先進(jìn)材料的激光定向能量沉積（3）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本綜述重點(diǎn)介紹了通過微分方程的材料設(shè)計(jì)，包括對各種單片和多材料成分的調(diào)查。本文為第三部分。


2.10.高熵合金（HEAs）
HEAs代表了在過去十年中引入的相對新穎的合金設(shè)計(jì)概念。這種設(shè)計(jì)概念涉及幾種合金元素，通常為五種或更多，具有等摩爾或近等摩爾比。與基于一種或兩種主要合金元素的混合物和少量添加特定元素以增強(qiáng)某些性能的傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)概念相比，它導(dǎo)致合金設(shè)計(jì)組合的范圍顯著擴(kuò)大。多組分合金設(shè)計(jì)的結(jié)果是，HEAs具有高強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性、優(yōu)異的耐磨性、良好的耐腐蝕性和高耐熱性等特性的獨(dú)特組合。

DED的固有優(yōu)勢與HEA的優(yōu)越性能的結(jié)合吸引了各行業(yè)越來越多的興趣。在已研究的HEAs中，等原子CrMnFeCoNi合金因其優(yōu)異的延展性和高斷裂韌性而引起了特別的關(guān)注，尤其是在低溫環(huán)境下。Guan等研究了DED-LB CrMnFeCoNi的微觀組織和拉伸性能。沉積態(tài)HEA的顯微組織為柱狀外延生長，由平均尺寸為13 μm的FCC相固溶顆粒組成，沿最大熱流密度方向生長。測定了樣品的殘余應(yīng)力約為182 MPa。這些高殘余應(yīng)力與沉積態(tài)HEA中的高位錯密度有關(guān)。圖11b顯示了隨拉伸應(yīng)變增加的非均勻應(yīng)變分布，應(yīng)變集中主要出現(xiàn)在滑移帶區(qū)域以及不同晶粒取向滑移帶之間。結(jié)果表明，在最大應(yīng)變集中區(qū)域形成了穿晶裂紋和沿晶裂紋。

圖11（a）加工態(tài)CrMnFeCoNi HEA的微觀結(jié)構(gòu)，顯示了外延晶粒生長的逐層形貌。（b）高分辨率DIC結(jié)合背散射電子（BSE）和EBSD分析在離散應(yīng)變增加（3.5%、7.5%和35%）下的DED-LB FeCoCrNiMn HEA。（c）在600°c時(shí)效168小時(shí)后，DED-LB AlCoCrFeNi HEA的微觀結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的APT圖像顯示鋁、鎳和鉻的不均勻散射和嚴(yán)重偏析。（d）透射電子顯微鏡（TEM）圖像和相應(yīng)的示意圖顯示了激光沖擊處理對沉積態(tài)CrMnFeCoNi HEA沿z方向微觀結(jié)構(gòu)的影響。（e）不同鋁濃度（0、6.5、13.7和16.7at%）的DED-LB（AlxCoCrFe）50Ni HEA的微觀結(jié)構(gòu)。

在最近的一項(xiàng)研究中，利用激光沖擊噴丸后處理來提高DED-LB CrMnFeCoNi合金的拉伸性能。由于沖擊噴丸周期的增加，表面粗糙度增加。有趣的是，沖擊噴丸處理在沉積材料的表面上產(chǎn)生了足夠的塑性變形，以有效地封閉靠近表面的孔隙，見圖11d。對具有不同鋁濃度（0–16.7at%）的（AlxCoCrFe）50Ni HEA進(jìn)行DED-LB，以研究鋁濃度對處理后合金微觀結(jié)構(gòu)和顯微硬度的影響。Al濃度的增加導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)從FCC單相胞狀枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝罟簿�，在由FCC和BCC穩(wěn)定相的混合物組成的基質(zhì)中有L12納米沉淀（圖11e）。由于Al濃度的增加而觀察到的納米沉淀強(qiáng)化效應(yīng)顯著提高了沉積態(tài)（AlxCoCrFe）50Ni HEA的顯微硬度，從132 VHN增加到342 VHN。

