先進(jìn)材料的激光定向能量沉積（1）

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本綜述重點(diǎn)介紹了通過(guò)微分方程的材料設(shè)計(jì)，包括對(duì)各種單片和多材料成分的調(diào)查。本文為第一部分。


定向能沉積（DED）已發(fā)展成為一個(gè)重要的增材制造（AM）分支。電火花放電已廣泛應(yīng)用于新型材料的設(shè)計(jì)和制造中。其中包括金屬、陶瓷和復(fù)合材料。成功的DED操作需要很好地理解許多關(guān)鍵現(xiàn)象，包括激光-材料相互作用、合金鑄造和凝固的基本原理、焊接冶金和連接界面，以及微觀結(jié)構(gòu)-機(jī)械性能關(guān)系。粉末流動(dòng)性、傳熱和各種機(jī)器相關(guān)參數(shù)也至關(guān)重要。近年來(lái)，已經(jīng)發(fā)表了幾篇關(guān)于通過(guò)粉末床熔合（PBF）和電沉積的金屬AM的綜述文章，重點(diǎn)是特定材料系統(tǒng)、映射AM的最新技術(shù)，或與沉積過(guò)程或材料特性相關(guān)的問(wèn)題。然而，最近沒(méi)有任何綜述致力于全面介紹材料系統(tǒng)、設(shè)計(jì)、制造、挑戰(zhàn)以及各種DED'ed材料族的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的關(guān)系。由于基于微分方程的方法在制造雙金屬和多材料結(jié)構(gòu)、修復(fù)高價(jià)值結(jié)構(gòu)和合金設(shè)計(jì)方面越來(lái)越流行，本綜述重點(diǎn)介紹了通過(guò)微分方程的材料設(shè)計(jì)，包括對(duì)各種單片和多材料成分的調(diào)查。最后，強(qiáng)調(diào)了這一領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

1、介紹

增材制造（AM）通常被稱(chēng)為三維（3D）打印，允許直接從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）文件快速按需制造近凈形狀部件，而無(wú)需任何零件專(zhuān)用工具。最近，它被確定為推動(dòng)第四次工業(yè)革命的十二種顛覆性技術(shù)之一。雖然AM最初是作為“觸感”零件的快速原型制作工具，但現(xiàn)在它已成為各行業(yè)的主流制造。AM機(jī)器通過(guò)“逐層”方法逐步沉積材料，從數(shù)字模型制作3D零件。AM技術(shù)的后續(xù)創(chuàng)新將印刷材料的種類(lèi)從聚合物擴(kuò)展到金屬、陶瓷、復(fù)合材料，甚至生物組織。先進(jìn)自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)在AM中的集成有助于減少制造差異，制造出高質(zhì)量和可重復(fù)性的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。AM的固有優(yōu)勢(shì)吸引了航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車(chē)和消費(fèi)品行業(yè)的注意。

三徑跡激光直接沉積Ti6Al4V的顯微硬度預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的比較：（a）上層測(cè)量和（b）下層測(cè)量。

自2010年起，美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）一直在批準(zhǔn)AM加工零件供人類(lèi)使用，2013年，美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）批準(zhǔn)了通用電氣公司制造的燃料噴嘴，這是用于關(guān)鍵噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的第一個(gè)金屬AM零件。2013年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在國(guó)際空間站（ISS）安裝了第一臺(tái)聚合物AM機(jī)器。這些事件增強(qiáng)了AM加工產(chǎn)品在各個(gè)工業(yè)部門(mén)的信心，并促進(jìn)了該領(lǐng)域的增長(zhǎng)。在過(guò)去15年中，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界與金屬AM相關(guān)的研發(fā)活動(dòng)的強(qiáng)度迅速增加，專(zhuān)利和科學(xué)出版物的年度數(shù)量顯著增長(zhǎng)就是證明（圖1）。

圖1金屬AM研究和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的趨勢(shì)。（a）出版物（注意y軸的對(duì)數(shù)比例），（b）已發(fā)布專(zhuān)利，以及（c）獨(dú)立服務(wù)提供商生產(chǎn)AM零件（以百萬(wàn)美元計(jì)）的年度數(shù)量（來(lái)源：Wohlers Report 2021）。

