定向能沉積（DED）增材制造：物理特性、缺陷、挑戰(zhàn)和應(yīng)用（4）

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。本文為第四部分。

多孔性

孔隙率的來源：孔隙率是DED最常見的缺陷之一。它通常通過三種主要機(jī)制形成：（1）小孔，這些小孔是由于沉積過程中的高能量密度而產(chǎn)生的，并導(dǎo)致局部汽化和氣體截留（圖14a）；（2）源于原料的氣孔、熔化過程中合金中元素的選擇性蒸發(fā)或保護(hù)惰性氣體在熔池中的截留；以及（3）由于熔池未充分滲透到基板或之前沉積的層中，即能量輸入不足而導(dǎo)致的未熔合（LoF）（圖14b）。區(qū)分層間孔隙度（即LoF）和層內(nèi)孔隙度也是很常見的。后者通常隨機(jī)分布在大量樣品中。

圖14 DED中孔隙的成因和類型。（a） 316L SS中LOF孔隙度的示意圖和SEM顯微圖。（b） Ti–6Al–4V中鑰匙孔孔隙度的示意圖和SEM顯微圖。（c）各種金屬和合金的線性能量密度、粉末進(jìn)給速度和孔隙率之間的關(guān)系。

就形狀而言，鍵孔是相對(duì)較大的孔隙，這些孔隙要么水平呈圓形，在構(gòu)建方向上拉長(zhǎng)，要么頂部比底部寬。另一方面，氣孔是所有氣孔中最小、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。球形系數(shù)有助于區(qū)分不同類型的孔隙度。低于0.6、高于0.7和高于0.92的值分別與LoF或部分熔融的粉末顆粒、小孔和氣體孔隙度有關(guān)。

由于孔隙率會(huì)降低機(jī)械性能并促進(jìn)裂紋的形核和擴(kuò)展，因此密度測(cè)量是沉積材料的首要主要質(zhì)量控制測(cè)試之一。在工藝優(yōu)化中，目標(biāo)通常是達(dá)到99.5%以上的密度。在粉末DED中，孔隙率取決于粉末進(jìn)給速度（圖14c）和由激光功率、激光光斑大小和掃描速度定義的能量輸入以及粉末孔隙率。

具有最高（頂部）和最低（底部）竣工密度的樣品的XμCT射線照片和3D子體積渲染。

孔隙率對(duì)沉積材料和組件的影響：孔隙率對(duì)機(jī)械性能都有直接和不利的影響，尤其是對(duì)打印件的抗疲勞性、各向異性、抗氧化和耐腐蝕性。由于不規(guī)則或成簇的孔隙可能充當(dāng)應(yīng)力集中體，因此認(rèn)為它們比球形孔隙對(duì)力學(xué)性能的危害更大，尤其是當(dāng)它們垂直于加載方向時(shí)。

孔隙率測(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得密度大于99%的零件的常規(guī)DED制造成為可能。有幾種測(cè)量AM零件孔隙度/密度的方法，包括阿基米德法、超聲波脈沖回波速度測(cè)量、金相橫截面圖像分析、X射線顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描（μCT）、同步加速器設(shè)備中的硬X射線和氣體比重計(jì)。

控制粉末原料的成分和質(zhì)量對(duì)于減少DED中的孔隙率也至關(guān)重要，因?yàn)榉勰┰�料�?huì)引入印刷零件中的一些氣孔�？梢酝ㄟ^打印后處理（如HIP）來封閉DED零件中的孔隙。

綜上所述，現(xiàn)有的大多數(shù)孔隙度研究都集中于研究特定金屬或合金，不能擴(kuò)展到一般的DED工藝。需要更深入地了解材料特性（例如激光吸收率、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和表面張力）如何影響DED過程中孔隙的形成和演化，以減少工藝優(yōu)化所花費(fèi)的時(shí)間。

拋光（a）17-4PH和（b）304L-4透鏡粉末的顯微照片。

開裂和分層

開裂和分層的起源：分層和開裂通常在分層制造中最常見，但在DED和其他AM技術(shù)的情況下，快速加熱和冷卻循環(huán)產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)分層和開裂。分層（即，兩個(gè)連續(xù)層之間或第一個(gè)沉積層與基板之間的分離）是由于產(chǎn)生的層間殘余應(yīng)力高于材料的屈服強(qiáng)度。分層通常是由于加入未熔化/部分熔化的粉末或熔池下方各層未充分重熔造成的。它通常發(fā)生在建筑物和基板之間的界面處，此處存在高應(yīng)力集中。

