定向能沉積（DED）增材制造：物理特性、缺陷、挑戰(zhàn)和應(yīng)用（3）

來源：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。本文為第三部分。

DED中的主導(dǎo)加工變量
通過DED技術(shù)制造高質(zhì)量零件并不是一項(xiàng)簡單的任務(wù)。DED工藝與許多工藝變量相關(guān)，所有這些變量都控制著鍍層的熱歷史和凝固，并顯著影響沉積態(tài)材料的微觀結(jié)構(gòu)、物理和機(jī)械性能。在本節(jié)中，將回顧控制DED工藝的主要工藝參數(shù)及其對沉積材料微觀結(jié)構(gòu)和行為的影響。此外，還討論了目前和潛在的電火花加工工藝優(yōu)化技術(shù)。

DED工藝使用激光束、電子束或等離子/電弧形式的聚焦熱源。因此，采用DED工藝制備的樣品經(jīng)歷了重復(fù)的熱循環(huán)和熔體池的極高冷卻速率（激光熔煉為103–105 K/s），凝固后會產(chǎn)生細(xì)小的、不平衡的微觀結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生高殘余應(yīng)力，在某些情況下還會產(chǎn)生裂紋。對于吹塑粉末電沉積工藝，影響沉積材料的工藝參數(shù)分為三個主要分支：（1）系統(tǒng)（規(guī)格）相關(guān)，（2）原料（本例中為粉末）相關(guān)，以及（3）工藝（沉積）變量相關(guān)。這些如圖7所示。圖7中列出的復(fù)雜熱歷史和大量加工參數(shù)使得很難充分表征和研究每個參數(shù)對沉積材料的影響（及其交聯(lián)相互作用）。

圖7 DED工藝參數(shù)圖。

值得注意的是，與焊接工藝類似，DED工藝高度依賴于粉末原料材料的不同特性，包括化學(xué)成分、熔化溫度、導(dǎo)熱性、反射率、比熱容、熔體粘度、熔體表面張力、光譜發(fā)射率等。材料特性對沉積工藝的高度依賴性導(dǎo)致需要對材料特定的工藝進(jìn)行優(yōu)化。近年來，出現(xiàn)了各種數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)以及閉環(huán)自適應(yīng)控制來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，預(yù)測、關(guān)聯(lián)和控制給定材料沉積的最佳工藝參數(shù)。圖8是成分梯度火箭噴嘴處理的示意性工作流模擬的示例。這種模型能夠根據(jù)預(yù)定義的幾何形狀和材料特性確定最佳工藝參數(shù)，方法是使用熱、凝固、微觀結(jié)構(gòu)和性能數(shù)值模擬對沉積過程進(jìn)行建模。基于模擬的最佳工藝參數(shù)，沉積工藝根據(jù)預(yù)定義的刀具軌跡，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)和閉環(huán)反饋控制執(zhí)行。

圖8 將關(guān)鍵部件的DED AM流程圖與FEA模擬、現(xiàn)場監(jiān)控和反饋控制相結(jié)合，以優(yōu)化過程變量。

到目前為止，這種先進(jìn)而復(fù)雜的現(xiàn)場模擬監(jiān)控方法仍然被認(rèn)為是一個巨大的挑戰(zhàn)。除其他外，在線檢測和現(xiàn)場修復(fù)零件加工過程中形成的缺陷（例如，孔隙度、LoF缺陷、變形、夾雜物）和其他工藝特征（例如，熔池幾何形狀和溫度、粉末流分布、沉積高度）以及足夠的響應(yīng)時間是限制因素。

典型激光粉末DED工藝示意圖。

在實(shí)踐中，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）被視為三個主要的DED處理變量。另一方面，在基于初步材料特定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整個優(yōu)化過程中，通常將諸如圖案填充間距、能源直徑、z步長和工作距離等參數(shù)定義為常數(shù)。這通常是通過沉積和分析具有不同加工參數(shù)集的單軌/雙軌來實(shí)現(xiàn)的。

研究發(fā)現(xiàn)，晶粒形態(tài)、枝晶臂間距和孔隙率等微觀結(jié)構(gòu)特征（圖9a和b）隨激光能量密度顯著變化。與鍛造形式相比，沉積態(tài)鉻鎳鐵合金718降低了平均晶粒尺寸和枝晶臂間距。這歸因于DED工藝中固有的高冷卻速率。圖9c–e顯示了使用Ti–6Al–4V的多軌試驗(yàn)中S的影響。增加S中的粉末流速會減少總能量輸入，因?yàn)楦�多的質(zhì)量被輸送到熔池，這需要更多的能量來熔化材料。結(jié)果表明，沉積層的平均層高隨能量密度和粉末密度的增加而增加。此外，觀察到線性相關(guān)性，從而可以預(yù)測給定能量和粉末密度下的沉積高度。

