激光粉末定向能量沉積的研究現(xiàn)狀及工業(yè)應用（1）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：本文綜述了激光粉末定向能量沉積（LP-DED）的工業(yè)應用。本文為第一部分。


由于在形狀設計、零件功能和材料效率方面的可能性，增材制造（AM）技術被公認為制造業(yè)的未來。由于對AM工藝和最終零件特性的了解不斷增加，AM技術在許多工業(yè)部門的使用也在增長。定向能沉積（DED）技術是最有前途的AM技術之一，它使用熱源在注入金屬粉末的基板上生成熔池。DED技術的潛力在于處理大型構建量的能力（> 尺寸為1000 mm），能夠將材料直接輸送到熔池中，修復現(xiàn)有零件的可能性，以及在建造過程中更換材料的機會，從而形成功能梯度材料。本文綜述了激光粉末定向能量沉積（LP-DED）的工業(yè)應用。在維修、設計材料和生產(chǎn)中確定了三種主要應用。盡管LP-DED具有巨大的優(yōu)勢，但從文獻中可以看出，最相關的應用是指高價值部件的維修過程。

介紹
增材制造（AM）系統(tǒng)的改進和對所生產(chǎn)零件性能的不斷了解推動了AM工藝在最終部件生產(chǎn)中的應用。汽車、醫(yī)療和航空航天只是AM工藝成功應用的少數(shù)幾個行業(yè)。這些部門的共同因素是幾何復雜性和中小型批量生產(chǎn)，這使得AM的生產(chǎn)在經(jīng)濟上很方便。

產(chǎn)品屬性地址模型中沒有/有AM進入者的生產(chǎn)成本，市場價格和利潤。

考慮到使用金屬合金作為原料的工藝，根據(jù)ASTM，主要的金屬AM工藝是粉末床熔合（PBF）工藝，包括激光粉末床熔合（L-PBF）和電子粉末床熔合（E-PBF）以及定向能沉積（DED）工藝。

與PBF工藝相反，DED工藝不是一種綜合工藝，因此被認為在工業(yè)生產(chǎn)中還為時過早。此外，如圖1中的圖表所示，世界各地安裝的DED系統(tǒng)數(shù)量仍然較低。該圖顯示了所售金屬AM系統(tǒng)的行業(yè)分布，并表明金屬AM市場主要由粉末床熔融工藝控制，占82%。定向能沉積是第二種系統(tǒng)銷售技術，其百分比僅為8%（比PBF工藝低十倍）。

△圖1 2019年金屬增材制造系統(tǒng)在市場上的分布。

然而，應注意的是，工業(yè)界對DED工藝的興趣正呈指數(shù)級增長，因此，強調(diào)目前取得的主要工業(yè)成就并確定該技術的未來趨勢非常重要。

關于DED工藝，可以對工藝物理、維修操作、監(jiān)控技術以及由DED加工的合金進行幾次審查。然而，所有這些研究都集中在零件的特性和工藝參數(shù)的影響上。本文旨在說明DED技術的技術成熟度水平以及在工業(yè)生產(chǎn)中應用DED的可行性。因此，描述了當前成功的工業(yè)案例，其中應用了DED工藝。該審查可以指導研究人員和制造商采取下一步行動，使該技術更深入地工業(yè)化。

LP-DED工藝
LP-DED系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。它由四個基本元件組成：激光器、電機、進料機構，依次由粉末給料機、沉積頭和控制單元組成。

△圖2描述了一種通用的激光粉末定向能沉積(LP-DED)系統(tǒng)。

在LP-DED工藝中，聚焦激光束用于在基板或建筑平臺上產(chǎn)生熔池。然后，噴嘴或沉積頭通過載氣將粉末材料送入生成的熔池。當粉末材料進入熔池時，它會立即熔化，從而增加液體材料的體積。當激光離開時，熔融材料快速凝固，并獲得凸起的軌跡。在生成的熔池附近的工作區(qū)域，使用保護氣體防止氧化