1994年，當(dāng)電光系統(tǒng)（EOS）在直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）機(jī)中打印金屬零件時(shí)，金屬AM得到了提升�；�于激光粉末的定向能量沉積（DED）技術(shù)是在美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的，被稱(chēng)為激光工程凈成形（LENS™)。多年來(lái)，由于核心技術(shù)的專(zhuān)利保護(hù)有限，其他公司也開(kāi)始在全球銷(xiāo)售基于激光粉末的電火花加工設(shè)備。采用DED技術(shù)的混合AM機(jī)器以及采用燈絲進(jìn)給的線材和電弧增材制造（WAAM，也稱(chēng)為DED電弧）機(jī)器也為這一細(xì)分市場(chǎng)增加了新的規(guī)模。

電火花加工通常使用粉末或金屬絲作為原料，激光/電子束/電弧作為能源。集中能源在特定點(diǎn)熔化進(jìn)料，并形成熔池，通常用惰性氣體保護(hù)。與任何其他AM工藝一樣，DED也使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型以逐層方式沉積原料（例如粉末或金屬絲）。最常用的金屬AM工藝是PBF和DED（分別圖2a和b）。雖然PBF通常具有更高的尺寸精度并產(chǎn)生具有較低表面粗糙度的零件，但與PBF相比，DED具有多個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（圖2c-f）：（1）DED能夠?qū)崿F(xiàn)更高的沉積速率（對(duì)于DED，高達(dá)2.5 kg/h，而對(duì)于PBF，高達(dá)0.25 kg/h）；（2）電沉積具有多材料沉積（例如原位合金化）和制造具有特定位置特性的功能梯度結(jié)構(gòu)的固有能力；（3） DED系統(tǒng)可適用于涂層/覆層的處理和受損零件的修復(fù)；（4） DED能夠處理大體積（>1000 mm3）零件；和（5）在DED系統(tǒng)中，5+軸允許層向任何方向沉積。

圖2金屬AM技術(shù)。（a）粉末床熔融（PBF）工藝示意圖。（b）定向能沉積（DED）工藝示意圖。（c） DED在熔覆和修復(fù)中的應(yīng)用。（d）修復(fù)DED制造的316L不銹鋼渦輪葉片。（e）一種功能梯度磁性非磁性雙金屬結(jié)構(gòu)，通過(guò)電火花加工制造。（f）一種通過(guò)基于自定義DED的工藝制造的大型航空航天組件。

在不同的金屬電火花加工工藝中，以激光束為能源的粉末原料是最常用的研究工藝。圖3顯示了用于粉末和線基進(jìn)料的基于激光的電火花放電的示意圖，最近對(duì)其特性進(jìn)行了比較。商用金屬線比金屬粉末便宜。金屬絲也比粉末更安全，更容易儲(chǔ)存。然而，需要增加激光功率來(lái)熔化金屬絲，從而導(dǎo)致送絲激光DED系統(tǒng)的價(jià)格更高。

圖3.DED過(guò)程示意圖。（a）帶有同軸顆粒注射裝置的粉末供給系統(tǒng)。（b）送絲系統(tǒng)。

雖然DED的核心原則類(lèi)似于焊接，但它提出了各種獨(dú)特的技術(shù)和科學(xué)挑戰(zhàn)。因此，基于焊接冶金建立的知識(shí)有助于改善具有受控微觀結(jié)構(gòu)和過(guò)程重復(fù)性的電火花放電加工。將不同的焊接方法與AM相結(jié)合，拓寬了AM技術(shù)在大規(guī)模制造中的潛力�；�于焊接的AM工藝，如金屬絲激光金屬沉積（LMD-W）、電子束AM（EBAM）和WAAM，能夠以較低的生產(chǎn)成本沉積大型部件。