圖9 （a）激光能量密度對沉積態(tài)鉻鎳鐵合金718晶粒形態(tài)和平均晶粒尺寸（AGS）以及（b）孔隙率的影響。（c）利用透鏡進(jìn)行DED加工設(shè)計(jì)的原理圖和工作流程。（d）具有可變粉末流速的初始沉積軌跡，以及（e）不同流速下的構(gòu)建特征。

對于鉻鎳鐵合金718的DED，激光能量密度被認(rèn)為是一個穩(wěn)健的參數(shù)，導(dǎo)致在類似的能量密度下產(chǎn)生類似的材料孔隙率。最近的一份報告表明，即使鋁鎂合金的DED中具有相同的能量密度，獲得的材料密度也會有所不同。結(jié)果的差異表明，比能量密度不能作為一個單獨(dú)的穩(wěn)健工藝參數(shù)，但應(yīng)考慮其他因素，如原料特性和粉末質(zhì)量流量。原料材料的性能，包括激光反射率、熱導(dǎo)率和熔池表面張力，可以直接影響沉積態(tài)材料的性能和缺陷的形成。

透鏡沉積Ti/TiC金屬基復(fù)合結(jié)構(gòu)（Ti基板頂部四層）。

在吹塑粉末電沉積工藝中，原料通過沉積頭噴嘴輸送到熔池中。因此，粉末質(zhì)量流率是決定引入熔池的進(jìn)料量的重要參數(shù)。然而，引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輸送到熔池的材料量。多項(xiàng)研究表明，激光掃描速度會影響熔池的凝固行為。因此，它顯著影響沉積材料的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。粉末流速和激光掃描速度的組合決定了每引入熔池粉末量的激光有效停留時間。

通過三維數(shù)值模擬和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，研究了鉻鎳鐵合金718中的熔池和沉積幾何演變。結(jié)果表明，雖然施加激光功率的增加不會影響沉積層高度，但會導(dǎo)致熔池寬度和穿透深度的增加（圖10）。這一現(xiàn)象的解釋是，由于熔池表面積增加，激光功率增加導(dǎo)致集水效率提高。因此，增加的粉末質(zhì)量分散在更大的熔池上，因此對沉積高度的影響較小。

圖10 不同激光功率下實(shí)驗(yàn)和模擬單軌沉積的俯視圖（a）和側(cè)視圖（b）。應(yīng)用激光功率對鉻鎳鐵合金718鍍層幾何形狀（c）和穿透深度（d）的影響。

隨著高沖擊工業(yè)應(yīng)用對三維零件的DED加工及其獨(dú)特功能（如表面包覆和修復(fù)）的需求不斷增加，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)對沉積材料微觀結(jié)構(gòu)、缺陷形成和性能的機(jī)制和影響，但對控制機(jī)制以及它們之間的協(xié)同和拮抗相互作用的深入基本理解尚未完全理解。

沉積材料中的缺陷及其表征
DED是一種冷卻速度快、熱梯度高的非平衡加工技術(shù)。這些熱條件可能導(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)力和變形、氣孔、開裂，從而導(dǎo)致耐腐蝕性、機(jī)械性能（如延展性和疲勞強(qiáng)度）退化和過早失效。本節(jié)討論了這些缺陷的形成機(jī)理、測量、建模和緩解。

POM DED機(jī)器示意圖（由POM提供）。

美國POM集團(tuán)是另一家制造LBMD機(jī)器的公司，盡管它們最近被一家名為DM3D Technology的公司收購。他們的DED機(jī)器具有5軸同軸送粉能力，使用保護(hù)氣體方法制造零件。DM3D技術(shù)機(jī)器的一個關(guān)鍵特征始終是集成閉環(huán)控制系統(tǒng)（見圖）。反饋控制系統(tǒng)調(diào)整工藝變量，如粉末流速、沉積速度和激光功率，以保持沉積條件。DED系統(tǒng)的閉環(huán)控制已被證明在保持建造質(zhì)量方面是有效的。因此，不僅DM3D技術(shù)和Optomec機(jī)器提供了這種選擇，競爭對手LBMD機(jī)器制造商以及制造利用送絲器的電子束DED機(jī)器的公司也提供了這種選擇。

