂。這是頂部較熱的巖層比底層或底板收縮更大的結(jié)果，導(dǎo)致了高拉應(yīng)力的演化。這種開(kāi)裂可能發(fā)生在過(guò)程中應(yīng)用的能量對(duì)于特定的材料來(lái)說(shuō)太高的時(shí)候，它取決于固化的性質(zhì);(ii)建筑的“糊狀”或部分熔化區(qū)(PMZ)的液化裂縫。它是由于一些晶界析出物在快速加熱至液相線溫度以下的過(guò)程中熔化，以及部分熔化區(qū)由于在冷卻過(guò)程中凝固和熱收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力的演變。固相和液相線溫度差異較大的合金(如ni基高溫合金)、凝固收縮較大的合金(如Ti-6Al-4V合金)和熱收縮較大的合金(如al基合金)最容易發(fā)生裂紋;(iii)延性浸裂，即一具有面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)的合金在高溫下發(fā)生的固態(tài)晶間裂紋。

開(kāi)裂和分層對(duì)沉積材料和零件的影響:開(kāi)裂和分層導(dǎo)致靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的退化，耐蝕性下降和過(guò)早失效。

開(kāi)裂表征:開(kāi)裂和分層可以通過(guò)破壞性和非破壞性測(cè)試以及計(jì)算建模來(lái)表征。破壞試驗(yàn)包括金相截面、裂紋開(kāi)口及其表征(掃描電子顯微鏡)。無(wú)損檢測(cè)(NDT)包括磁粉、射線照相、μ-CT或超聲波檢測(cè)等。

減輕:減輕分層和開(kāi)裂問(wèn)題的唯一方法是防止它們的形成。這可以通過(guò)工藝優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括襯底和腔室預(yù)熱，優(yōu)化冷卻速度，約束長(zhǎng)徑比和壁厚，優(yōu)化掃描策略和結(jié)構(gòu)內(nèi)的零件定位，以及確保多種材料一起打印時(shí)的材料兼容性。

高表面粗糙度
表面粗糙度的來(lái)源：DED是一種近凈形狀工藝，意味著需要補(bǔ)充后處理，如機(jī)加工或拋光，以達(dá)到所需的公差和表面質(zhì)量。脫模零件的高表面粗糙度可能主要是由于：（i）由于低熱量輸入和大粉末顆粒而粘附在部分熔化粉末顆粒的表面上，和在高激光掃描速度下由于羅利不穩(wěn)定性而產(chǎn)生的成球，將熔池破碎成小島，并被拖到熔池的外邊緣；（ii）臺(tái)階效應(yīng)，它限制了所有分層制造過(guò)程，尤其是在形成傾斜或彎曲表面時(shí)；（iii）熔融材料的飛濺。表面粗糙度由各種材料原料、零件設(shè)計(jì)、加工和后處理?xiàng)l件和變量決定。

表面粗糙度對(duì)沉積材料和零件的影響：表面粗糙度影響沉積零件的尺寸和幾何公差，并嚴(yán)重影響其機(jī)械性能，尤其是疲勞性能。據(jù)報(bào)道，表面粗糙度～200μm可將疲勞強(qiáng)度降低20–25%，具體取決于AM工藝。

表面粗糙度測(cè)量：表面粗糙度可通過(guò)多種分析技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，如接觸式（如原子力顯微鏡（AFM）或觸針）或非接觸式（如共焦激光掃描顯微鏡（CLSM）或白光干涉儀）輪廓術(shù)和SEM。最近，提出了一種新的非標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)測(cè)量程序，用于測(cè)量DED處理合金的表面粗糙度，采用商業(yè)視頻和具有大測(cè)量范圍的多傳感器測(cè)量系統(tǒng)。結(jié)果與白光干涉法的結(jié)果進(jìn)行了比較。

緩解措施：增加熱輸入可以降低表面粗糙度（只要不太高，引入高熱應(yīng)力和不均勻凝固速率）。例如，這是通過(guò)高激光功率和低掃描速度實(shí)現(xiàn)的。其他方法包括使用小層厚度和更細(xì)的粉末顆粒。最后，通常采用熱等靜壓和化學(xué)/電化學(xué)拋光等后處理操作。