具體而言，WAAM工藝因其高沉積速率和生產(chǎn)大型結(jié)構(gòu)的靈活性，在航空航天行業(yè)制造高強(qiáng)度鋁結(jié)構(gòu)方面吸引了更多的興趣。高達(dá)10 5K/s的高冷卻速率，再加上對(duì)材料進(jìn)行獨(dú)特?zé)嵫�環(huán)的分層沉積，可導(dǎo)致復(fù)雜的相變和有害殘余應(yīng)力的形成。沉積態(tài)材料的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)由電火花沉積過(guò)程中的熱歷史控制。這些可能會(huì)影響沉積零件的機(jī)械和物理性能。報(bào)告了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、過(guò)程優(yōu)化和反饋控制，以最大限度地減少與DED過(guò)程相關(guān)的缺陷，提高零件質(zhì)量。

（a） Inconel 625增材制造墻體的有限元網(wǎng)格示意圖。（b）沿鉻鎳鐵合金625壁長(zhǎng)度方向的二維殘余應(yīng)力等值線（單位：MPa），層間停留時(shí)間為0 s。（c）沿鉻鎳鐵合金625壁長(zhǎng)度方向的二維殘余應(yīng)力等值線（單位：MPa），層間停留時(shí)間為40秒。

上圖顯示了用于分析的有限元網(wǎng)格。該網(wǎng)格由52472個(gè)六角形8單元和62231個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。沉積區(qū)的網(wǎng)格密度為每個(gè)熱源半徑2個(gè)元素。進(jìn)行了三步網(wǎng)格收斂研究，以確認(rèn)網(wǎng)格足夠精細(xì)。使用有限元求解器項(xiàng)目Pan進(jìn)行熱機(jī)械分析。

近年來(lái)，通過(guò)PBF和DED發(fā)表了幾篇關(guān)于金屬AM的綜述文章。然而，最近似乎沒(méi)有對(duì)材料系統(tǒng)、材料設(shè)計(jì)、制造、挑戰(zhàn)以及各種材料族的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的關(guān)系進(jìn)行全面綜述。因此，本綜述的目的是全面分析通過(guò)電沉積沉積的材料，包括單片、雙金屬和多材料系統(tǒng)。這些材料包括鈦合金、鋼、鋁合金、鎳合金、鈷合金、金屬間化合物、形狀記憶合金（SMA）、高熵合金（HEA）、陶瓷、復(fù)合材料、功能梯度材料和多層材料。重點(diǎn)放在DED工藝參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)和印刷元件的機(jī)械性能之間的關(guān)系。還討論了合金設(shè)計(jì)、自由結(jié)構(gòu)沉積、材料包覆和電火花修復(fù)。最后，強(qiáng)調(diào)了這一領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

2.DED沉積的材料系統(tǒng)、其微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能

為AM開(kāi)發(fā)功能和結(jié)構(gòu)材料的興趣正在迅速增長(zhǎng)。包括汽車(chē)、航空航天、軍事和生物醫(yī)學(xué)在內(nèi)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的這種興趣導(dǎo)致了對(duì)AM各種材料的研究的重大投資。本節(jié)回顧了最近報(bào)告通過(guò)DED技術(shù)處理的材料。討論了加工參數(shù)對(duì)加工材料微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響，強(qiáng)調(diào)了當(dāng)前設(shè)計(jì)工業(yè)可靠工程部件的科學(xué)和技術(shù)差距。迄今為止，各種材料已通過(guò)DED技術(shù)進(jìn)行處理，取得了不同程度的成功。該材料清單可分為兩大類(lèi)：（1）常用的AM材料，如鈦基合金、合金鋼、不銹鋼、工具鋼、鎳基合金和鋁基合金；（2）新型AM材料，如鈷基合金、金屬間化合物、SMA、HEA、陶瓷、復(fù)合材料和功能梯度材料。