2.11.陶瓷

陶瓷通常具有優(yōu)異的耐腐蝕性和抗氧化性、高熔點(diǎn)和抗蠕變性、高剛性、低擴(kuò)散性、高電阻、低CTE、高壓縮強(qiáng)度、優(yōu)異的比強(qiáng)度、優(yōu)異硬度和耐磨性。因此，在各種應(yīng)用中，如建筑、石化、航空航天和醫(yī)療器械對它們的需求量很大。然而，它們的延展性差、抗沖擊性低、斷裂韌性低、抗拉強(qiáng)度有限、應(yīng)變硬化不足、機(jī)械性能在統(tǒng)計(jì)上分布廣泛，且可制造性有限（鑄造性差、可加工性差、塑性成形性差、不可焊性差、緊固件難以連接）。因此，復(fù)雜陶瓷零件的直接制造及其加工具有高度挑戰(zhàn)性，且通常成本高昂。

LENS系統(tǒng)。

適用于加工和制造陶瓷零件的AM技術(shù)的引入為使用傳統(tǒng)制造工藝制造陶瓷零件開辟了一條道路。然而，大多數(shù)此類AM技術(shù)是間接AM工藝，使用粘合劑材料或增塑劑形成生件，然后是燒結(jié)工藝，用于去除粘合劑和最終零件致密化。由于殘留的粘合劑材料，這些通常會導(dǎo)致高孔隙率零件、高裂紋密度和大量有機(jī)或無機(jī)雜質(zhì)。相反，直接AM技術(shù)，如DED和SLM，在高純度和功能特性方面顯示出有希望的結(jié)果。

對Al2O3-ZrO2共晶陶瓷薄壁試樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

一般來說，陶瓷材料由于缺乏延展性而極易開裂。因此，基于激光的沉積工藝的固有特性，如高冷卻速率、高熱梯度和高熱應(yīng)力，使得陶瓷材料的沉積具有高度挑戰(zhàn)性。Niu等人對DED-LB Al2O3進(jìn)行了工藝優(yōu)化研究，以有效抑制裂紋。結(jié)果表明，兩個相鄰層之間的溫度梯度對DED后的裂紋形成具有最不利的影響。研究還表明，通過提高激光掃描速度，合成的熱應(yīng)力降低，而斷裂強(qiáng)度增加，從而導(dǎo)致無裂紋沉積。

Al2O3–ZrO2共晶陶瓷是一種額外的陶瓷材料，近年來吸引了越來越多的興趣，主要是由于其優(yōu)越的熱機(jī)械性能，這對于超高溫應(yīng)用至關(guān)重要。Yan等人研究了工藝參數(shù)（激光功率、激光掃描速度和PMFR）對Al2O3–ZrO2密度的影響。研究表明，第二相的引入導(dǎo)致了細(xì)化的共晶微觀結(jié)構(gòu)，沒有明顯的晶粒生長方向，對顯微硬度的不利影響最小。據(jù)報(bào)道，超聲輔助透鏡™該工藝產(chǎn)生了細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)（圖12c），包括共晶間距的減小(∼50nm），并且沒有清晰的晶界（圖12a）。還觀察到斷裂韌性和顯微硬度增加（圖12d）。

圖12（a）超聲輔助的DED-LB Al2O3–ZrO2共晶陶瓷，顯示了納米級和高密度的共晶間距。（b） DED-LB鋁酸鎂（MgAl2O4）尖晶石透明陶瓷在后處理前后的宏觀結(jié)構(gòu)，顯示出橫向和縱向裂紋。（c）使用和不使用超聲波振動的DED-LB Al2O3–ZrO2共晶陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和（d）機(jī)械性能。

