定向能沉積（DED）增材制造：物理特性、缺陷、挑戰(zhàn)和應(yīng)用（2）

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。本文為第二部分。

當(dāng)前的挑戰(zhàn)
雖然DED技術(shù)在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，但許多科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)需要關(guān)注，以使該技術(shù)平臺更加通用。PBF是一種更受歡迎的金屬AM技術(shù)平臺，因為它比DED中可以實現(xiàn)的公差更好。近年來，混合AM（HAM）在DED中越來越流行，以滿足零件的嚴(yán)格公差要求。在HAM系統(tǒng)中，DED頭與計算機數(shù)控（CNC）加工中心耦合。沉積幾層后，進行車削或銑削操作以滿足公差。最終零件看起來更像機加工零件，而不是典型的AM加工零件。盡管HAM令人興奮，但由于沉積和加工都是在同一個操作過程中完成的，構(gòu)建時間相對較長。

此外，根據(jù)每個零件的幾何形狀和復(fù)雜性，需要對其進行廣泛的CNC編程和工藝規(guī)劃，以決定何時加工和何時沉積材料。這種復(fù)雜的操作可能需要更多運行HAM系統(tǒng)的經(jīng)驗，而不僅僅是PBF或DED機器。此外，在HAM系統(tǒng)中，機加工產(chǎn)生的金屬屑可能與沉積頭產(chǎn)生的多余粉末混合，并在每次制造操作中造成更多材料損失。

說明與LENS®加工相關(guān)的屬性和科學(xué)問題的示意圖（a）微觀結(jié)構(gòu)、多界面、熱循環(huán)、缺陷和殘余應(yīng)力，以及（b）注射粉末、激光束和熔池之間的相互作用。

同樣，對于多材料部件，根據(jù)沉積頭的不同，通常20-75%的吹出的粉末在實際部件中被捕獲，而剩余的粉末則分散在沉積盤上。這種混合粉末的分離非常具有挑戰(zhàn)性，增加了粉末廢料和DED操作成本。為了避免這一問題，有時首選預(yù)混合粉末，而不是在DED操作中進行動態(tài)混合，在DED操作中，可以收集未使用的粉末，以減少起始粉末浪費。

開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。

在這方面，必須注意，粉末的可回收性也是DED中的一個問題。起始粉末可重復(fù)使用多少次或與新粉末混合，或者在完成DED操作后粉末的流動性會發(fā)生什么變化，這些都是需要詳細闡述的關(guān)鍵問題。冶金兼容性是另一個關(guān)鍵因素，需要更深入地理解，以移動DED來制造多材料零件。與其他金屬AM工藝一樣，DED涉及快速冷卻速率，并由非平衡熱力學(xué)和相關(guān)動力學(xué)控制。因此，利用平衡熱力學(xué)建立的標(biāo)準(zhǔn)相圖在DED中的適用性有限。當(dāng)然，打印多材料結(jié)構(gòu)可能需要大量的試驗和錯誤類型的實驗，以確定可以沉積所有成分而不產(chǎn)生裂紋和其他缺陷的加工窗口。

未來幾年，利用計算材料科學(xué)、先進的機器學(xué)習(xí)方法以及涉及不同合金物理、化學(xué)和熱性能的現(xiàn)場監(jiān)測和自適應(yīng)控制技術(shù)的預(yù)測能力將有利于建立制造單片和多材料零件的冶金兼容性。其他一些問題更與DED機器有關(guān)。雖然高功率激光可以提高打印速度，但在高功率激光機器中，部分分辨率可能會受到影響。最后，雖然大多數(shù)DED操作使用金屬粉末作為原料，但也可以使用更便宜的送絲DED。金屬絲比金屬粉便宜得多，而且金屬絲比金屬粉更安全、更容易儲存。然而，熔化金屬絲需要更高的激光功率，這使得送絲系統(tǒng)更昂貴。

激光與物質(zhì)的相互作用
為了正確理解并最終控制DED的熱環(huán)境，有必要了解潛在的激光束-粉末-熔池（LB-P-MP）相互作用。對控制DED的基本機制的基本理解將有助于對隨后的微觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力和缺陷進行適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)控制，最終目標(biāo)是優(yōu)化材料性能和性能。本節(jié)回顧了相關(guān)方面，如機上粉末顆粒加熱、熔池中存在的時空熱場、顆粒-熔池相互作用及其現(xiàn)場監(jiān)測。還簡要討論了熱源-線相互作用，盡管該領(lǐng)域落后于粉末的等效領(lǐng)域。