基于LP-DED過程的物理特性，開發(fā)了幾種技術。最常用的LP-DED技術是洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發(fā)的直射光制造（DLF）工藝、桑迪亞國家實驗室開發(fā)的激光工程凈成形（LENS®）工藝和直接金屬沉積（DMD™) POM集團開發(fā)的工藝。DLF、透鏡和DMD工藝之間的差異包括激光功率、激光光斑大小、激光類型、粉末輸送方法、惰性氣體輸送方法、反饋控制系統(tǒng)和所用的運動控制。結果表明，DLF是一種適合生產(chǎn)難熔金屬和不銹鋼合金近凈形狀復雜部件的生產(chǎn)技術。

維修和保養(yǎng)
部件的損壞可能由腐蝕、熱應力、可變熱循環(huán)和沖擊等多種現(xiàn)象引起。受損部件通常由新零件更換；但是，在某些情況下，修復它們更方便。當維修后的部件具有較高的經(jīng)濟價值時，就是這種情況。這一高價值來源于生產(chǎn)組件所需的復雜操作和使用的寶貴材料。因此，修復這些組件可能意味著顯著的成本節(jié)約。

在工業(yè)中，鎢極惰性氣體（TIG）焊接是第一種用于修復受損部件的技術。盡管TIG工藝的適用性相對簡單，但它會在修復部件中產(chǎn)生大量熱量，從而導致高殘余應力和變形。另一方面，等離子轉移電弧焊（PTAW）和電子束焊接（EBW）工藝滿足了低熱量輸入的要求；然而，他們的設備更加復雜和昂貴。

迄今為止，在其他技術中，LP-DED工藝是修復受損部件最常用的工藝之一，因為與傳統(tǒng)工藝相比，LP-DED工藝的熱量輸入更少，翹曲和變形更少，精度更高。此外，修復零件的機械性能也很有前景和吸引力。

根據(jù)Ruiz Salas等人和Yilmaz等人，受損部件的維修操作遵循以下不同步驟：

• 通過三維數(shù)字化獲取受損零件的幾何圖
• 比較標稱幾何結構和實際幾何結構，突出受損區(qū)域
• 修復區(qū)域評估和表面處理
• 材料表征，優(yōu)化工藝參數(shù)
• 通過CAM軟件定義刀軌
• 受影響區(qū)域修復
• 加工修復區(qū)域
• 修復零件的三維數(shù)字化
• 將修復后的幾何圖形與原始CAD模型進行比較，以驗證修復效果
  

航空航天領域的LP-DED維修
航空航天部門的特點是使用高性能材料生產(chǎn)的部件，如Ti6Al4V和Inconel，由于制造困難和幾何形狀復雜，這些部件非常昂貴。通過維修受損部件而不是更換部件來大幅降低成本的可能性是該領域維修應用的驅動力。LP-DED工藝由于其高精度和修復部件中產(chǎn)生的最小變形，允許在尺寸偏差和冶金結合方面獲得可接受的結果，因此是航空航天領域的最佳修復工藝。

此外，如Wilson等人在受損渦輪葉片的維修過程中所證明的那樣，在航空航天部門使用LP-DED工藝可以減少材料浪費，從而帶來環(huán)境效益（圖3）。工作中，Optomec LENS 750機器用于修復尖端部分受損的316L不銹鋼刀片。修復后的葉片顯示出良好的結果，相對于標稱幾何形狀，精度約為0.03 mm。此外，生命周期評估（LCA）顯示了在維修作業(yè)中使用LP-DED過程的有效性。具體而言，當維修量約為10%時，使用LP-DED工藝，與更換新工藝相比，碳足跡改善了45%，總節(jié)能約36%。

