激光粉末定向能量沉積的研究現(xiàn)狀及工業(yè)應(yīng)用（1）

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文綜述了激光粉末定向能量沉積（LP-DED）的工業(yè)應(yīng)用。本文為第一部分。


由于在形狀設(shè)計(jì)、零件功能和材料效率方面的可能性，增材制造（AM）技術(shù)被公認(rèn)為制造業(yè)的未來(lái)。由于對(duì)AM工藝和最終零件特性的了解不斷增加，AM技術(shù)在許多工業(yè)部門的使用也在增長(zhǎng)。定向能沉積（DED）技術(shù)是最有前途的AM技術(shù)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(shù)的潛力在于處理大型構(gòu)建量的能力（> 尺寸為1000 mm），能夠?qū)⒉牧现苯虞斔偷饺鄢刂校�修�?fù)現(xiàn)有零件的可能性，以及在建造過(guò)程中更換材料的機(jī)會(huì)，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(yīng)用。在維修、設(shè)計(jì)材料和生產(chǎn)中確定了三種主要應(yīng)用。盡管LP-DED具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但從文獻(xiàn)中可以看出，最相關(guān)的應(yīng)用是指高價(jià)值部件的維修過(guò)程。

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

產(chǎn)品屬性地址模型中沒(méi)有/有AM進(jìn)入者的生產(chǎn)成本，市場(chǎng)價(jià)格和利潤(rùn)。

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(rèn)為在工業(yè)生產(chǎn)中還為時(shí)過(guò)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(chǎng)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(shù)，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(chǎng)上的分布。

然而，應(yīng)注意的是，工業(yè)界對(duì)DED工藝的興趣正呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，因此，強(qiáng)調(diào)目前取得的主要工業(yè)成就并確定該技術(shù)的未來(lái)趨勢(shì)非常重要。

關(guān)于DED工藝，可以對(duì)工藝物理、維修操作、監(jiān)控技術(shù)以及由DED加工的合金進(jìn)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(shuō)明DED技術(shù)的技術(shù)成熟度水平以及在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用DED的可行性。因此，描述了當(dāng)前成功的工業(yè)案例，其中應(yīng)用了DED工藝。該審查可以指導(dǎo)研究人員和制造商采取下一步行動(dòng)，使該技術(shù)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(gè)基本元件組成：激光器、電機(jī)、進(jìn)料機(jī)構(gòu)，依次由粉末給料機(jī)、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(tái)上產(chǎn)生熔池。然后，噴嘴或沉積頭通過(guò)載氣將粉末材料送入生成的熔池。當(dāng)粉末材料進(jìn)入熔池時(shí)，它會(huì)立即熔化，從而增加液體材料的體積。當(dāng)激光離開(kāi)時(shí)，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(hù)氣體防止氧化

基于LP-DED過(guò)程的物理特性，開(kāi)發(fā)了幾種技術(shù)。最常用的LP-DED技術(shù)是洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的直射光制造（DLF）工藝、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的激光工程凈成形（LENS®）工藝和直接金屬沉積（DMD™) POM集團(tuán)開(kāi)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(yùn)動(dòng)控制。結(jié)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(fù)雜部件的生產(chǎn)技術(shù)。

維修和保養(yǎng)
部件的損壞可能由腐蝕、熱應(yīng)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(fù)它們更方便。當(dāng)維修后的部件具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值時(shí)，就是這種情況。這一高價(jià)值來(lái)源于生產(chǎn)組件所需的復(fù)雜操作和使用的寶貴材料。因此，修復(fù)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(fù)受損部件的技術(shù)。盡管TIG工藝的適用性相對(duì)簡(jiǎn)單，但它會(huì)在修復(fù)部件中產(chǎn)生大量熱量，從而導(dǎo)致高殘余應(yīng)力和變形。另一方面，等離子轉(zhuǎn)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(shè)備更加復(fù)雜和昂貴。

迄今為止，在其他技術(shù)中，LP-DED工藝是修復(fù)受損部件最常用的工藝之一，因?yàn)榕c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(fù)零件的機(jī)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(guò)三維數(shù)字化獲取受損零件的幾何圖
• 比較標(biāo)稱幾何結(jié)構(gòu)和實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)，突出受損區(qū)域
• 修復(fù)區(qū)域評(píng)估和表面處理
• 材料表征，優(yōu)化工藝參數(shù)
• 通過(guò)CAM軟件定義刀軌
• 受影響區(qū)域修復(fù)
• 加工修復(fù)區(qū)域
• 修復(fù)零件的三維數(shù)字化
• 將修復(fù)后的幾何圖形與原始CAD模型進(jìn)行比較，以驗(yàn)證修復(fù)效果
  

