激光粉末定向能量沉積的研究現(xiàn)狀及工業(yè)應(yīng)用（2）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，本文綜述了激光粉末定向能量沉積（LP-DED）的工業(yè)應(yīng)用。本文為第二部分。


梯度材料
LP-DED工藝的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可以通過改變沉積材料的成分來生產(chǎn)組件，從而獲得功能梯度材料（FGM）。通過局部更改構(gòu)成零件的材料，可以優(yōu)化零件的功能。因此，F(xiàn)GMs組件的特性是不均勻的，但它們?cè)诮M件內(nèi)會(huì)發(fā)生變化。例如，考慮到皮帶輪，更可取的做法是在輪轂和輪緣附近使用硬化耐磨材料，在芯部使用更具韌性的材料（圖16）。兩種材料之間界面區(qū)的機(jī)械性能介于純材料性能之間。

圖16 功能梯度材料在皮帶輪上的應(yīng)用表示。

工業(yè)中廣泛使用了幾種常規(guī)技術(shù)，可以獲得FGM組件，如物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、粉末冶金（PM）和離心法（CM）。然而，與傳統(tǒng)工藝相比，使用LP-DED工藝，除了可以生產(chǎn)復(fù)雜形狀外，還可以獲得更高的產(chǎn)量、更低的能耗和最大的材料利用率。此外，LP-DED過程允許修改設(shè)計(jì)過程，引入化學(xué)成分作為設(shè)計(jì)參數(shù)。

在以下段落中，介紹了工業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域中獲得的最相關(guān)的研究結(jié)果，涉及應(yīng)用的宏觀領(lǐng)域，即航空航天、工具和前兩個(gè)領(lǐng)域中未包括的所有其他部門。

航空航天用LP-DED FGM零件
航空航天部門是第一個(gè)應(yīng)用FGMs的部門。FGM組件包括火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件、航天器桁架結(jié)構(gòu)和熱交換面板。然而，生產(chǎn)的零件具有高應(yīng)力集中的特點(diǎn)，可能會(huì)發(fā)生分層。因此，進(jìn)行了幾項(xiàng)可行性研究，以優(yōu)化具有不同特性的材料組合，同時(shí)考慮工藝參數(shù)和成分。此外，連接的幾何形狀和尺寸也會(huì)影響機(jī)械性能。

在使用預(yù)混合粉末混合物的LMD過程中，沉積前后的組成比可能不同。

鈦合金因其高耐蝕性、高強(qiáng)度重量比、低密度和高溫下的高強(qiáng)度而在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，它們的耐磨性差，硬度低。為此，為了克服這一問題，研究了不同的FGM材料。其中，TiC是生產(chǎn)鈦FGM組件研究最多的材料之一，因?yàn)樗�與鈦合金具有冶金兼容性，密度低，硬度和楊氏模量值高。

（a）制造良好的GRCop-84/鉻鎳鐵合金718雙金屬結(jié)構(gòu)。（b） GRCop-84/鉻鎳鐵合金718雙金屬結(jié)構(gòu)的橫截面。（c） GRCop-84/鉻鎳鐵合金718 FGM，具有成分梯度層。

此外，應(yīng)注意的是，不同的航空航天組件，如望遠(yuǎn)鏡和高精度光學(xué)鏡基板，受到可能導(dǎo)致熱沖擊和尺寸變形的大溫度變化。這可以通過使用具有低熱膨脹系數(shù)特征的材料來減少。

鉻鎳鐵合金是另一種成功用于航空航天應(yīng)用的材料，因?yàn)樗�具有耐高溫腐蝕、抗疲勞和抗蠕變的性能。為了提高鉻鎳鐵合金718的導(dǎo)熱性，Onuike等人生產(chǎn)了In718/GRCop-84 FGM。GRCop-84是一種銅基合金，用于主燃燒室和噴嘴襯套。采用了兩種方法，即在In718上直接沉積GRCop-84和在沉積過程中逐漸變化GRCop-84合金。結(jié)果表明，與IN718相比，采用漸變法可以獲得更均勻的界面，熱導(dǎo)率提高約300%。然而，為了生產(chǎn)無缺陷樣品，由于GRcop-84的高反射率，比能量應(yīng)增加約270%。