定向能沉積Ti6Al4V的單軌珠說(shuō)明了決定β晶粒柱狀生長(zhǎng)模式的熱行為。

2.1合金鋼

合金鋼含有1.0至50 wt%的合金元素，廣泛用作汽車(chē)、船舶、石油和化學(xué)工業(yè)的結(jié)構(gòu)材料。它們具有高強(qiáng)度和良好的延展性，以及優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性。合金鋼可以通過(guò)各種成形和連接操作形成。在低氧環(huán)境中制造可以提高合金鋼零件的機(jī)械性能自然，合金鋼的AM正在不同行業(yè)中實(shí)踐，是一個(gè)快速增長(zhǎng)的研究領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)碳鋼相比，添加合金元素提高了機(jī)械性能和耐腐蝕性。迄今為止，各種低合金鋼已成功地由DED加工。Guan等人研究了能量密度對(duì)DED'ed 12CrNi2Y鋼最終微觀結(jié)構(gòu)、鍍層密度和機(jī)械性能的影響（圖4a）。在所使用的能量密度集內(nèi)，相對(duì)密度的局部最大值達(dá)到98.95%。電火花加工零件從能量密度較低的多邊形鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰棵芏容^高的粒狀貝氏體。能量密度在閾值處的增加導(dǎo)致冷卻速度降低和晶粒粗化（圖4a）。Fang等人研究了滲碳FeCrNiMnMoNbSi鋼的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)和腐蝕性能。結(jié)果表明，微觀結(jié)構(gòu)由均勻分布的元素組成，具有納米級(jí)馬氏體相板條間距和少量納米多晶沉淀物（圖4b）。關(guān)于屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，沉積態(tài)材料符合鍛造沉淀硬化（PH）不銹鋼基材的標(biāo)準(zhǔn)（圖4b）。與FV520B不銹鋼相比，添加Cr提高了沉積合金的耐蝕性。

圖4 （a）施加的激光能量密度對(duì)DED-LB 12CrNi2Y合金鋼的微觀結(jié)構(gòu)、相對(duì)密度和機(jī)械性能的影響。（b）用于維修的沉積態(tài)FeCrNiMnMoNbSi鋼的沉淀演變和力學(xué)性能。（c） 300M合金鋼基體上AerMet100鋼覆層在不同區(qū)域的宏觀組織和相變，以及形成的熱影響區(qū)，與沉積過(guò)程中的熱歷史相對(duì)應(yīng)。（d） 24CrNiMo鋼在DED-LB過(guò)程中的組織演變和冷卻速度分析。

Liu等研究了超高強(qiáng)度300M鋼的電火花放電。超高強(qiáng)度鋼通常定義為屈服強(qiáng)度高于1380 MPa（200 ksi）的鋼。與AISI 4340鋼相比，300M鋼中的高硅含量提供了更高的淬透性深度、更高的固溶體硬化和更高的高溫軟化抗力。沉積態(tài)鋼的微觀結(jié)構(gòu)由回火馬氏體、殘余奧氏體和精細(xì)分散的碳化物組成。還報(bào)告了熱影響區(qū)（HAZ）的微觀結(jié)構(gòu)演變及其對(duì)與DED工藝相關(guān)的熱循環(huán)的依賴(lài)性，見(jiàn)圖4c。還利用電火花沉積技術(shù)沉積24CrNiMo鋼。采用實(shí)驗(yàn)觀察和模擬來(lái)研究與模擬冷卻速率和熔池區(qū)域溫度分布相對(duì)應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機(jī)制（圖4d）。晶粒形貌分析顯示，沿沉積物表面有一種強(qiáng)烈的<100>紋理的柱狀晶粒，并且在沉積物的大部分中具有隨機(jī)的晶體取向。表面和大塊微觀結(jié)構(gòu)之間的這種差異歸因于電火花加工過(guò)程中固有的熱循環(huán)，從而導(dǎo)致回火效應(yīng)。

2.2.工具鋼

據(jù)報(bào)道，與DED-LB工藝相關(guān)的固有快速凝固過(guò)程和高熱梯度會(huì)影響沉積材料的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，尤其是在鍛造工具鋼的情況下。Park等人研究了激光能量密度對(duì)沉積態(tài)AISI H13和D2工具鋼性能的影響。兩種鋼的平均顯微硬度均隨能量密度的增加而降低。這種現(xiàn)象可以通過(guò)二次枝晶臂間距的明顯增加和CO形成導(dǎo)致的碳含量降低來(lái)解釋。Baek等人報(bào)告了AISI H13和M2合金的DED-LB加工。觀察到具有細(xì)胞狀樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)，提高了顯微硬度。M2沉積樣品的磨損性能優(yōu)于含富鉻碳化物的商業(yè)熱處理D2鋼。這可以解釋為沉積態(tài)M2合金中碳化物含量高。Rahman等人研究了兩種新型DED-LB高碳高速鋼（HC HSS）的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能——Febal-C-Cr-Mo-V和Febal−x-C-Cr-Mo-V-Wx。這兩種鋼的微觀結(jié)構(gòu)均由含有殘余奧氏體的馬氏體基體和一次、二次和共晶金屬碳化物的枝晶間網(wǎng)絡(luò)組成（圖5a）。在含W合金的鋼中觀察到表面形成氧化層和更高的碳化物密度，這導(dǎo)致耐磨性增強(qiáng)（圖5a）。回火處理后的拉伸試驗(yàn)表明，斷裂表面具有脆性。