2.12.復(fù)合材料

DED利用受控多進(jìn)料粉末料斗的獨(dú)特能力導(dǎo)致設(shè)計(jì)和制造具有增強(qiáng)性能的新型多材料系統(tǒng)和工程部件。這種屬性允許通過調(diào)整引入熔池的粉末的PMFR，在沉積的基體內(nèi)沉積具有受控分布的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（MMC）�；蛘撸�可以使用單個料斗沉積預(yù)定的粉末混合物。與PBF AM技術(shù)相比，這種能力提高了設(shè)計(jì)和制造多材料系統(tǒng)的自由度，其中粉末原料或粉末混合物是預(yù)先確定的，并靜態(tài)放置在指定容器中。因此，在過去幾年中，人們進(jìn)行了廣泛的研究，以設(shè)計(jì)、制造和表征具有增強(qiáng)性能的DED復(fù)合材料。

已經(jīng)研究了各種DED復(fù)合系統(tǒng)，主要集中在鈦基金屬基復(fù)合材料。由于硼和碳在鈦基合金的α相和β相中的溶解度較低，TiC和TiB被認(rèn)為是增強(qiáng)鈦基體的合適顆粒。在鈦基金屬基復(fù)合材料中引入TiB和TiC作為增強(qiáng)體，可提高機(jī)械性能，如硬度、強(qiáng)度和耐磨性，并提高Ti基體中增強(qiáng)顆粒的熱力學(xué)穩(wěn)定性。Wang等人研究了Ti6Al4V合金中TiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)對微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能的影響。還證明了后續(xù)熱處理對DED-LB MMC的影響（圖13a）。MMC的微觀結(jié)構(gòu)由α-Ti和β-Ti相與再熔TiC的初生相和共晶相以及未熔TiC顆粒組成（圖13a）。與Ti6Al4V基合金相比，體積分?jǐn)?shù)為5%的TiC表現(xiàn)出最佳的拉伸性能（圖13a）。

圖13（a）具有10體積%TiC和應(yīng)力應(yīng)變曲線的沉積態(tài)Ti6Al4V基MMC的微觀結(jié)構(gòu)顯示了TiC體積分?jǐn)?shù)和各種熱處理對MMC拉伸性能的影響。（b）通過對準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀組織形成機(jī)理的示意圖，分析了經(jīng)退火的TiB增強(qiáng)CP-Ti MMC的微觀結(jié)構(gòu)。（c） DED-LB Ti6Al4V–Si–HAp MMC顯示出通過形成Ti5Si3、V5Si3和TiSi2相而提高的硬度、耐磨性和生物摩擦腐蝕性能。（d）研究了激光掃描速度對使用DED-LB制備的氧化鋁/鈦酸鋁CMC的微觀結(jié)構(gòu)、硬度、彎曲強(qiáng)度和孔隙率的影響。

沉積MMC的失效機(jī)制、機(jī)械和物理性能由顆粒和基質(zhì)之間的界面結(jié)合強(qiáng)度決定。為了解決這個問題，幾項(xiàng)研究成功地沉積了鎳涂層TiC增強(qiáng)顆粒，從而增強(qiáng)了界面結(jié)合并顯著提高了MMC強(qiáng)度。然而，TiNi金屬間化合物的形成導(dǎo)致塑性降低。TiB增強(qiáng)的鈦基金屬基復(fù)合材料也備受關(guān)注，并已成功應(yīng)用于DED-LB。

最近的幾項(xiàng)研究集中于顆粒增強(qiáng)鋼基金屬基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。Wang等人研究了在通過DED-LB生產(chǎn)的316L不銹鋼基體中添加不同濃度的Cr3C2增強(qiáng)顆粒對微觀結(jié)構(gòu)演變和機(jī)械性能（如顯微硬度和耐磨性）的影響。整體式DED-LB 316L鋼的特征是沿構(gòu)建方向柱狀晶粒生長，具有枝晶和枝晶間結(jié)構(gòu)，少量等軸晶粒，且無明顯缺陷。隨著Cr3C2濃度的增加（達(dá)到5%和15%），Cr3C2的溶解促進(jìn)了細(xì)小的等軸和樹枝狀晶粒。當(dāng)Cr3C2的濃度進(jìn)一步增加到25%時(shí)，形成了不均勻的細(xì)枝晶間微觀結(jié)構(gòu)，六方沉淀碳化物分布不均勻（圖13b）。Cr3C2濃度的增加有利于提高顯微硬度和耐磨性，這取決于固溶強(qiáng)化和晶粒細(xì)化強(qiáng)化機(jī)制。對沉積態(tài)復(fù)合材料的拉伸測量表明，TiC濃度的增加導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的增加，同時(shí)對沉積態(tài)MMC的延展性有害。