模具行業(yè)中的LP-DED FGM

功能梯度材料的首批工業(yè)應(yīng)用之一涉及表面涂層，由海德激光服務(wù)公司獲得。這是一家總部位于馬薩諸塞州的公司，其應(yīng)用主要集中在工具和模具、核能和發(fā)電行業(yè)的耐磨涂層上。第一步是比較LP-DED工藝與傳統(tǒng)工藝的性能。使用LP-DED工藝在鎳基體中沉積碳化鎢，與傳統(tǒng)工藝（如熱噴涂或等離子轉(zhuǎn)移工藝）相比，他們獲得了更好的冶金結(jié)合。Thivillon等人將LP-DED工藝與TIG焊接進(jìn)行了比較，分析了鈷基鎢鉻鈷合金和鎳基高溫合金Inconel 625的涂層質(zhì)量。通過顯微組織、硬度和稀釋度等不同特性來評(píng)估涂層質(zhì)量。結(jié)果表明，采用LP-DED工藝可獲得更高的硬度和更細(xì)的晶粒。此外，TIG焊接獲得的冶金結(jié)合顯示出許多不規(guī)則性。相比之下，LP-DED得到的冶金結(jié)合效果較好（圖17）。

圖17 鎢鉻鈷合金6涂層TIG和b DMD工藝的比較。

硬度是影響模具壽命的最重要因素之一。事實(shí)上，模具壽命隨著硬度值的增加而增加。H-13工具鋼由于其高淬透性和高抗熱疲勞性，是模具行業(yè)最常用的材料之一。Chen等人在718H鋼上沉積CoMoCr合金表明，由于碳化物和馬氏體硬質(zhì)相的形成，模具顯微硬度比初始結(jié)構(gòu)增加了兩倍。

除了機(jī)械特性外，F(xiàn)GM材料還成功應(yīng)用于優(yōu)化模具和模具的能耗、環(huán)境影響和材料使用。事實(shí)上，H-13工具鋼的另一個(gè)缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)低，這會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的時(shí)間周期。為了優(yōu)化能耗、環(huán)境影響和材料使用，并進(jìn)一步縮短循環(huán)時(shí)間，高導(dǎo)電材料被用作體積散熱器。這些材料包括Ampcoloy 940、銅合金和工具鋼。Morrow等人表明，將H-13工具鋼沉積在銅基板上，如圖18所示，與傳統(tǒng)工具鋼模具相比，注塑時(shí)間周期可減少約25%。然而，當(dāng)在鋼基體上沉積銅時(shí)，由于這兩種材料的異質(zhì)性，可能會(huì)出現(xiàn)一些困難。例如，在AISI H-13鋼上沉積純銅期間，Noecker和DuPont表明存在三種取決于銅濃度的開裂敏感性水平。這些裂紋歸因于較大的凝固溫度范圍、不期望相的形成以及熱膨脹系數(shù)的差異。

圖18 功能梯度工具鋼銅模。

Ahn和Kim使用三種不同的材料制作了一個(gè)熱管理模具，如圖19所示：Ampcoloy 940用作基礎(chǔ)部件，P21工具鋼用作模塑部件，Monel 400用于中間層，以減少連接區(qū)域的熱應(yīng)力。結(jié)果表明，使用FGM模具的循環(huán)時(shí)間和冷卻時(shí)間分別減少了約30%和80%。

圖19 功能梯度熱管理模具。

Fessler等人生產(chǎn)了從100%不銹鋼到100%因瓦的FGM樣品。這種功能梯度材料因其優(yōu)異的性能而被選用。事實(shí)上，不銹鋼具有較高的耐腐蝕性能，而因瓦的熱膨脹系數(shù)很低，因此用于減少因殘余應(yīng)力引起的變形。美國鋁業(yè)公司將這種功能梯度材料用于生產(chǎn)一種先進(jìn)的注射模具。該模具的特點(diǎn)是采用銅芯，以減少循環(huán)時(shí)間，采用因瓦體，以減少因熱應(yīng)力引起的變形，并采用不銹鋼外表面，以防止腐蝕。