圖5 （a）DED-LB Febal-C-Cr-Mo-V（左上）和Febal−x-C-Cr-Mo-V-Wx（右上角）以及添加W對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和耐磨性的影響。（b）沉積方法對(duì)DED-LB H13工具鋼熱歷史和力學(xué)性能的影響，以及沿構(gòu)建方向的非均勻微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。（c）沉積態(tài)M4和高耐磨鋼（HWS）的磨痕形態(tài)和特征。

Baek等研究了基板預(yù)熱對(duì)AISI M4工具鋼微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，通過(guò)提高基板預(yù)熱溫度，冷卻速度降低，導(dǎo)致殘余應(yīng)力降低，硬度增加，但抗拉強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度降低。Zhao等人研究了沉積方法對(duì)H13工具鋼微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，由此產(chǎn)生的熱循環(huán)直接受到沉積方法的影響。在連續(xù)沉積層之間增加時(shí)間間隔以及施加的激光功率的變化或兩者的組合導(dǎo)致不同的熱歷史，這導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能隨沉積高度而變化（圖5b）。圖5c顯示了沉積態(tài)M4和HWS鋼上磨痕的磨損分析結(jié)果以及熱處理前后的磨損特性。綜上所述，可以清楚地看出，DED-LB是制造工具鋼的可行選擇；然而，加工參數(shù)顯著影響部件的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。此外，強(qiáng)烈建議進(jìn)行后處理熱處理，以盡量減少殘余應(yīng)力。

2.3不銹鋼

不銹鋼是鐵基合金，通常含有至少10.5 wt%的Cr，以形成具有優(yōu)異耐腐蝕性的鈍化表面層。此類(lèi)合金廣泛用于需要耐腐蝕性、強(qiáng)度和延展性組合的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，不銹鋼的AM加工因其高Cr含量而具有挑戰(zhàn)性。在激光沉積過(guò)程中，鉻的高氧親和力導(dǎo)致顯著氧化。多項(xiàng)研究表明，在DED過(guò)程中，加工參數(shù)對(duì)不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)演變有很大影響。與非均勻重復(fù)逐層沉積過(guò)程相關(guān)的高熱梯度、動(dòng)態(tài)熔體池流動(dòng)和快速凝固導(dǎo)致了獨(dú)特的分層和非均勻微觀結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)的特征是通過(guò)先前沉積層邊界以不同方向外延生長(zhǎng)柱狀晶粒（圖6a）。結(jié)果表明，隨著建造高度的增加，熱梯度和冷卻速率降低。這導(dǎo)致晶粒結(jié)構(gòu)粗化。

圖6 （a）316L不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)演變和熔池幾何特征以及對(duì)DED-LB中施加的激光能量的依賴(lài)性。（b）使用316L的DED-LB用于維修應(yīng)用。獲得的晶粒尺寸和構(gòu)建高度與發(fā)展的單軸應(yīng)變之間具有良好的擬合。（c）在通過(guò)電火花沉積的304L中，水平和垂直構(gòu)建方向的Nf循環(huán)后的晶粒形態(tài)和取向以及相應(yīng)的裂紋擴(kuò)展機(jī)制。（d）研究了沉積方式對(duì)冷卻速率、垂直堆積高度和PACS的影響，以及氧含量對(duì)DED-LB 316L不銹鋼拉伸性能的影響。