△圖3 a受損，b修復316L渦輪葉片（橫截面圖中的尺寸為20 mm × 45mm）。

然而，在航空航天領域，眾所周知，零件的質量是優(yōu)先考慮的；因此，進行了數(shù)十項可行性研究并加以應用。因此，學術和工業(yè)層面的不同研究人員通過測試工業(yè)利益的案例研究，研究了LP-DED工藝修復應用的可行性。例如，Optomec使用LP-DED工藝修復AM355鋼T700整體葉盤，該整體葉盤因翼型前緣的侵蝕效應而受損（圖4）。通過50000次低周疲勞旋轉試驗和60000 rpm旋轉試驗對維修進行了機械驗證。

△圖4 a損壞，b修復AM355鋼制T700整體葉盤（由Optomec®提供）

Gasser等人闡述了歐洲主要項目之一FANTASIA在渦輪發(fā)動機應用維修和維護中使用LP-DED工藝方面取得的主要結果。本項目面臨的主要方面是沉積期間的精度。除精度外，結果表明，由于獲得的顯微結構，沉積材料具有足夠的靜態(tài)和動態(tài)特性。


圖5a描述了Rene N5 CFM56的受損HPT護罩。修復過程中的挑戰(zhàn)是避免冷卻孔，避免獲得的薄邊熔化。為了獲得修復后的表面，首先對受損部件進行掃描，然后利用數(shù)據(jù)生成沉積路徑。圖5b所示的結果表明，LP-DED可用于修復HPT護罩，稀釋度低，精度好，小于0.15 mm。

△圖5激光金屬沉積（LMD）工藝前后CFM56 HPT護罩a和b。

Rolls-Royce Deutschland還認證了LP-DED工藝在15種不同維修操作中的使用。圖6和圖7分別描述了兩個最重要的例子。圖6顯示了使用鎳合金生產(chǎn)的BR715 HPT外殼。在運行過程中，該部件的一些特性，如凸臺、法蘭和托架受到磨損。應用LP-DED技術成功地修復了鎳基合金Nimonic PE16的磨損法蘭。在此過程中，利用保護氣體避免了氧化現(xiàn)象。

△圖 6激光金屬沉積工藝修復BR715 HPT表殼法蘭。

圖7顯示了由Ti6Al4V合金制成的BR715 HPC前傾卸裝置的阻尼線槽。在此應用中，通過局部修復槽壁來修復部件。該應用程序有兩個關鍵問題。首先，磨損前的墻壁不得受到該過程的影響。此外，有必要考慮工作區(qū)域因凹槽幾何形狀的存在而受到限制。LP-DED流程可以克服這些問題；然而，必須通過優(yōu)化工藝參數(shù)來提高修復零件的質量。例如，Liu等人開展了一項初步工作，以調(diào)查LP-DED工藝修復鋁合金飛機結構的能力。結果表明，通過合理的工藝參數(shù)組合，可以獲得良好的無裂紋冶金結合。然而，由于沉積材料和基體之間的弱界面，與基體材料的性能相比，拉伸強度和疲勞壽命都較低。

△圖7采用LP-DED工藝對Ti6Al4V槽壁進行修復，并對修復后的槽壁進行截面分析。

除了工藝參數(shù)外，沉積策略也是影響零件質量的另一個因素。Petrat等人優(yōu)化了沉積策略，以便在鉻鎳鐵合金718燃氣輪機燃燒器的維修操作期間將尺寸偏差降至最低，并獲得規(guī)則的幾何形狀。Kistler等人修復Ti6Al4V樣品，分析了零件厚度、沉積策略、沉積層數(shù)量、初始溫度和層間停留時間對修復零件質量的影響。結果表明，熱影響區(qū)主要受零件厚度的影響；特別是，厚零件的特點是相對于薄零件，熱影響區(qū)較小�？紫抖葍H受沉積層數(shù)的輕微影響，并隨沉積層數(shù)的增加而增加。然后，觀察到硬度受基體初始溫度的影響，溫度越高，由于熱梯度越小，硬度值越低。