最后，介紹了利用透鏡加工金屬基復(fù)合材料的兩個案例研究™突出顯示。雙連續(xù)浸沒相（DCIP）定義為兩個浸沒體相在至少一個方向上連續(xù)的MMC。當(dāng)組成材料的比例接近50:50時(shí)，兩種相都不是真正的基體或增強(qiáng)相。由于DED可以消除連接的需要，因此它是制造具有DCIP形態(tài)的零件的理想選擇。

2.13.功能梯度材料（FGMs）和多層材料

1987年，一個日本研究小組首次證明了功能梯度材料的概念，該研究小組提出了一種用于極端環(huán)境和航空航天應(yīng)用的金屬/陶瓷熱障。根據(jù)定義，功能梯度材料是在成分或微觀結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)連續(xù)或離散轉(zhuǎn)變的復(fù)合材料，導(dǎo)致材料性能的方向性或多方向功能變化。除了功能梯度材料定制性能的主要特征外，功能梯度材料還有助于降低殘余應(yīng)力和通常發(fā)生分層和失效的尖銳界面。為制備塊狀FGM開發(fā)了許多工藝。然而，與傳統(tǒng)FGM和多材料制造技術(shù)相比，DED提供了前所未有的設(shè)計(jì)自由度、材料特性的組合，并大大縮短了生產(chǎn)時(shí)間。DED提供了逐層AM的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還利用了多進(jìn)料粉末系統(tǒng)。

DED的持續(xù)技術(shù)發(fā)展引起了人們對新型FGM和多層材料系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究的興趣。雖然據(jù)報(bào)道，各種材料系統(tǒng)都是通過DED沉積的，但鈦基功能梯度材料因其獨(dú)特的性能組合和廣泛的工程應(yīng)用而吸引了最多的興趣。

分別說明：（a）不連續(xù)和（b）連續(xù)FGM的示意圖。（c）（d）和（e）示意圖，分別顯示了含有兩種第二相粒子組成、晶粒取向和體積分?jǐn)?shù)逐漸變化的界面的不連續(xù)功能梯度材料。（f），（g）和（h）示意圖顯示了在沒有界面且晶粒尺寸、纖維取向和第二相顆粒體積分?jǐn)?shù)逐漸變化的情況下的連續(xù)功能梯度材料。

鈦基陶瓷增強(qiáng)功能梯度材料因其獨(dú)特的性能和在眾多潛在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的高需求而吸引了越來越多的興趣。與單片組件相比，它們具有優(yōu)異的性能。此類材料的特點(diǎn)是具有高比強(qiáng)度、良好的延展性、高硬度、優(yōu)異的耐磨性、生物相容性和低密度。由于其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性、CTO和密度與Ti6Al4V相似，TiC被認(rèn)為是嵌入Ti基基體中最常用的增強(qiáng)材料之一。Li等人成功沉積了功能梯度Ti6Al4V/TiC復(fù)合材料，沿構(gòu)建方向具有不同體積分?jǐn)?shù)（0-50體積%）（圖14a）。結(jié)果表明，TiC顆粒均勻分布在Ti6Al4V基體中，在沉積層之間表現(xiàn)出良好的結(jié)合，在沉積態(tài)FGM中未觀察到裂紋。

圖14 （a）沿構(gòu)建方向TiC增強(qiáng)顆粒分?jǐn)?shù)比（0–50體積%）增加的DED-LB功能梯度Ti6Al4V/TiC復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。（b）具有中間過渡層（V→Cr→Fe）。（c） DED-LB單壁316L/Inconel 625功能梯度材料的拉伸和耐磨性能。（d） DED-LB奧氏體（非磁性）至鐵素體（磁性）不銹鋼功能梯度材料，具有定制的磁性功能。