Yang等人測(cè)量了沉積態(tài)316L奧氏體不銹鋼的顯微硬度（不銹鋼中的“L”表示低碳，即低于0.03 wt%，以防止敏化并提高耐腐蝕性）與鍛造對(duì)應(yīng)物相比，顯微硬度增加約35%。與鍛鋼相比，這種增加與DED-LB鋼的精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。然而，據(jù)報(bào)道，測(cè)得的顯微硬度變化很大。這些變化與沉積鋼的非均勻微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括層間沉積細(xì)胞、夾雜物孔和熱影響區(qū)，所有這些都具有不同的顯微硬度值。人們廣泛研究了電火花放電不銹鋼的拉伸性能。結(jié)果表明，沉積方向?qū)�拉伸性能有很大影響�?br />
具有不同取向的樣品拉伸性能的變化與沉積過(guò)程中熱歷史的變化有關(guān)，因?yàn)槔鋮s速率受到熱梯度的高度影響，因此受到沉積高度的影響。結(jié)果表明，熱等靜壓（HIP）由于減少了孔隙率和殘余應(yīng)力而提高了拉伸性能。Balit等人研究了用于修復(fù)應(yīng)用的沉積態(tài)薄壁DED-LB 316L的微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能。使用原位數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）結(jié)合電子背散射衍射（EBSD）分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)量晶粒尺寸與分析的平均軸向應(yīng)變之間存在良好的相關(guān)性，見(jiàn)圖6b。Gordon等人研究了在高周疲勞（HCF）加載狀態(tài)下，通過(guò)氣體保護(hù)金屬極電弧焊（DED電�。┲圃斓某练e態(tài)304L不銹鋼的疲勞性能。結(jié)果表明，疲勞壽命在很大程度上取決于沉積態(tài)鋼的固有各向異性、優(yōu)先晶粒生長(zhǎng)方向和孔隙度。研究表明，其疲勞性能類(lèi)似或優(yōu)于鍛造304L不銹鋼。這與由DED-LB制造的不銹鋼疲勞性能的其他研究非常一致。

樣品S1斷裂表面和疲勞損傷孕育點(diǎn)的SEM顯微照片，表面上有未熔化的顆粒。疲勞裂紋起源于大孔隙附近的脫粘未熔顆粒。

研究了沉積態(tài)不銹鋼在水平和垂直方向上的損傷容限和裂紋擴(kuò)展機(jī)制。在垂直試樣中，裂紋擴(kuò)展路徑為穿晶。在具有水平取向的樣品中，裂紋分支和沿晶界擴(kuò)展很明顯（圖6c）。Smith等人報(bào)告，沉積態(tài)304L不銹鋼的疲勞性能在很大程度上取決于沉積態(tài)鋼中的缺陷。結(jié)果表明，當(dāng)缺陷數(shù)量最小化時(shí)，可以獲得優(yōu)異的疲勞性能。疲勞裂紋的起源以不規(guī)則形狀未熔合（LoF）缺陷的區(qū)域?yàn)樘卣鳎�缺陷中含有部分被測(cè)量的粉末顆粒。圖6d說(shuō)明了氧含量對(duì)沉積態(tài)316L伸長(zhǎng)率的影響。很明顯，沉積圖案（連續(xù)層之間為67°或90°）直接影響產(chǎn)生的熱歷史和與基板的距離，進(jìn)而導(dǎo)致主蜂窩臂間距（PCA）的變化。

沉淀硬化（PH）鋼是低碳含量（低于0.1 wt%）的Fe–Cr–Ni合金，包含沉淀形成元素，如銅、鋁、鈦、鈮和鉭。在退火條件下，它們可以是奧氏體或馬氏體。PH鋼零件需要一組獨(dú)特的性能。其中，這些屬性包括高強(qiáng)度、高耐腐蝕性、抗氧化性以及優(yōu)異的耐熱性和耐火性。PH鋼零件在各種應(yīng)用中用作結(jié)構(gòu)材料，包括海洋結(jié)構(gòu)、飛機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)、油箱、液壓系統(tǒng)、緊固件和核電站。在沉積過(guò)程中利用超聲波振動(dòng)提高了沉積零件的硬度和拉伸性能。這歸因于超聲波振動(dòng)在提高粉末收集效率、降低表面粗糙度、增加熔池尺寸、孔隙度、減少微裂紋和細(xì)化晶粒尺寸方面的作用。