航空航天領(lǐng)域的LP-DED維修
航空航天部門的特點(diǎn)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(fù)雜，這些部件非常昂貴。通過(guò)維修受損部件而不是更換部件來(lái)大幅降低成本的可能性是該領(lǐng)域維修應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)力。LP-DED工藝由于其高精度和修復(fù)部件中產(chǎn)生的最小變形，允許在尺寸偏差和冶金結(jié)合方面獲得可接受的結(jié)果，因此是航空航天領(lǐng)域的最佳修復(fù)工藝。

此外，如Wilson等人在受損渦輪葉片的維修過(guò)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(fèi)，從而帶來(lái)環(huán)境效益（圖3）。工作中，Optomec LENS 750機(jī)器用于修復(fù)尖端部分受損的316L不銹鋼刀片。修復(fù)后的葉片顯示出良好的結(jié)果，相對(duì)于標(biāo)稱幾何形狀，精度約為0.03 mm。此外，生命周期評(píng)估（LCA）顯示了在維修作業(yè)中使用LP-DED過(guò)程的有效性。具體而言，當(dāng)維修量約為10%時(shí)，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(fù)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(lǐng)域，眾所周知，零件的質(zhì)量是優(yōu)先考慮的；因此，進(jìn)行了數(shù)十項(xiàng)可行性研究并加以應(yīng)用。因此，學(xué)術(shù)和工業(yè)層面的不同研究人員通過(guò)測(cè)試工業(yè)利益的案例研究，研究了LP-DED工藝修復(fù)應(yīng)用的可行性。例如，Optomec使用LP-DED工藝修復(fù)AM355鋼T700整體葉盤，該整體葉盤因翼型前緣的侵蝕效應(yīng)而受損（圖4）。通過(guò)50000次低周疲勞旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)和60000 rpm旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)對(duì)維修進(jìn)行了機(jī)械驗(yàn)證。

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

Gasser等人闡述了歐洲主要項(xiàng)目之一FANTASIA在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用維修和維護(hù)中使用LP-DED工藝方面取得的主要結(jié)果。本項(xiàng)目面臨的主要方面是沉積期間的精度。除精度外，結(jié)果表明，由于獲得的顯微結(jié)構(gòu)，沉積材料具有足夠的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。


圖5a描述了Rene N5 CFM56的受損HPT護(hù)罩。修復(fù)過(guò)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(fù)后的表面，首先對(duì)受損部件進(jìn)行掃描，然后利用數(shù)據(jù)生成沉積路徑。圖5b所示的結(jié)果表明，LP-DED可用于修復(fù)HPT護(hù)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(hù)罩a和b。

Rolls-Royce Deutschland還認(rèn)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(gè)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(yùn)行過(guò)程中，該部件的一些特性，如凸臺(tái)、法蘭和托架受到磨損。應(yīng)用LP-DED技術(shù)成功地修復(fù)了鎳基合金Nimonic PE16的磨損法蘭。在此過(guò)程中，利用保護(hù)氣體避免了氧化現(xiàn)象。

△圖 6激光金屬沉積工藝修復(fù)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(yīng)用中，通過(guò)局部修復(fù)槽壁來(lái)修復(fù)部件。該應(yīng)用程序有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。首先，磨損前的墻壁不得受到該過(guò)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(wèn)題；然而，必須通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)提高修復(fù)零件的質(zhì)量。例如，Liu等人開(kāi)展了一項(xiàng)初步工作，以調(diào)查L(zhǎng)P-DED工藝修復(fù)鋁合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)的能力。結(jié)果表明，通過(guò)合理的工藝參數(shù)組合，可以獲得良好的無(wú)裂紋冶金結(jié)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(qiáng)度和疲勞壽命都較低。

△圖7采用LP-DED工藝對(duì)Ti6Al4V槽壁進(jìn)行修復(fù)，并對(duì)修復(fù)后的槽壁進(jìn)行截面分析。

除了工藝參數(shù)外，沉積策略也是影響零件質(zhì)量的另一個(gè)因素。Petrat等人優(yōu)化了沉積策略，以便在鉻鎳鐵合金718燃?xì)廨啓C(jī)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(fù)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(shí)間對(duì)修復(fù)零件質(zhì)量的影響。結(jié)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(diǎn)是相對(duì)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(fù)了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的鈦葉片（圖8a）。為了減少氧化，維修過(guò)程在封閉的惰性氣體室中進(jìn)行。維修操作的結(jié)果如圖8b所示。通過(guò)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(xì)晶的微觀結(jié)構(gòu)。在拉伸和疲勞強(qiáng)度方面，機(jī)械性能至少與基材相當(dāng)。

△圖8鈦合金葉片的a修復(fù)操作和b修復(fù)葉片的微觀結(jié)構(gòu)。

工具和模具的LP-DED維修
在模具和模具的使用過(guò)程中，可能會(huì)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(guò)程中最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一與生產(chǎn)常用材料的低焊接性有關(guān)。此外，由于碳含量和合金元素較高，很容易形成脆性相。通過(guò)研究工藝參數(shù)和表面預(yù)熱的影響，使裂紋最小化。