功能梯度材料新組合的開發(fā)不限于調(diào)整機(jī)械性能，如顯微硬度、拉伸性能和結(jié)構(gòu)應(yīng)用的磨損性能。根據(jù)預(yù)定義位置定制其他功能特性（如熱、電或磁）的能力也很有意義。在相關(guān)研究中，DED-LB成功用于直接制造316奧氏體不銹鋼（非磁性）至430鐵素體不銹鋼（磁性）功能梯度材料（圖14d），具有定制的磁性功能。

3.DED處理數(shù)據(jù)庫和Ashby圖的構(gòu)建

完善的數(shù)據(jù)庫對于AM（包括DED）的開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化至關(guān)重要。此類數(shù)據(jù)庫可允許用戶識別最佳加工參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)一組特定的性能（例如，物理性能、機(jī)械性能、熱性能、電性能等），以滿足期望的應(yīng)用要求�；�于這些數(shù)據(jù)庫，可以構(gòu)建阿什比圖，并幫助優(yōu)化現(xiàn)有的DED材料和開發(fā)新的AM材料。圖15顯示了Ashby圖的一個示例，該圖顯示了一些DED合金鋼的相對密度對比較參數(shù)S的依賴性，而ν是激光掃描速度。鑒于本圖中包含的鋼材數(shù)量較少，且希望為潛在用戶澄清數(shù)值范圍，因此兩個軸均以線性比例繪制，而非對數(shù)比例繪制。

圖15顯示了幾種DED合金鋼的相對密度對比較參數(shù)的依賴性。

4.自由形式的DED-LB

DED-LB通常在工業(yè)中用于制造凈形和近凈形自由結(jié)構(gòu)、耐磨和耐腐蝕的包覆材料、修復(fù)或在常規(guī)加工零件上添加特征。Svetlizky等人最近回顧了DED的應(yīng)用，以及其物理特性、挑戰(zhàn)和沉積材料中的相關(guān)缺陷。圖2f示出了通過WAAM工藝由Relativity Space制造的大型航空航天部件。圖2e顯示了為航空航天應(yīng)用制造的大型火箭噴管。美國宇航局也證明了通過DED制造液體火箭發(fā)動機(jī)（通道壁）噴嘴。圖13c顯示了由FormAlloy使用DED-LB制造的用于商業(yè)航空航天工業(yè)的門把手。值得注意的是，在所有金屬AM技術(shù)中，DED非常適合制造大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

5.通過DED對材料進(jìn)行包覆

激光熔覆（LC）是一種在金屬部件表面添加涂層的技術(shù)。DED AM也被稱為3D激光熔覆，因?yàn)樗�最初是由機(jī)器人多層熔覆工藝發(fā)展而來。當(dāng)作為熔覆技術(shù)實(shí)施時(shí)，DED涉及在能量源（例如激光或電子束）掃描目標(biāo)表面時(shí)將粉末或金屬絲送入熔池。在此過程中，沉積薄金屬或復(fù)合層并將其熔合到金屬部件上，以提高其耐磨性和耐腐蝕性，增強(qiáng)性能，或替換磨損的材料。

與其他涂層技術(shù)相比，基于DED的熔覆具有多個優(yōu)勢：（1）在基材和涂層材料之間形成冶金結(jié)合，比使用熱噴涂、電弧焊或電鍍技術(shù)形成的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)得多；（2） DED包層提供可控的低熱輸入，具有最小的稀釋和熱影響區(qū)，最大限度地減少沉積材料內(nèi)的應(yīng)力和變形；（3）由于高冷卻速率，可以在DED熔覆中獲得精細(xì)的微結(jié)構(gòu)；（4） DED儀器允許精確控制涂層尺寸、形狀、位置和厚度；（5）廣泛的合金和復(fù)合材料與DED包層兼容。此外，DED包層能夠沉積多層和多種材料涂層。最后，使用DED，也可以在曲面上進(jìn)行熔覆和多軸熔覆。