AM制造零件中的裂紋在阻礙金屬AM的廣泛工業(yè)應(yīng)用方面起著重要作用。這在很大程度上取決于熔敷材料，即在熔焊中容易開裂的金屬和合金在AM處理過程中可能容易開裂。AM'ed零件中的主要裂紋類型有：（i）沿晶界的凝固裂紋，也稱為熱裂紋。這是由于與底層或底板相比，頂部較熱層的收縮更大，導(dǎo)致高拉伸應(yīng)力的演變。當(dāng)過程中施加的能量對(duì)特定材料而言過高時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種開裂，這取決于凝固的性質(zhì)；（ii）建筑物“糊狀”或部分熔融區(qū)（PMZ）內(nèi)的液化開裂。這是由于在快速加熱至低于液相線溫度的過程中，一些晶界沉淀物熔化，以及在冷卻過程中，由于凝固和熱收縮，部分熔化區(qū)中的拉伸應(yīng)力演變而導(dǎo)致的。固相線和液相線溫度差異較大的合金（例如，鎳基高溫合金）、較大的凝固收縮（例如，Ti–6Al–4V）和較大的熱收縮（例如，鋁基合金）最容易發(fā)生這種裂紋；（iii）延展性傾斜裂紋，一些面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)合金在高溫下遇到的固態(tài)晶間裂紋。

開裂和分層對(duì)沉積材料和零件的影響：開裂和分層會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能退化、耐蝕性降低和過早失效。

在構(gòu)建實(shí)心立方體的第12層時(shí)，計(jì)算的熔合區(qū)域和σxx應(yīng)力。

裂紋表征：裂紋和分層可以通過破壞性和非破壞性試驗(yàn)以及計(jì)算建模來表征。破壞性試驗(yàn)包括金相橫截面、裂紋開口及其掃描電子顯微鏡（SEM）表征（斷口）。無損檢測(cè)（NDT）包括磁粉、射線照相、μCT或超聲波檢測(cè)等。

PBF-L過程中熔池前部縱向凹陷的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。

緩解：緩解分層和開裂問題的唯一方法是防止其形成。這可以通過工藝優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)，包括基板和腔室預(yù)熱、優(yōu)化冷卻速率、限制縱橫比和壁厚、優(yōu)化構(gòu)建中的掃描策略和零件方向，以及在一起打印多種材料時(shí)確保材料兼容性。

高表面粗糙度

表面粗糙度的來源：DED是一種近凈形狀工藝，意味著必須進(jìn)行補(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。鑲嵌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融粉末顆粒的表面，以及由于高激光掃描速度下的羅利不穩(wěn)定性而產(chǎn)生的成球，從而將熔池破碎成小島，并拖到熔池的外邊緣；（ii）階梯效應(yīng)，限制所有分層制造過程，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∼200 µm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：表面粗糙度可以通過多種分析技術(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，該程序采用商業(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)果與白光干涉測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行了比較。

緩解措施：可以通過增加熱輸入來降低表面粗糙度（只要不太高，引入高熱應(yīng)力和不均勻凝固速率）。例如，這可以通過高激光功率和低掃描速度來實(shí)現(xiàn)。其他方法包括使用較小的層厚度和更細(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。

PBF-EB預(yù)測(cè)的熔池形狀。（a）水平頂面溫度場(chǎng)，（b）最大熔池橫截面溫度場(chǎng)，（c）中心縱面熔池形狀。

wire-fed DED加工材料中的缺陷

前面的小節(jié)已經(jīng)提到了與線材加工材料相關(guān)的一些缺陷。本節(jié)旨在添加更多細(xì)節(jié)并提供簡(jiǎn)明摘要。殘余應(yīng)力、氣孔、高表面粗糙度和裂紋也是WAAM加工金屬零件的相關(guān)缺陷。它們與不當(dāng)?shù)募庸�條件（例如，能量輸入不足或過多、飛濺物噴射或路徑規(guī)劃不良）和原料屬性（例如，金屬絲或基板污染）有關(guān)�？紫抖仁荳AAM中最常見的缺陷，主要由氣體夾帶引起。在復(fù)雜的沉積路徑或可變的制造過程中，經(jīng)常會(huì)觀察到由于飛濺噴射或熔化不足而產(chǎn)生的間隙或空洞。