殘余應(yīng)力和變形

殘余應(yīng)力的來源：所有熱機(jī)械制造過程都不可避免地導(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)歷了高度復(fù)雜的熱歷史，包括熔化、重熔和重新加熱材料。圖11a顯示了加熱和冷卻循環(huán)期間殘余應(yīng)力形成的模型。圖11b顯示了透鏡期間的現(xiàn)場熱電偶讀數(shù)H13鋼箱的沉積。每個峰值代表激光通過熱電偶時的熱電偶響應(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)力在空間和建造方向上都可能是高度不均勻的。總的來說，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似。殘余應(yīng)力根據(jù)其影響的大小分為三種類型，從宏觀應(yīng)力（I型）到原子級應(yīng)力（III型）。

圖11 DED中殘余應(yīng)力的來源。

殘余應(yīng)力對沉積材料和零件的影響：AM零件中的殘余應(yīng)力可能具有多種后果，包括殘余應(yīng)力驅(qū)動的相變、幾何公差損失、開裂、零件與基體的分層、循環(huán)荷載下的早期裂紋擴(kuò)展，因此，結(jié)構(gòu)部件過早失效。

殘余應(yīng)力測量：殘余應(yīng)力測量是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。殘余應(yīng)力的計(jì)算需要獲取一些其他可測量的量，例如位移/變形、晶格間距或聲速。殘余應(yīng)力測量技術(shù)通常分為破壞性和非破壞性。破壞性技術(shù)基于機(jī)械應(yīng)力松弛，包括鉆孔、連續(xù)切片和環(huán)形巖心鉆孔。無損檢測技術(shù)基于測量晶格間距（衍射技術(shù)）、聲速或巴克豪森噪聲（鐵磁材料在外磁場下發(fā)出的聲音）。大多數(shù)方法都基于假設(shè)，需要小心確保這些假設(shè)對特定利益部分有效。

緩解措施：最常用的殘余應(yīng)力降低方法之一是在沉積過程中預(yù)熱基板、構(gòu)建腔室和打印件。這允許在打印過程中部分降低整體熱梯度，將累積的殘余應(yīng)力降至最低。Corbin等人證明，將基板預(yù)熱至∼400 °C可將第一層打印過程中累積的基板變形減少27.4%。Lu等人開發(fā)了3D熱機(jī)械有限元分析，以研究由DED引起的變形和殘余應(yīng)力。他們的研究結(jié)果表明，當(dāng)基板預(yù)熱與構(gòu)建室加熱相結(jié)合時，殘余應(yīng)力和變形可分別減少80.2%和90.1%（圖11e）。

Vasinonta等人還制定了一個熱力模型，以研究溫度梯度以及零件和基板預(yù)熱對透鏡制造的不銹鋼零件殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，均勻零件和基板預(yù)熱可顯著降低殘余應(yīng)力。最大減少量∼通過將零件和基板預(yù)熱至400°C，可獲得40%的殘余應(yīng)力（圖11f）。這些研究表明，基板、成型室和打印件的預(yù)熱為殘余應(yīng)力緩解提供了一種實(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。

另一種減少打印過程中殘余應(yīng)力的方法是優(yōu)化掃描策略。較短的沉積長度、較小島嶼的掃描、沉積策略的螺旋化（相對于螺旋化），增加的掃描速度，以及將層厚度降低到低于熔池深度都有利于緩解殘余應(yīng)力和變形。Denlinger等人對通過激光DED處理的Ti-6Al-4V和Inconel 625零件進(jìn)行了一系列原位和后處理變形測量，以研究層間停留時間對零件變形的影響。他們表明，在沉積Inconel 625過程中，將中間層停留時間從0增加到40 s，可以在沉積過程中進(jìn)行額外的冷卻，并將殘余應(yīng)力從~ 710 MPa降低到 ~ 566 MPa。另一方面，Ti-6Al-4V打印過程中，停留時間從0增加到40 s，導(dǎo)致殘余應(yīng)力從~ 98 MPa增加到~ 218 MPa(圖12a)。這些發(fā)現(xiàn)表明，殘余應(yīng)力的發(fā)展和演化高度依賴于材料。具體而言，鉻鎳鐵合金625和Ti-6Al-4V的行為差異可歸因于打印過程中相變的差異。