將含有陶瓷或金屬間化合物增強(qiáng)體的金屬基復(fù)合材料包覆在金屬基底上一直是廣泛研究的主題。金屬基復(fù)合材料往往具有較低的延展性和斷裂韌性，使其難以通過傳統(tǒng)制造工藝（如鑄造或粉末冶金）進(jìn)行加工。近年來，對不同激光熔覆涂層的微觀結(jié)構(gòu)演變、硬度、耐磨性和耐腐蝕性進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，與未添加材料相比，耐磨性和耐腐蝕性均顯著提高。圖16顯示了使用DED處理的一些包層樣品的微觀結(jié)構(gòu)和性能。

圖16 基于DED的包層。

6.使用DED進(jìn)行維修

修理或再制造是將磨損部件恢復(fù)到其原始形狀，以恢復(fù)部件的性能。高價(jià)值金屬零件的再制造或維修因其成本節(jié)約和機(jī)器停機(jī)時(shí)間最小化而備受關(guān)注。此外，通過有效管理自然資源和減少廢物產(chǎn)生，從廢料中修復(fù)零件或再制造有助于可持續(xù)制造。用于航空航天、海軍、汽車、渦輪機(jī)和機(jī)床的高性能和高價(jià)值工業(yè)部件在運(yùn)行期間會遇到嚴(yán)重的熱機(jī)械載荷，導(dǎo)致表面磨損、疲勞開裂和腐蝕相關(guān)損傷。此外，渦輪葉片尖端經(jīng)常因與定子襯套摩擦而受損，從而影響渦輪的性能。傳統(tǒng)技術(shù)，如焊接和熱噴涂，已用于修復(fù)磨損部件。然而，這些工藝中的大多數(shù)都不太精確、特別，可能需要大量加工。在TIG焊接中，高工作溫度（約5500℃）對修復(fù)部件的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，彎曲葉片和圓盤的維修復(fù)雜，成本更高，可靠性更低。因此，基于AM的自動修復(fù)方法有助于復(fù)雜幾何體保持實(shí)際零件的嚴(yán)格公差。

6.1.基于DED的維修中的冶金方面

基于DED的AM工藝在修復(fù)復(fù)雜/高價(jià)值零件時(shí)越來越受到關(guān)注，其中部件受損部分是基于逆向工程和幾何重建算法創(chuàng)建的數(shù)字文件重建的。DED-LB工藝因局部加熱和受控?zé)彷斎攵�顯示出最小的變形，并顯示出良好的冶金結(jié)合、低稀釋和窄HAZ。圖17顯示了DED-LB修復(fù)軍用飛機(jī)磨損的防轉(zhuǎn)支架。此類部件的修復(fù)縮短了交付周期，并且后加工部件成功地滿足了美國空軍的重新認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

圖17 （a）受損的防旋轉(zhuǎn)支架，（b）激光熔覆，（c）后處理后的部件。

開發(fā)高質(zhì)量的DED修復(fù)零件需要精確控制工藝參數(shù)。DED技術(shù)易受工藝變量的影響，包括激光功率、激光掃描速度、送粉速率、艙口間距、激光束直徑、激光掃描圖案等。除了這些可測量的參數(shù)外，構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)和熱量累積的變化還可能改變?nèi)鄢販囟�、幾何結(jié)構(gòu)和層高度，從而在尺寸精度、缺陷、微觀結(jié)構(gòu)和性能方面控制修復(fù)零件的質(zhì)量。因此，通過先進(jìn)的傳感技術(shù)和反饋控制系統(tǒng)對可測量的過程變量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控將提高維修質(zhì)量和完整性。