LP-DED FGM的其他應(yīng)用

為了提高汽車行業(yè)的耐磨性和耐腐蝕性，使用鋼和鉻鎳鐵合金生產(chǎn)的梯度金屬材料得到了成功的應(yīng)用。汽車用的功能梯度材料組件包括閥桿、活塞、傳動(dòng)軸和減震器。鉻鎳鐵合金由于在高溫下具有良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能而被成功應(yīng)用。Carroll等人成功地使用LP-DED工藝生產(chǎn)了從304L不銹鋼到625鉻鎳鐵合金分級(jí)結(jié)構(gòu)的樣品(圖20)。通過改變沉積IN625粉末的質(zhì)量量，獲得FGM組分。顯微觀察結(jié)果顯示顯微結(jié)構(gòu)逐漸改變，沒有明顯差異。對(duì)于成分約為82 wt%的SS304L，可以觀察到尺寸約為幾微米的二次相顆粒。這些第二相顆粒在沉積過程中產(chǎn)生了約100μm的裂紋。

圖20 a 理論上的和b - DED生產(chǎn)的功能梯度材料樣品。

不使用工具和模具生產(chǎn)近凈形狀部件是AM工藝的主要優(yōu)點(diǎn)之一。這樣可以節(jié)省材料并縮短交付周期。在大多數(shù)情況下，LP-DED的生產(chǎn)應(yīng)用指的是大型部件的生產(chǎn)和使用高熔點(diǎn)合金的生產(chǎn)。此外，應(yīng)注意的是，使用LP-DED工藝的生產(chǎn)速度平均是L-PBF工藝的十倍。此外，LP-DED生產(chǎn)的樣品的機(jī)械特性與使用常規(guī)工藝獲得的性能相當(dāng)。本節(jié)介紹了LP-DED工藝生產(chǎn)的部件示例，重點(diǎn)介紹了其應(yīng)用的部門，即航空航天部門、工具部門和所有其他部門。

LP-DED生產(chǎn)航空航天零件

航空航天部門是LP-DED工藝被廣泛用于生產(chǎn)的最重要部門之一。推動(dòng)該行業(yè)使用LP-DED工藝的主要原因是，與使用L-PBF工藝生產(chǎn)的部件相比，可以生產(chǎn)尺寸更大的部件。

圖21 中國商飛C919的5米長(zhǎng)鈦翼梁。

DMG Mori使用LASERTEC 65 3D混合機(jī)器生產(chǎn)了一個(gè)不銹鋼渦輪殼體（圖22）。渦輪機(jī)殼體的特點(diǎn)是直徑為180 mm，高度為150 mm。生產(chǎn)該成分所需的時(shí)間約為230分鐘。TWI給出了LP-DED過程應(yīng)用的另一個(gè)示例。使用一臺(tái)五軸LP-DED機(jī)器，成功地制造出了Inconel 718直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室（圖23）。生產(chǎn)的腔室直徑為300 mm，高度為90 mm�？⒐�構(gòu)件相對(duì)于CAD幾何圖形的平均公差約為0.25 mm。此外，獲得了約0.09 mm的薄壁尺寸精度。此外，TWI表明，建造時(shí)間從傳統(tǒng)制造工藝的2個(gè)月縮短到使用LP-DED工藝生產(chǎn)的7.2小時(shí)。

圖22不銹鋼渦輪機(jī)殼的生產(chǎn)（尺寸Ф180 mm × 150 mm）：a實(shí)現(xiàn)主缸，b通過旋轉(zhuǎn)建筑工作臺(tái)產(chǎn)生斜面，c產(chǎn)生12個(gè)橫向連接，d完成操作后的部件（由DMG Mori提供）