△堆積物的硬度。

Nowotny等人修復了飛機發(fā)動機轉子上的鈦葉片（圖8a）。為了減少氧化，維修過程在封閉的惰性氣體室中進行。維修操作的結果如圖8b所示。通過選擇合適的工藝參數(shù)和沉積策略，可以獲得完全致密和細晶的微觀結構。在拉伸和疲勞強度方面，機械性能至少與基材相當。

△圖8鈦合金葉片的a修復操作和b修復葉片的微觀結構。

工具和模具的LP-DED維修
在模具和模具的使用過程中，可能會出現(xiàn)不同類型的缺陷，如熱裂紋和磨損，因此，它們的使用壽命有限。模具和工具維修過程中最具挑戰(zhàn)性的問題之一與生產(chǎn)常用材料的低焊接性有關。此外，由于碳含量和合金元素較高，很容易形成脆性相。通過研究工藝參數(shù)和表面預熱的影響，使裂紋最小化。

Ren等人為了提高修復操作的準確性和可靠性，將自適應鋸齒形刀軌模式與3D對準技術結合使用。建議的維修策略在Spartan Light Metal LLC的模具維修中進行了測試。圖9顯示了損壞的模具芯（左）、沉積過程后的模具（中）和精加工操作后的模具（右）。在他們的工作中，他們展示了LP-DED工藝用于維修操作的能力；此外，與原始部件和使用焊接技術修復的部件相比，LP-DED生產(chǎn)的部件具有較高的導熱性。

△圖9 Spartan Metal LLC模芯a在維修前，b在LP-DED工藝后，c在完成操作后。

除了修復作業(yè)的可行性外，許多工作都集中于修復作業(yè)的可持續(xù)性和環(huán)境影響�？沙掷m(xù)性和環(huán)境影響通過不同的因素進行衡量，如能源消耗、污染、材料浪費、交付周期和成本。這些因素的影響通常通過生命周期分析（LCA）進行調(diào)查。從經(jīng)濟角度來看，修復它們的經(jīng)濟優(yōu)勢得到了廣泛證明。此外，InssTek股份有限公司維修了一個熱鍛模（圖10），并表明維修后的模具的使用壽命比原始模具高2.5倍。

△圖10 a損壞b修復的熱鍛模。

Bennett等人修復了一個汽車鋼模具，如圖11a所示，并表明修復后的模具（如圖11b所示）的壽命與原始模具壽命相同。相反，使用傳統(tǒng)工藝修復的模具壽命與原始模具壽命相比變化在12.5%到29.2%之間。此外，生命周期評價結果表明，LP-DED修復工藝與傳統(tǒng)修復工藝相比，對環(huán)境的影響較小。

△圖11 a損壞b修復的汽車模具。

其他部門的LP-DED維修
汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展利益正變得越來越重要。鋼和灰鑄鐵是生產(chǎn)汽車部件最常用的兩種材料。因此，修復這些部件可能會延長使用壽命。然而，由于這些材料容易形成裂紋，因此不容易修復。在此范圍內(nèi)，進行了研究以優(yōu)化工藝。例如，Bennett等人使用LP-DED工藝，用316L不銹鋼修復灰鑄鐵柴油發(fā)動機部件。圖12描述了修復過程前后的組件。使用螺旋沉積策略減少裂紋。此外，在沉積前后，采用預熱和后熱階段來控制加熱和冷卻速度。據(jù)觀察，修復過程對伸長率值有很大影響。使用傳統(tǒng)工藝，延伸率比未受損零件降低約20%；使用LP-DED工藝，延伸率提高約60%。