線控加工材料中的缺陷
前幾節(jié)已經(jīng)提到了一些缺陷相關(guān)方面的線材加工材料。本節(jié)的目的是添加更多的細(xì)節(jié)并提供一個(gè)簡(jiǎn)明的總結(jié)。殘余應(yīng)力、孔隙率、表面高粗糙度和裂紋也是waam加工金屬零件的相關(guān)缺陷。它們與不適當(dāng)?shù)募庸�條件(例如，能量輸入不足或過(guò)多，飛濺噴射，或糟糕的路徑規(guī)劃)和原料屬性(例如，電線或基板污染)有關(guān)�？紫抖仁荳AAM中最常見(jiàn)的缺陷，其主要原因是氣體的圈閉。在復(fù)雜的沉積過(guò)程或多變的制造過(guò)程中，由于飛濺噴射或熔煉不足而產(chǎn)生的間隙或空隙經(jīng)常被觀察到。此外，金屬絲和基體的表面污染，以濕氣、污物或油脂的形式，在沉積時(shí)吸收能量，固化后形成孔隙。

此外，部分未熔化的金屬絲可能會(huì)出現(xiàn)粘在waam加工過(guò)的零件上。WAAM加工過(guò)程中發(fā)生的復(fù)雜熱循環(huán)導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件組織混合，不利于力學(xué)性能。由于熔池尺寸大、熔珠寬度大、熔層厚度大，鋼絲進(jìn)樣加工的零件表面粗糙度較高。與粉末補(bǔ)料的DED一樣，waam制造的零件也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力;它們可能高于沉積金屬的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致沉積部分的巨大變形、差的公差、開(kāi)裂和分層。

線材和電弧增材制造(WAAM)工藝示意圖。

通過(guò)優(yōu)化沉積路徑、襯底預(yù)熱、調(diào)節(jié)駐留時(shí)間、后處理熱處理，或?qū)⒁r底安裝在五軸系統(tǒng)上，并在兩側(cè)建造零件，使殘余應(yīng)力平衡，可以顯著降低WAAM中的殘余應(yīng)力。從邊緣到中心的掃描策略可以減少基體上的殘余應(yīng)力。Lee等人報(bào)道稱(chēng)，使用180°旋轉(zhuǎn)的雙向工具路徑可以降低50%的殘余應(yīng)力，這可以降低工件底部角落的裂紋形成可能性。冷軋和超聲沖擊試驗(yàn)也能降低WAAM零件的殘余應(yīng)力。通過(guò)引入傳感器，保證接觸端到工作端之間的距離和層間溫度不變，可以防止側(cè)塌和未熔絲。由于金屬熱膨脹的不匹配，雙金屬構(gòu)件比單金屬構(gòu)件表現(xiàn)出更高的殘余應(yīng)力和后續(xù)變形。

未來(lái)的發(fā)展方向
由于DED固有的靈活性和獨(dú)特的能力，這項(xiàng)技術(shù)的未來(lái)是非常令人興奮的。在我們到目前為止討論的關(guān)鍵領(lǐng)域中，也許使用DED修復(fù)零件的前景最光明。盡管DED不會(huì)取代傳統(tǒng)的焊接工位，但修理高價(jià)值或獨(dú)一無(wú)二的部件比制造它們要便宜得多。此外，添加不同的合金來(lái)增加使用壽命將使基于定向定向的修復(fù)比單純的焊接更令人興奮。DED平臺(tái)將用于修復(fù)類(lèi)似的合金，并在修復(fù)期間沉積金屬-陶瓷復(fù)合材料，以增加使用壽命或提高植入物的生物相容性。