圖23 實(shí)現(xiàn)尺寸為300 mm的IN718直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室（由TWI提供）。

除了生產(chǎn)大型部件外，不同的研究表明，與傳統(tǒng)制造工藝相比，LP-DED工藝允許短時(shí)間交付部件。Hedges和Calder表明，由于其靈活性，LP-DED流程可用于管理快速設(shè)計(jì)修改，而無需重新裝備。圖24顯示了LP-DED生產(chǎn)的國防應(yīng)用中使用的外殼。對(duì)于傳統(tǒng)制造系統(tǒng)，生產(chǎn)外殼所需的時(shí)間約為6個(gè)月。相反，使用LP-DED工藝，零件在3天內(nèi)制造。

圖24 用于國防應(yīng)用的316L外殼（由Optomec®提供）。

NCMS進(jìn)行的另一項(xiàng)研究表明，LP-DED工藝將生產(chǎn)模具所需的時(shí)間減少了約40%。2004年，貝爾直升機(jī)公司在航空航天領(lǐng)域進(jìn)行了LP-DED的另一項(xiàng)應(yīng)用。高材料完整性和快速交付的要求導(dǎo)致了LP-DED工藝的使用。LENS 850-R系統(tǒng)用于為軍用直升機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)制造鈦1/6比例混合噴嘴（圖25）。生產(chǎn)所需的時(shí)間從使用傳統(tǒng)鑄造工藝的9周減少到3周。

圖25 Ti64貝爾直升機(jī)公司生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)混合噴嘴的1/16比例模型（由Optomec®提供）。

提高沉積速度可以提高沉積速率值。然而，由于沉積頭電機(jī)的有限加速度，不可能大幅提高速度。此外，隨著沉積速度的增加，沉積材料呈現(xiàn)出與標(biāo)稱尺寸相差很大的凸面形狀。因此，Ma等人為了以高沉積速度生產(chǎn)大型組件，優(yōu)化了沉積策略，以最小化幾何偏差。該優(yōu)化是在一個(gè)支架上進(jìn)行的，該支架的設(shè)計(jì)與飛機(jī)應(yīng)用中機(jī)翼組件的塔架肋類似。在他們的實(shí)驗(yàn)中，開發(fā)了一種變方位光柵掃描（VORS）沉積策略。結(jié)果表明，使用開發(fā)的沉積策略，偏差從4 mm減小到1 mm。圖26描述了在沉積策略的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中產(chǎn)生的支架。

圖26 激光粉末定向能量沉積工藝生產(chǎn)316L大型支架：a在沉積過程中，b最終結(jié)果。

LP-DED生產(chǎn)工具和模具

使用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)模具的問題與制造模具所需的交付周期有關(guān)，在某些情況下，交付周期可能長(zhǎng)達(dá)一年。為了解決這個(gè)問題，LP-DED工藝成功地應(yīng)用于不同的研究中，以減少制造時(shí)間。Morrow等人和POM集團(tuán)進(jìn)行的研究表明，使用LP-DED工藝的提前期比使用常規(guī)工藝的提前期縮短了約70%。

此外，AM工藝在制造業(yè)中的應(yīng)用使生產(chǎn)具有保形冷卻通道的模具成為可能。為了驗(yàn)證LP-DED工藝生產(chǎn)保形冷卻通道的能力，并評(píng)估由此產(chǎn)生的效益，J.S.模具與POM集團(tuán)公司合作生產(chǎn)了一種用于生產(chǎn)輪式部件的模具。結(jié)果表明，該模具和保形冷卻通道成功制造。此外，共形冷卻通道的使用使成型周期縮短了20–50%，這體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益上。

LP-DED在其他部門的生產(chǎn)