基于激光粉末的DED涉及使用惰性氣體作為載體介質(zhì)，以預(yù)選和控制的速率輸送粉末。粉末通過一系列噴嘴被導(dǎo)向熔池。當(dāng)粉末流從噴嘴中流出并流向熔池時，粉末流呈現(xiàn)錐形幾何形狀。同心粉末流在接近熔池時會聚，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過程中。因此，沉積材料通常以層狀結(jié)構(gòu)為特征，經(jīng)歷多次熱循環(huán)，通常包含孔隙和殘余應(yīng)力，如圖1b所示。在靠近熔池的區(qū)域，注入的粉末顆粒與激光束和熔池相互作用，如圖1c所示。對流湍流與熔體池有關(guān)，在某些情況下，沉積條件會導(dǎo)致形成“鎖孔”，其來源于金屬蒸汽，有時在使用涉及極高激光束強度的條件加工材料時會產(chǎn)生金屬蒸汽。

這些現(xiàn)象在很大程度上取決于沉積材料的熱性能和物理性能，以及工藝參數(shù)，例如，包括激光功率和強度分布、粉末流速、速度和軌跡，以及激光掃描的幾何結(jié)構(gòu)和頻率。因此，許多正在進行的研究旨在從根本上了解控制DED的基本機制，以便對隨后的微觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力和缺陷進行適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)控制，最終目標(biāo)是優(yōu)化材料性能和性能。

機上粒子加熱
注入的粉末顆粒從噴嘴中冒出，并與激光束相互作用。根據(jù)工藝條件和局部功率密度，粉末會同時衰減激光束和吸收熱能。因此，粉末顆粒在向基板表面移動時會被加熱，可能會熔化，這取決于存在的熱場和動量場。粉末顆粒與激光束相互作用的熱圖像如圖4a所示。圖4b所示的幾何關(guān)系顯示了粒子到達熔池時，軌跡和入射角如何影響溫度。粉末顆粒向熔池移動時吸收的熱能量取決于顆粒密度和相關(guān)熱物理性質(zhì)，以及顆粒形態(tài)和尺寸分布；激光束中的停留時間和氣體速度也會影響熱能的傳遞。

圖4 （a） 1000的噴嘴出口處加熱粉末顆粒的熱圖像 W激光功率和（b）幾何關(guān)系。（c和d）根據(jù)Beer-Lambert定律和粉末噴霧模式，激光在飛行中被粉末吸收和散射時的能量分配。（e）實驗布置圖顯示了位于DED系統(tǒng)上方的熱測量系統(tǒng)，以及（f）沉積第5層時從頂部觀察WC–Co樣品的熱圖像。

在一項相關(guān)研究中，針對316L SS粉末和Nd:YAG激光器的特殊情況，詳細研究了DED過程中的能量分配。數(shù)值和實驗結(jié)果表明，襯底吸收了30%的激光功率，反射率約為54%；粉末反射率為11%，由于粉末分散，損失了4%，尤其是只有1%被沉積的粉末吸收。另一項關(guān)于激光束內(nèi)粉末軌跡和停留時間影響的研究也報告了類似的結(jié)果。

在DED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，最初在粉末質(zhì)量中，最終在沉積材料中，受到熱能累積的嚴(yán)重影響。如圖4c、d所示，粉末吸收的能量在粉末沉積時轉(zhuǎn)移到熔池中，或在粉末從熔池轉(zhuǎn)移出去時耗散到環(huán)境室中。為了正確理解并最終控制DED的熱環(huán)境，有必要充分了解潛在的LB-P-MP相互作用。然而，考慮到熔池的小尺寸、大的熱梯度以及固體/液體界面的快速移動，這仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

熔池的熱行為
激光束撞擊正在沉積的材料表面，在DED過程中形成聚焦且快速移動的熔池。要正確理解DED過程中控制微觀結(jié)構(gòu)演化的機制，不僅需要了解激光束與熔池的相互作用，還需要了解熔池中存在的時空熱場。在沉積過程中監(jiān)測基于熱的特征（例如，熔池溫度梯度和冷卻速率），可以預(yù)測微觀結(jié)構(gòu)演變特征（例如，枝晶臂間距和晶粒形態(tài)）、機械性能（拉伸強度和耐磨性）和缺陷形成（例如，孔隙度和裂紋）。因此，非接觸熱成像，如可見光和近紅外（IR）輻射測溫，可用于確定熔池的熱特性和相關(guān)冷卻速率。在一項相關(guān)研究中，使用單波長高速數(shù)字電荷耦合器件（CCD）攝像機測量了316L SS沉積過程中獲得的熱圖像。

雙波長高溫計是另一種熱成像系統(tǒng)，由于其使用兩種不同波長的輻射相對強度之比，因此在研究DED過程中受到了關(guān)注。這種方法的一個好處是，它獨立于絕對發(fā)射率值，因此提供了更精確的溫度測量，據(jù)報道誤差范圍在±6 °C。熱成像方法的一個局限性是無法獲得沉積部件的整個熱歷史，尤其是凝固材料的溫度變化。