6.2.修復(fù)方法

在部件自適應(yīng)維修或再制造期間，維護(hù)、維修和大修（MRO）部門遵循以下基本流程鏈，如圖18所示：（1）維修前檢查；（2）修復(fù)前處理；（3） DED處理；（4）減法加工；（5）修理質(zhì)量檢查。為了接近次表面裂紋并考慮無法接近的幾何缺陷，預(yù)修復(fù)處理包括預(yù)修復(fù)加工，這是可能影響冶金結(jié)合的關(guān)鍵步驟。圖19顯示了缺陷部位的修復(fù)前加工，以產(chǎn)生AM沉積的最佳輪廓。此外，將受損零件數(shù)字化為3D CAD模型是一個重要步驟，使用逆向工程過程進(jìn)行。在逆向工程中，有幾種技術(shù)廣泛用于數(shù)據(jù)采集，如坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）、結(jié)構(gòu)光掃描、激光掃描、立體掃描等，然后使用這些數(shù)據(jù)點(diǎn)重建三維模型的幾何表示。

圖18 （a）通過DED進(jìn)行零件維修的過程鏈。（b）刀具路徑生成的流程圖。


圖19 修復(fù)前加工，修復(fù)過程鏈的一部分。（a）斷裂的渦輪葉片。（b）裂紋葉片區(qū)域的三維CAD模型。（c）用于加工的輪廓路徑。（d）后加工刀片。

7.通過DED的合金設(shè)計(jì)
AM改變了新合金的設(shè)計(jì)方式。純金屬很少用于任何應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兊男阅懿贿m合滿足苛刻的應(yīng)用。然而，在純金屬中添加少量合金元素可以顯著改善合金的性能。合金設(shè)計(jì)自然成為AM的一個新的研發(fā)領(lǐng)域�；�于AM獨(dú)特的處理能力，該領(lǐng)域的新發(fā)展是該領(lǐng)域下一波創(chuàng)新最令人興奮的方面之一。在不同類型的金屬AM技術(shù)中，DED是最適合合金設(shè)計(jì)的技術(shù)平臺，因?yàn)椴煌�元素形式的粉末可以在不同的化學(xué)條件下添加并同時(shí)成形。AM技術(shù)將徹底改變許多行業(yè)中不同的傳統(tǒng)合金化學(xué)制品（如Ti6Al4V和316 SS）的重新設(shè)計(jì)方式，使零件具有更多的功能，并增加復(fù)雜性、定制和整合以提高效率。

8.總結(jié)、當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來方向

自20世紀(jì)90年代中期以來，Optomec，Inc.（Albuquerque，NM）基于桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的技術(shù)，在美國推出了商用DED系統(tǒng)。其他領(lǐng)先的DED技術(shù)提供商包括DM3D、RPM Innovations和Fraunhofer等。然而，與所有金屬AM技術(shù)平臺一樣，由于擔(dān)心零件的再現(xiàn)性、較差的表面光潔度以及制造復(fù)雜形狀的獨(dú)立零件的難度，DED進(jìn)入市場的速度很慢。

與PBF工藝不同，DED系統(tǒng)通常沒有任何可用的支撐材料，自然地，使用第一代機(jī)器幾乎不可能制造復(fù)雜形狀的零件，因?yàn)榈谝淮鷻C(jī)器具有一個送粉料斗和對構(gòu)建空間的三軸控制。從那時(shí)起，DED技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，商用機(jī)器現(xiàn)在可以使用10多個粉末喂料器、自由軸沉積頭和用于混合系統(tǒng)的CNC加工平臺。雖然大多數(shù)機(jī)器仍然只有三個自由軸和兩到三個送粉器，但使用這些新型的DED機(jī)器，復(fù)雜零件很容易實(shí)現(xiàn)。隨著修復(fù)、合金設(shè)計(jì)、表面改性和功能梯度結(jié)構(gòu)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，基于DED的AM在各種工業(yè)應(yīng)用中變得越來越流行。