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有不同的應(yīng)用。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用的金屬植入物的主要問題是金屬部分和骨骼的機(jī)械特性不匹配，這可能導(dǎo)致骨折和其他問題。因此，一些研究側(cè)重于減少這種不匹配。例如，Dinda等人使用LP-DED工藝生產(chǎn)Ti6Al4V支架，用于患者特定的骨組織工程（圖27）。該過程是在控制室中使用氬和氦的混合物進(jìn)行的。這樣，與氧化有關(guān)的問題就減少了�？⒐ぶЪ艿钠骄�表面粗糙度為25μm。噴砂操作后，表面粗糙度降低至12μm，達(dá)到骨組織工程的推薦標(biāo)準(zhǔn)�？⒐げ糠志哂蟹浅８叩睦�伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，分別為1163 MPa和1105 MPa；然而，延展性低于ASTM F136-79規(guī)定的極限。因此，進(jìn)行熱處理以增加延展性值。他們的工作表明，LP-DED是生產(chǎn)硬組織生物材料的合適工藝。

圖27 DMD工藝生產(chǎn)的STL文件和b Ti6Al4V支架。

Krishna等人提出了一種方法，允許使用LP-DED工藝生產(chǎn)功能性髖關(guān)節(jié)干（圖28）。在他們的研究中，為了獲得內(nèi)部孔隙度，改變了工藝參數(shù)和設(shè)計(jì)方法。這種誘導(dǎo)的內(nèi)部孔隙可以降低組件的體積密度，并減少骨的剛度和植入材料的剛度之間的差異。結(jié)果表明，體積密度從4.5 g/cm3降低到3.6 g/cm3，LP-DED工藝可成功用于生產(chǎn)定制植入物，并根據(jù)患者的需要提供個(gè)性化的特性。

圖28 在LP-DED工藝中通過改變工藝參數(shù)獲得具有不同孔隙度水平的功能性髖關(guān)節(jié)柄。

此外，Palčič等人表明，使用LP-DED工藝可以減少復(fù)雜的操作程序。他們制作了一種空心薄壁髓內(nèi)釘（IM釘），用于固定橈骨頭部（圖29）。由于鈦合金Ti6Al4V的生物相容性、耐腐蝕性和骨整合性，本實(shí)驗(yàn)選擇的材料為鈦合金Ti6Al4V。使用LP-DED工藝生產(chǎn)的部件與使用常規(guī)技術(shù)（車削和鉆孔）生產(chǎn)的部件進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，由于中空結(jié)構(gòu)，LP-DED工藝生產(chǎn)的組件更輕。

圖29 完成操作前后的IM釘?shù)腃AD截面和Ti6Al4V原型。

應(yīng)用LP-DED工藝的其他部門包括汽車、工具生產(chǎn)、軍事和航天部門，強(qiáng)調(diào)了使用LP-DED工藝可獲得的成本和時(shí)間效益。例如，奧托梅克公司使用LP-DED工藝成功生產(chǎn)了紅牛賽車的驅(qū)動(dòng)軸十字軸和懸掛山支架。生產(chǎn)的部件如圖30所示。使用LP-DED工藝，可顯著減少約50%的時(shí)間和成本。此外，懸架安裝支架的廢料減少約92%，驅(qū)動(dòng)軸十字軸的廢料減少約97%。

圖30 a Ti64懸架安裝支架和b Ti64齒輪箱卡盤采用透鏡工藝制造，可節(jié)省90%以上的材料損失（由Optomec®提供）。

在Advanced Robotics Mechantronics System（ARMS）項(xiàng)目中，評(píng)估了使用LP-DED工藝生產(chǎn)空間機(jī)器人機(jī)械手集成臂/外殼的好處。所生產(chǎn)的零件如圖31所示。結(jié)果表明，對(duì)于復(fù)雜零件，LP-DED工藝經(jīng)濟(jì)方便。相反，對(duì)于幾何形狀簡(jiǎn)單的小零件，使用常規(guī)制造工藝可以獲得經(jīng)濟(jì)效益。此外，考慮到將不同組件集成到一個(gè)最終零件中所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，還證明了LP-DED工藝的潛力，尤其是遠(yuǎn)程自主操作的潛力。