△圖12灰鑄鐵柴油機a修前b修后。

由于惡劣的環(huán)境條件，海洋部門的組件通常會受到腐蝕、侵蝕和氧化，從而降低運營成本。這些部件通常使用MIG和埋弧等焊接技術進行維修。然而，這些技術導致變形、較大的熱影響區(qū)和較差的重復性。另一方面，Kampanis和Hauer使用LP-DED工藝修復了長11.2 m、直徑650 mm的傳動軸，并表明LP-DED是快速、高效和安全維修操作的合適工藝。與冷噴涂、熱噴涂、等離子噴涂和電弧焊相反，使用LP-DED工藝時，由于殘余應力較低，未觀察到裂紋。此外，修復零件的變形非常有限。此外，海洋部門的組件通常具有超過400 mm的巨大尺寸。使用常規(guī)維修工藝，如TIG或PWAG，不可能在船上維修這些部件，必須將其運輸?shù)杰囬g或實驗室，而且這項活動既耗時又昂貴。因此，在不將這些部件從殼體結構中移除的情況下，就地維修這些部件非常重要。KIMI成功修復了船用活塞（圖13），證明了LP-DED工藝的經(jīng)濟效益。此外，他們還證明，修復后的部件具有更高的硬度和耐腐蝕性。因此，使用LP-DED工藝，延長了活塞的使用壽命。

△圖13使用LP-DED工藝維修手動黑白活塞。

Koehler等人對船用柴油發(fā)動機曲軸進行了維修。采用LP-DED工藝，沉積材料與基材之間獲得了良好的冶金結合。圖14顯示了維修后曲軸的頂視圖和底視圖。維修寬度約為50 mm，在維修操作期間，證明曲軸的功能方面（如油孔）沒有改變或損壞。

△圖14采用LP-DED工藝修復曲軸。

LP-DED維修工藝成功應用的另一個重要部門是鐵路運輸部門。事實上，在其他現(xiàn)象中，鋼軌因滾動接觸疲勞（RCF）引起的磨損機制而持續(xù)受損。

眾所周知，修復內(nèi)部缺陷（如裂紋）比修復外表面的過程更困難。Nowotny等人證明了LP-DED工藝在修復內(nèi)部缺陷方面的有效性。在他們的工作中，使用一種新型內(nèi)徑沉積頭修復了大型火炮身管的腐蝕缺陷。通常，維修操作需要在受損區(qū)域加工凹槽。

Pinkerton等人分析了凹槽幾何形狀對沉積過程的影響。特別是，選擇了兩種不同的幾何形狀，即方形和V形。使用H-13工具鋼作為材料。結果表明，方形槽的垂直壁是一個問題；事實上，他們屏蔽了粉末流和激光束，因此測量到了更高的孔隙度值。后來，Graf等人在不同的凹槽形狀中沉積了不銹鋼和鈦粉。在他們的研究中，改變了工藝參數(shù)，并研究了其對熱影響區(qū)和微觀結構的影響。結果表明，如果凹槽足夠大，可以獲得無氣孔的修復操作。此外，使用低熱量輸入，在不使用額外惰性氣體的情況下沉積鈦粉。在他們的研究中使用的沉積策略允許在相鄰軌道之間和連續(xù)層之間獲得恒定的偏移，以及良好的側壁融合，如圖15所示。

△圖15修復操作導致鈦部件具有不同的凹槽形狀。

Oh等人研究了LP-DED工藝在修復不同槽深的受損316L L-PBF部件方面的適用性。在他們的研究中，通過拉伸試驗、硬度測量和觀察斷口來分析機械性能。結果表明，LP-DED工藝可用于L-PBF部件的修復。然而，對于較大的槽深，由于熱殘余應力，會出現(xiàn)裂紋。修復后試樣的伸長率和強度分別比原L-PBF組分低5%和3%。另一方面，未觀察到顯微硬度的顯著變化。Sun等人使用LP-DED工藝修復316L不銹鋼上的T形槽。結果表明，入射能量水平，即激光功率與移動速度之比，對修復件的質量有很大影響。特別是，他們表明，入射能量值過低會導致孔隙；相反，由于熱應力，入射能量過大會導致裂紋。


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