LSS樣品的代表性拉伸試驗(yàn)樣品的μ-CT空間重建圖像。

DED已成為印刷大型獨(dú)立零件的主要金屬AM技術(shù)平臺，這是PBF系統(tǒng)的一個具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。雖然大型獨(dú)立部件特別適用于DED，但對于研究機(jī)器而言，需要少量粉末或能夠沉積多種材料結(jié)構(gòu)是最吸引人的特點(diǎn)�；�于DED的金屬AM系統(tǒng)主要不與PBF系統(tǒng)競爭，但提供互補(bǔ)的制造能力。研究和工業(yè)DED系統(tǒng)廣泛用于修復(fù)高價(jià)值或傳統(tǒng)部件，合金設(shè)計(jì)用于優(yōu)化AM使用的材料化學(xué)或創(chuàng)新新化學(xué)，制造大型零件，在現(xiàn)有零件上添加涂層，或創(chuàng)建雙金屬或功能梯度結(jié)構(gòu)。與其他金屬AM系統(tǒng)相比，DED技術(shù)平臺為所有具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用提供了獨(dú)特的優(yōu)勢。

自然，商用DED系統(tǒng)的銷售正在增長，預(yù)計(jì)未來還會繼續(xù)。除了基于激光粉末的DED外，基于焊接的系統(tǒng)（如WAAM）也越來越流行，尤其是對于大型零件的快速沉積速率。在本手稿中討論了DED在不同材料系統(tǒng)中的應(yīng)用，具體參考了獨(dú)特的成分、加工歷史和相關(guān)特性。在剩余的挑戰(zhàn)中，機(jī)器成本始終是任何新技術(shù)（包括DED）在制造實(shí)踐中大規(guī)模驗(yàn)收的一個問題。近年來，用于非反應(yīng)材料的基于激光的DED系統(tǒng)的價(jià)格大幅下降，這種趨勢在未來可能會繼續(xù)。同軸沉積頭已成為最新的DED系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)特征，提高了沉積效率和零件質(zhì)量。結(jié)合基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可以最小化未來機(jī)器中的過程優(yōu)化要求。

上圖B示出了使用逆極點(diǎn)圖著色的上圖A所示的分析橫截面的取向圖。該圖譜由等軸晶粒和柱狀晶粒組成。此外，晶粒的外延生長是明顯的，因?yàn)槌练e層以與前者相同的晶體取向生長。這導(dǎo)致柱狀晶粒。此外，可以觀察到傾斜生長角。上圖C中的極點(diǎn)圖顯示，在所有主取向{111}、{101}和{001}中，僅存在弱紋理。

雖然本文的重點(diǎn)仍然放在數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)挖掘材料上，但預(yù)處理和后處理問題也很關(guān)鍵。金屬粉末的表面功能化，主要是加工核殼粉末，用于印刷先進(jìn)的金屬基復(fù)合材料，是一個相對新的研發(fā)方向。在多材料制造過程中，金屬粉末的可重用性或避免將金屬粉末與加工芯片或其他粉末成分混合仍然是需要進(jìn)一步研發(fā)的問題。對于任何需要更好地理解工藝特性關(guān)系的關(guān)鍵應(yīng)用，后處理也是必不可少的。高級表征技術(shù)在AM領(lǐng)域的引入也在不斷發(fā)展。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，動態(tài)脈沖回波技術(shù)（用于測量彈性常數(shù)）等技術(shù)具有更高的精度、靈敏度和可重復(fù)性，并且可以使用相對較小的樣本。這些技術(shù)有望在AM零件的材料設(shè)計(jì)、研發(fā)和質(zhì)量控制中變得更加普遍。本手稿對先進(jìn)材料的DED進(jìn)行了全面回顧，這將是世界各地學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和國家實(shí)驗(yàn)室的工程師和科學(xué)家繼續(xù)創(chuàng)新各種應(yīng)用的下一代材料和結(jié)構(gòu)的寶貴文件。

來源：Laser-based directed energy deposition (DED-LB) of advanced materials, Materials Science and Engineering: A, doi.org/10.1016/j.msea.2022.142967

參考文獻(xiàn)：Additive manufacturing technologies: an overview about 3D printing methods and future prospects, Complexity, 2019 (2019), pp. 1-30, 10.1155/2019/9656938