圖31 LP-DED集成動(dòng)臂/殼體。

Xue等人使用LP-DED工藝生產(chǎn)CPM-9 V工具鋼的旋轉(zhuǎn)切割模具（圖32）。他們成功地生產(chǎn)了多個(gè)旋轉(zhuǎn)模具，證明了LP-DED工藝相對(duì)于傳統(tǒng)制造工藝的優(yōu)勢(shì)。特別是，他們證明，LP-DED工藝生產(chǎn)的模具可以切割超過180000米的標(biāo)簽，而無需重新塑形。使用LP-DED工藝，與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比，生產(chǎn)時(shí)間縮短了三分之一。此外，材料成本降低了約50%，模具壽命提高了約100%。

圖32 精加工后的LP-DED CPM-9 V旋轉(zhuǎn)切割模。

最后，LP-DED工藝也成功應(yīng)用于聲納應(yīng)用中，用于生產(chǎn)文件夾式殼體投影儀（FPS）。該部件的特點(diǎn)是具有復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)部尖角無法使用傳統(tǒng)制造工藝實(shí)現(xiàn)。NCR-IMI與加拿大國防研發(fā)部（DRDC）合作證明，LP-DED工藝可用于生產(chǎn)無裂紋或缺陷的FPS。

結(jié)論和未來展望
本綜述的目的是對(duì)LP-DED工藝的當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)。與其他AM工藝相比，LP-DED工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)大型部件的可能性，將材料沉積到現(xiàn)有表面的可能性，以及在制造過程中直接改變沉積材料的可能性。

觀察到，主要應(yīng)用于渦輪葉片等形狀復(fù)雜的高價(jià)值部件的維修作業(yè)。與其他修復(fù)工藝(如TIG或等離子轉(zhuǎn)移弧焊)相比，鼓勵(lì)使用LP-DED工藝的原因是更低的熱量輸入，更低的翹曲和變形，以及更高的精度。此外，采用LP-DED工藝可以節(jié)省大量的成本和時(shí)間。提高表面質(zhì)量是目前LP-DED工藝的主要問題之一，需要進(jìn)一步的研究工作來優(yōu)化工藝參數(shù)。此外，為了改進(jìn)工藝，獲得更高的重復(fù)性也是必要的，以了解基板的形狀和尺寸的影響，在修復(fù)操作的情況下，這與受損的部分重合。

由于可以在現(xiàn)有表面上沉積，并且在制造過程中可以使用不同的材料，LP-DED工藝被廣泛用于生產(chǎn)設(shè)計(jì)材料。這種能力被應(yīng)用在不同的部門，以提高機(jī)械性能，如耐磨和耐腐蝕，硬度，和熱性能，如模具中的導(dǎo)熱系數(shù)，以改善熱交換�，F(xiàn)階段，由于兩種不同材料的熔合會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的現(xiàn)象，功能梯度分析的應(yīng)用主要局限于研究界面區(qū)域的可行性案例。主要問題是對(duì)每一對(duì)廢舊材料的工藝參數(shù)的選擇。仿真模型可以通過定義和限制工藝參數(shù)窗口，從而限制優(yōu)化工藝參數(shù)所需的實(shí)驗(yàn)測(cè)試來克服這一問題。從文獻(xiàn)綜述中發(fā)現(xiàn)，到目前為止，LP-DED工藝用于生產(chǎn)數(shù)量有限的、具有相對(duì)簡(jiǎn)單的幾何形狀和高維特征的零件。這與LP-DED工藝無法管理具有懸垂特性的組件有關(guān)。傾斜基底之間的整合和沉積頭的運(yùn)動(dòng)允許克服這一限制。然而，有必要分析傾斜襯底對(duì)沉積參數(shù)特性的影響，如粉末流動(dòng)和功率吸收。

來源：Current research and industrial application of laser powder directed energy deposition, Manufacturing Technology, 10.1007/s00170-021-08596-w

參考文獻(xiàn)：Slack N (2013) Brandon-Jones, A., and Johnston, R. Operations management, 7th ed. Pearson, Edinburgh, UK