Ren等人為了提高修復(fù)操作的準(zhǔn)確性和可靠性，將自適應(yīng)鋸齒形刀軌模式與3D對(duì)準(zhǔn)技術(shù)結(jié)合使用。建議的維修策略在Spartan Light Metal LLC的模具維修中進(jìn)行了測(cè)試。圖9顯示了損壞的模具芯（左）、沉積過(guò)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(shù)修復(fù)的部件相比，LP-DED生產(chǎn)的部件具有較高的導(dǎo)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(fù)作業(yè)的可行性外，許多工作都集中于修復(fù)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(guò)不同的因素進(jìn)行衡量，如能源消耗、污染、材料浪費(fèi)、交付周期和成本。這些因素的影響通常通過(guò)生命周期分析（LCA）進(jìn)行調(diào)查。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，修復(fù)它們的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)得到了廣泛證明。此外，InssTek股份有限公司維修了一個(gè)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(fù)的熱鍛模。

Bennett等人修復(fù)了一個(gè)汽車鋼模具，如圖11a所示，并表明修復(fù)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(fù)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(píng)價(jià)結(jié)果表明，LP-DED修復(fù)工藝與傳統(tǒng)修復(fù)工藝相比，對(duì)環(huán)境的影響較小。

△圖11 a損壞b修復(fù)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(lái)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(fù)這些部件可能會(huì)延長(zhǎng)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(fù)。在此范圍內(nèi)，進(jìn)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(fù)灰鑄鐵柴油發(fā)動(dòng)機(jī)部件。圖12描述了修復(fù)過(guò)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(yù)熱和后熱階段來(lái)控制加熱和冷卻速度。據(jù)觀察，修復(fù)過(guò)程對(duì)伸長(zhǎng)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(jī)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(huì)受到腐蝕、侵蝕和氧化，從而降低運(yùn)營(yíng)成本。這些部件通常使用MIG和埋弧等焊接技術(shù)進(jìn)行維修。然而，這些技術(shù)導(dǎo)致變形、較大的熱影響區(qū)和較差的重復(fù)性。另一方面，Kampanis和Hauer使用LP-DED工藝修復(fù)了長(zhǎng)11.2 m、直徑650 mm的傳動(dòng)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(shí)，由于殘余應(yīng)力較低，未觀察到裂紋。此外，修復(fù)零件的變形非常有限。此外，海洋部門的組件通常具有超過(guò)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(yùn)輸?shù)杰囬g或?qū)嶒?yàn)室，而且這項(xiàng)活動(dòng)既耗時(shí)又昂貴。因此，在不將這些部件從殼體結(jié)構(gòu)中移除的情況下，就地維修這些部件非常重要。KIMI成功修復(fù)了船用活塞（圖13），證明了LP-DED工藝的經(jīng)濟(jì)效益。此外，他們還證明，修復(fù)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(zhǎng)了活塞的使用壽命。

△圖13使用LP-DED工藝維修手動(dòng)黑白活塞。

Koehler等人對(duì)船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)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(jié)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(méi)有改變或損壞。

△圖14采用LP-DED工藝修復(fù)曲軸。

LP-DED維修工藝成功應(yīng)用的另一個(gè)重要部門是鐵路運(yùn)輸部門。事實(shí)上，在其他現(xiàn)象中，鋼軌因滾動(dòng)接觸疲勞（RCF）引起的磨損機(jī)制而持續(xù)受損。

眾所周知，修復(fù)內(nèi)部缺陷（如裂紋）比修復(fù)外表面的過(guò)程更困難。Nowotny等人證明了LP-DED工藝在修復(fù)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(fù)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(duì)沉積過(guò)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(jié)果表明，方形槽的垂直壁是一個(gè)問(wèn)題；事實(shí)上，他們屏蔽了粉末流和激光束，因此測(cè)量到了更高的孔隙度值。后來(lái)，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(duì)熱影響區(qū)和微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，如果凹槽足夠大，可以獲得無(wú)氣孔的修復(fù)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(cè)壁融合，如圖15所示。

△圖15修復(fù)操作導(dǎo)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(fù)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(guò)拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)量和觀察斷口來(lái)分析機(jī)械性能。結(jié)果表明，LP-DED工藝可用于L-PBF部件的修復(fù)。然而，對(duì)于較大的槽深，由于熱殘余應(yīng)力，會(huì)出現(xiàn)裂紋。修復(fù)后試樣的伸長(zhǎng)率和強(qiáng)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(fù)316L不銹鋼上的T形槽。結(jié)果表明，入射能量水平，即激光功率與移動(dòng)速度之比，對(duì)修復(fù)件的質(zhì)量有很大影響。特別是，他們表明，入射能量值過(guò)低會(huì)導(dǎo)致孔隙；相反，由于熱應(yīng)力，入射能量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致裂紋。


來(lái)源：Current research and industrial application of laser powder directed energy deposition, Manufacturing Technology, 10.1007/s00170-021-08596-w

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