WAAM主要研究小組的分布。

此外，電線和基板的表面污染以水分、污垢或油脂的形式存在，可在沉積過程中吸收能量，并在固化后形成孔隙。此外，未熔化電線的部分可能會(huì)卡在WAAM加工零件上。WAAM加工過程中發(fā)生的復(fù)雜熱循環(huán)導(dǎo)致整個(gè)制造過程中的微觀結(jié)構(gòu)混合，對(duì)機(jī)械性能不利。由于熔池尺寸、焊道寬度和層厚度較大，送絲加工零件的表面粗糙度可能較高。與粉末填充的DED一樣，WAAM制造零件中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力；它們可能高于熔敷金屬的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致熔敷零件大變形、公差差、開裂和分層。

通過優(yōu)化沉積路徑、基板預(yù)熱、保持時(shí)間調(diào)節(jié)、后處理熱處理或?qū)⒒�板安裝在5軸系統(tǒng)上，并在兩側(cè)構(gòu)建零件，從而平衡殘余應(yīng)力，可以顯著降低WAAM中的殘余應(yīng)力。發(fā)現(xiàn)從邊緣到中心的掃描策略可以在基板上產(chǎn)生較少的殘余應(yīng)力。Lee等人報(bào)告，通過使用180°旋轉(zhuǎn)的雙向刀具路徑，殘余應(yīng)力降低了50%，這可以減少零件底角處的裂紋形成可能性。還發(fā)現(xiàn)，冷軋和超聲波沖擊試驗(yàn)可降低WAAM零件中的殘余應(yīng)力�？梢酝ㄟ^引入傳感器來防止側(cè)面塌陷和未熔化的電線，以確保接觸端到工作距離恒定，層間溫度恒定。由于金屬的熱膨脹不匹配，雙金屬部件比單金屬部件顯示出更高的殘余應(yīng)力和后續(xù)變形。

未來方向

由于DED固有的靈活性和獨(dú)特的能力，該技術(shù)的未來非常令人興奮。在我們迄今為止討論的關(guān)鍵領(lǐng)域中，使用DED修復(fù)零件的前景可能最為廣闊。雖然DED不會(huì)取代傳統(tǒng)的焊接站，但修理高價(jià)值或同類零件要比制造它們便宜得多。此外，添加不同的合金以延長(zhǎng)使用壽命將使基于DED的修復(fù)比僅焊接更令人興奮。DED平臺(tái)將用于使用類似合金進(jìn)行修復(fù)，并在修復(fù)過程中沉積金屬-陶瓷復(fù)合材料，以延長(zhǎng)使用壽命或改善植入物的生物相容性。

頂部）帶有用于材料沉積的擠壓噴嘴的多材料生物打印機(jī)示意圖。底部）生物打印3D支架的血管化進(jìn)展。1）載細(xì)胞材料（藍(lán)色）以任何方向印在基底上2）基質(zhì)材料填充構(gòu)建層周圍區(qū)域3）添加額外基質(zhì)或血管化材料4）沖洗載細(xì)胞小管以洗去多余材料并孵育，使內(nèi)皮前細(xì)胞襯在支持基質(zhì)上，使其能夠在生物條件下培養(yǎng)。

還可以預(yù)見，DED將在多材料AM領(lǐng)域流行，包括可以自然構(gòu)建的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。多材料結(jié)構(gòu)只能使用DED或HAM平臺(tái)在一次操作中制造。在未來幾年，在不同位置定制特定于應(yīng)用程序的屬性可能會(huì)成為一項(xiàng)顛覆性技術(shù)。為了使其更加可行，多材料CAD和相關(guān)FE分析及拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的進(jìn)步需要進(jìn)一步成熟，以提供這些多材料零件的可靠性和再現(xiàn)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)切片和刀軌生成軟件對(duì)不同位置的不同材料沉積敏感，將使多材料AM更容易實(shí)現(xiàn)。

除金屬和合金外，預(yù)計(jì)DED還會(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。陶瓷的DED可用于硬質(zhì)涂層或小型特種塊體陶瓷結(jié)構(gòu)。最后，預(yù)計(jì)未來幾年將使用DED技術(shù)設(shè)計(jì)出新的合金。在受控環(huán)境下進(jìn)行成分修改的固有靈活性以及可通過DED加工的多種金屬和陶瓷的多功能性是合金設(shè)計(jì)的一大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，隨著越來越多的用戶使用可靠的機(jī)器工作，并有信心將其用于關(guān)鍵應(yīng)用，使用DED制造復(fù)雜零件或在現(xiàn)有零件上添加多孔或致密涂層也將增長(zhǎng)。由于有如此多的探索機(jī)會(huì)，包括我們今天可以想象的應(yīng)用程序和其他我們只會(huì)在未來學(xué)習(xí)的應(yīng)用程序，因此，隨著時(shí)間的推移，DED是一個(gè)更具吸引力的旅程。

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)：
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