粒子-熔池相互作用
現(xiàn)場監(jiān)測可以提供有關(guān)工藝參數(shù)對粉末流動影響的重要信息，包括激光熔池相互作用、激光顆粒相互作用、熔池動力學(xué)和孔隙形成。最近使用高速攝影機進行了一項研究，以測量飛行中粒子之間以及與熔池之間的相互作用。這項研究為分析和理解DED過程中的粒子熔化和粒子池相互作用提供了有用的信息。

圖5所示的幾個框架顯示了粉末顆粒在熔融池中移動和撞擊時的顯著細節(jié)。結(jié)果顯示，個別粉末到達熔體表面，導(dǎo)致形成波紋。這些顆粒在表面停留了∼0–600 µs，然后吸收到熔體中。在某些情況下，粒子在與表面上已存在的粒子相互作用后從表面反彈。為了提供顆粒速度分布的統(tǒng)計信息，根據(jù)高速圖像追蹤粉末軌跡（圖5f）。此外，本研究還制定并實施了三相（氣、液、固）計算流體動力學(xué)（CFD）模型，以確定控制顆粒碰撞、熔池動力學(xué)和潤濕性的機制。然后將CFD模型結(jié)果與316L不銹鋼單個顆粒的實驗結(jié)果進行比較�？偟膩碚f，本研究有助于確定材料熱物理性質(zhì)、停留時間、粒度和溫度、沖擊速度、熔池條件和DED過程中表面張力的影響。

圖5 粉末流（a）從噴嘴前部流向基板，（b）從一個噴嘴捕獲顆粒速度，（c）低速視頻（10 kHz）提供（d）100萬個粒子數(shù)據(jù)集，以確定噴霧的空間濃度，（e）單軌沉積期間的飛行，（f）各自的粒子軌跡跟蹤，以及（g）中繪制的速度分量。

Cunningham等人在最近的一項基礎(chǔ)研究中，使用Ti–6Al–4V基板測量了單軌激光材料的相互作用。使用原位成像（圖6a）可以看出，蒸汽抑制和小孔形成的演變?nèi)�決于輸入激光能量。研究發(fā)現(xiàn)，較低的激光功率和相應(yīng)的輸入能量往往會降低激光的有效鉆削速率，從而減少出現(xiàn)的鎖孔數(shù)量。

圖6 （a） Ti–6Al–4V構(gòu)建板上的單軌激光實驗（固定激光）顯示了熔池的演變以及固體材料在0–1.7時間范圍內(nèi)相應(yīng)的蒸汽抑制“鎖孔”。（b）激光功率為250W的DED模擬實驗中空腔、熔池、孔隙率和飛濺的演變，掃描速度為100 mm/s。

在另一項研究中，高速X射線成像用于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裝置對Ti-6Al-4V粉末的DED沉積進行了成像。研究結(jié)果為激光熔池相互作用對氣孔形成的影響提供了新的見解。圖6b提供了有關(guān)氣孔形成和小孔空腔孔隙演化的有趣細節(jié)。該圖還顯示，熔池底部附近空腔的塌陷導(dǎo)致顆粒從表面噴出（被稱為飛濺）。通常，飛濺是由于蒸汽等離子體羽流引起的大壓力梯度或反沖壓力的存在而發(fā)生的，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DED技術(shù)中，這是一種基于激光焊接和焊絲填充的技術(shù)，該過程對激光束和焊絲之間的相互作用也很敏感�？紤]到兩種工藝不同，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線基電火花加工。除了激光功率、橫向速度和送絲速度外，還有其他參數(shù)會影響送絲器和激光束之間的相互作用，例如激光/導(dǎo)線或激光/基板角度、相對于熔池的線頭位置、導(dǎo)線伸出距離和送絲方向，這些參數(shù)需要仔細調(diào)整。金屬絲通常通過球狀轉(zhuǎn)移、平滑轉(zhuǎn)移或加工過程中的插入來沉積。基本上要求熔線尖端始終與熔池物理接觸，以實現(xiàn)無缺陷沉積。

為實現(xiàn)良好的工藝穩(wěn)定性，開發(fā)并實施了基于激光線的沉積工藝的閉環(huán)過程監(jiān)控，包括視覺傳感和圖像處理。在沉積過程中，可以使用互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）相機監(jiān)測導(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。金屬絲尖端進入激光束和隨后進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)接觸到過多的能量時，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)表文獻的回顧表明，對控制激光束和導(dǎo)線相互作用的基本機制的研究仍然相對有限，還需要進一步的工作。

上述高速成像等可視化技術(shù)仍在不斷改進，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)演化相關(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。最近關(guān)于功能梯度復(fù)合材料、定向凝固部件和非平衡微觀結(jié)構(gòu)的研究提供了這種復(fù)雜性的最新例子，這些通常需要工藝參數(shù)的不尋常組合。


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：
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)