圖12 通過掃描策略優(yōu)化緩解殘余應(yīng)力。（a）層間停留時間對Inconel 625和Ti–6Al–4V中殘余應(yīng)力的影響。（b） LSF的沉積圖案和（c）FE建模結(jié)果顯示了激光DED過程中掃描策略對溫度梯度的影響。

打印后熱處理可進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力。進(jìn)行原位壓縮試驗(yàn)，通過中子衍射研究因鉻鎳鐵合金625零件熱處理引起的應(yīng)力松弛。量化了增材制造零件和常規(guī)加工零件內(nèi)的應(yīng)力演化，并對宏觀應(yīng)力和具有不同晶體取向的晶粒中的應(yīng)力進(jìn)行了分析。在相同的溫度和施加的應(yīng)變下，AM加工的零件表現(xiàn)出比常規(guī)加工零件更高的應(yīng)力松弛率，而與晶粒的結(jié)晶取向無關(guān)。此外，與常規(guī)加工零件相比，AM加工零件表現(xiàn)出較低的峰值和平臺應(yīng)力。這種差異是由于兩種材料的紋理和晶粒大小不同造成的。

打印后表面處理已成功地用于調(diào)整DED零件的應(yīng)力狀態(tài)。例如，發(fā)現(xiàn)磁場輔助加工(MAF)可以將AM零件表面的殘余應(yīng)力從約200 MPa降低到約70 MPa，將零件表面的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，如圖13a所示。WAAM零件的殘余應(yīng)力和變形也可以通過對基體進(jìn)行機(jī)械拉伸或?qū)﹀儗舆M(jìn)行中間軋制來降低。

圖13 印后表面處理對殘余應(yīng)力的影響。

激光沖擊噴丸（LSP）已被探索為一種改善激光切割Ti-6Al-4V零件表面應(yīng)力的印后處理方法。這種方法允許將殘余表面應(yīng)力從約100 MPa修改為約200 MPa(圖13b)，并將顯微硬度從約361 VHN提高到約420 VHN。同時，對WAAM 2319鋁合金進(jìn)行了LSP測試，壓縮應(yīng)力高達(dá)−100 MPa。圖13c顯示了金屬AM零件在加工前和加工后的化學(xué)拋光示例。這個特殊的部件是使用FormAlloy公司(San Diego, CA)的基于激光的DED裝置作為航空航天行業(yè)的門把手快速制造的�？梢钥闯觯�簡單的化學(xué)拋光可以提高表面光潔度，減少金屬AM零件的層痕。LSP顯著提高了WAAM零件的表面硬度，從75 VHN左右提高到110 VHN左右。這些研究表明，打印后表面改性可以引入表面壓應(yīng)力，有可能提高打印零件的疲勞壽命。

綜上所述，DED是一種非平衡加工技術(shù)，具有高加熱和冷卻速率、高溫度梯度和復(fù)雜的熱歷史，這通常會導(dǎo)致殘余應(yīng)力、孔隙度和其他缺陷的形成。雖然已經(jīng)做出了相當(dāng)大的努力來測量、建模和緩解AM零件中的殘余應(yīng)力，但對殘余應(yīng)力發(fā)展機(jī)制的基本和全面理解仍然是一個挑戰(zhàn)。大量研究表明，優(yōu)化工藝參數(shù)和掃描策略可以降低打印件的殘余應(yīng)力。然而，仍然需要進(jìn)行后處理（例如，熱等靜壓（HIP）或表面處理），以完全消除殘余應(yīng)力。這增加了制造過程的額外步驟，增加了總成本。

由于應(yīng)力測量技術(shù)在時間、成本和精度之間的權(quán)衡，準(zhǔn)確測量DED零件中的殘余應(yīng)力也是一個挑戰(zhàn)。這對殘余應(yīng)力研究施加了額外的限制，通常只測量了少數(shù)樣本，這給尋找統(tǒng)計(jì)顯著差異帶來了挑戰(zhàn)。最后，大多數(shù)殘余應(yīng)力研究是在AM中常見的合金上進(jìn)行的，例如鉻鎳鐵合金625和718、304和316不銹鋼、Ti-6Al-4V和AlSi10Mg。鑒于殘余應(yīng)力的形成和演化是材料特有的，必須了解其他材料（如金屬基復(fù)合材料和功能梯度材料）中的這些機(jī)制。

來源：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)