3D打印生成的工具路徑。

如上圖描述了具有打印機(jī)刀軌的完整切片零件，由于噪聲，所有掃描數(shù)據(jù)都會(huì)有某種形式的準(zhǔn)確性問(wèn)題。然而，大多數(shù)噪聲在掃描過(guò)程中被過(guò)濾。為了確保零件被很好地掃描，用戶(hù)必須檢查是否需要修理來(lái)平滑零件模型，或者是否有任何零件需要重新掃描。利用不同的切片技術(shù)將STL文件分割成不同的層用于AM處理，可以提高打印質(zhì)量。

此外，DED還將在多材料AM領(lǐng)域流行，包括可以自然建造的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。使用DED或HAM平臺(tái)只能在一次操作中制造多材料結(jié)構(gòu)。在未來(lái)幾年，在不同地點(diǎn)定制特定應(yīng)用程序?qū)傩缘哪芰�可能是一�?xiàng)顛覆性的技術(shù)。為了使其更加可行，多材料CAD及相關(guān)有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的發(fā)展需要進(jìn)一步成熟，以提供多材料零件的可靠性和可重復(fù)性。切片軟件的進(jìn)一步改進(jìn)，如自適應(yīng)和/或局部自適應(yīng)切片和對(duì)不同材料在不同位置的沉積敏感的工具路徑生成軟件，將使多材料AM更容易實(shí)現(xiàn)。

除了金屬和合金，DED還預(yù)計(jì)會(huì)影響氧化物和碳化物基陶瓷或高溫硼化物或氮化物基陶瓷的直接陶瓷加工。可用于硬質(zhì)涂層或小尺寸的特殊大塊陶瓷結(jié)構(gòu)。最后，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將會(huì)使用DED技術(shù)設(shè)計(jì)出新的合金。在可控的環(huán)境下，成分修飾的內(nèi)在靈活性和多種金屬和陶瓷的通用性，可以通過(guò)DED進(jìn)行加工，這是合金設(shè)計(jì)的一大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，隨著越來(lái)越多的用戶(hù)使用可靠的機(jī)器，并有信心將其用于關(guān)鍵應(yīng)用，使用DED制造復(fù)雜的零件或在現(xiàn)有零件上添加多孔或致密涂層也將增加。隨著時(shí)間的推移，DED會(huì)越來(lái)越有吸引力，因?yàn)橛泻芏嗟奶剿鳈C(jī)會(huì)，包括我們今天可以想象到的應(yīng)用程序，以及其他我們只能在未來(lái)學(xué)習(xí)到的應(yīng)用程序。

總結(jié)

我們回顧了定向能沉積(DED)增材制造(AM)技術(shù)、與激光-材料相互作用、缺陷產(chǎn)生和應(yīng)用相關(guān)的相關(guān)加工科學(xué)的最新進(jìn)展。盡管目前在一般金屬AM應(yīng)用中，DED技術(shù)不如粉末床熔合(PBF)技術(shù)常見(jiàn)，但它在材料領(lǐng)域提供了更多的自由度，可以制造多種材料結(jié)構(gòu)和合金設(shè)計(jì)。此外，由于五軸到自由軸沉積頭的建造環(huán)境的自由形式，DED也越來(lái)越流行于大型結(jié)構(gòu)。修理是DED的另一個(gè)獨(dú)特的領(lǐng)域，已經(jīng)成為高端金屬零件的流行。DED提供較低的部分分辨率比PBF過(guò)程;然而，當(dāng)DED用于混合調(diào)幅裝置時(shí)，比任何其他金屬調(diào)幅工藝都能獲得更好的尺寸公差。

最后，除了粉末送進(jìn)，線送進(jìn)DED系統(tǒng)也變得流行，特別是焊接的AM過(guò)程。盡管DED AM的主題很廣泛，但我們的文章仍然集中在基礎(chǔ)加工科學(xué)和相關(guān)材料應(yīng)用的最新進(jìn)展，以及當(dāng)前的挑戰(zhàn)和未來(lái)的方向。我們?cè)O(shè)想這篇文章將有助于進(jìn)一步擴(kuò)展DED的應(yīng)用，從結(jié)構(gòu)到功能再到生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

來(lái)源：Directed energy deposition (DED) additive manufacturing: Physicalcharacteristics, defects, challenges and applications，MaterialsToday， https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.020
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