華東理工《JMST》綜述：層間增強(qiáng)+金屬增材制造的研究進(jìn)展！

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：增材制造（AM）具有快速原型、高設(shè)計(jì)自由度和靈活制造的優(yōu)勢(shì)，而由于固有缺陷和殘余應(yīng)力，增材制造產(chǎn)品的機(jī)械性能并不均勻。將層間表面增強(qiáng)（SE）技術(shù)集成到AM中是改善成型材料的微觀結(jié)構(gòu)、緊密缺陷、殘余應(yīng)力狀態(tài)、機(jī)械性能和化學(xué)性能的潛在解決方案。本文通過SE和AM的結(jié)合回顧了關(guān)于AM過程的當(dāng)前文獻(xiàn)，并證明了從技術(shù)層面將SE技術(shù)集成到AM中的可能性。然后，在微觀結(jié)構(gòu)、缺陷、殘余應(yīng)力、機(jī)械性能和化學(xué)性能方面介紹了SE工藝對(duì)AM部件的改進(jìn)效果。最后，考慮到常用的定向能量沉積（DED）工藝和超聲波沖擊處理（UIT），提出了一個(gè)閉環(huán)質(zhì)量控制框架，用于將層間UIT集成到DED工藝中。指出了混合AM和中間SE的未來研究方向。

金屬增材制造（AM）是一種具有高設(shè)計(jì)和制造自由度、高材料利用率和快速原型技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于模具修復(fù)、醫(yī)療領(lǐng)域、航空航天工業(yè)和許多其他潛在應(yīng)用。Díaz等人通過激光包層對(duì)老化蒸汽回路部件進(jìn)行添加劑修復(fù)，具有良好的電阻、腐蝕性和腐蝕性涂層材料，提高了熱電站的耐用性。在AM的幫助下，Lin等人定制了具有高表面密度的鈦合金髖關(guān)節(jié)植入物，該植入物已成功應(yīng)用于金毛獵犬的股骨頭置換。Caiazzo等人實(shí)施了AM技術(shù)來制造具有預(yù)期幾何形狀的復(fù)雜IN 718渦輪葉片。然而，由于粗柱狀顆粒和各種內(nèi)部缺陷，如微裂紋、孔隙和不完全融合，加性制造的組件通常表現(xiàn)出不可靠的機(jī)械性能。此外，AM工藝的快速加熱和冷卻周期涉及不可避免的拉伸殘余應(yīng)力，降低了所生產(chǎn)部件的疲勞性能。

熱處理、熱等靜壓或表面增強(qiáng)（SE）的后處理是提高AM部件質(zhì)量的常見方法。熱處理通常用于改變微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)沉淀行為，釋放殘余應(yīng)力，并改善添加劑制造部件的機(jī)械性能。熱穩(wěn)壓可以有效消除AM部件的孔隙和熱裂紋。表面增強(qiáng)加工技術(shù)，如激光噴丸、超聲波軋制和超聲波沖擊，可以提高AM零件的表面硬度，將拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為地下的壓縮應(yīng)力，并細(xì)化晶粒，以提高零件在腐蝕和疲勞中的性能。然而，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力和零件缺陷的改善受到SE有效深度的限制。
由于AM過程是一個(gè)逐層的范式，所以原位過程也用于提高AM材料的質(zhì)量。將SE工藝集成到AM工藝的中間層中，是根據(jù)需要改善微觀結(jié)構(gòu)、缺陷和殘余應(yīng)力分布的潛在方法，因此可以實(shí)現(xiàn)高性能和可靠性的金屬部件。本文回顧了SE技術(shù)及其在AM過程中的應(yīng)用。從微觀結(jié)構(gòu)、缺陷、殘余應(yīng)力、機(jī)械性能和化學(xué)性能等方面全面探討了SE對(duì)AM部件質(zhì)量的影響。提出了一個(gè)與中間層SE技術(shù)集成的AM的閉環(huán)質(zhì)量控制框架，其中討論了監(jiān)測和控制技術(shù)。相關(guān)研究成果以“Integration of interlayer surface enhancement technologies into metal additive manufacturing: A review
”發(fā)表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1005030223004425

圖1.不同表面增強(qiáng)的示意圖：（a）SP，（b）USRP，（c）UIT，（d）LSP，（e）USP，（f）軋制和（g）鍛造。

圖2.適用于SLMed 316L的USRP后處理工藝路線示意圖

圖3.USP儀器和撞擊腔室樣品表面的鏡頭示意圖

圖4.應(yīng)用于DLDed CrMnFeCoNi的LSP后處理工藝路線示意圖

圖5.軋制和焊接設(shè)備的示意圖

圖6.混合沉積和微軋制技術(shù)（HDMR）示意圖

圖7.SLM和LSP組合集成設(shè)備的示意圖

本文回顧了集成到AM中的SE技術(shù)的混合制造，以提高AM材料的質(zhì)量。介紹了SE和AM的原理和集成方法，并通過微觀結(jié)構(gòu)、缺陷、殘余應(yīng)力、機(jī)械性能和化學(xué)性能的五個(gè)方面驗(yàn)證了集成的可行性�？紤]到現(xiàn)階段AM的流程優(yōu)化、監(jiān)控和控制手段，提出了閉環(huán)質(zhì)量控制系統(tǒng)框架。有關(guān)混合AM流程的未來利益包括：
(1)工藝參數(shù)的優(yōu)化：盡管對(duì)不同AM技術(shù)的工藝窗口進(jìn)行了許多研究，但混合制造是多個(gè)工藝的集成，這增加了工藝的復(fù)雜性。對(duì)于適當(dāng)?shù)墓に嚪秶�，�?yīng)考慮以下問題：（i）AM沉積過程是穩(wěn)定和可重復(fù)的；（ii）SE不會(huì)對(duì)AM工件造成嚴(yán)重的扭曲或開裂；（iii）AM的熱影響區(qū)應(yīng)盡可能淺，而SE的塑性變形區(qū)應(yīng)盡可能深，以確保SE的有益作用在下一層沉積期間可以部分保留。此外，許多學(xué)者研究了SE對(duì)AM材料的增強(qiáng)效果，但對(duì)于層間SE，很少研究后續(xù)層沉積過程對(duì)以前SE處理過的材料的影響。

(2)在線檢測技術(shù)的演變：目前，大多數(shù)傳感器僅限于監(jiān)控工件的表面狀態(tài)，但很難監(jiān)控內(nèi)部。對(duì)于殘余應(yīng)力，盡管XRD、中子衍射等檢測方法相對(duì)成熟，中子衍射可以深度檢測應(yīng)力分布，但無法在線檢測。3D-DIC和超聲波測試可以在線檢測，但只能檢測表面應(yīng)力狀態(tài)。需要能夠檢查材料內(nèi)部的無損和非接觸式在線檢測技術(shù)。

(3)高保真度和快速仿真模型：由于檢測技術(shù)的局限性，許多報(bào)告通過FEM計(jì)算和預(yù)測AM工件的內(nèi)部殘余應(yīng)力場。然而，模擬的計(jì)算成本很高，因?yàn)锳M過程是多個(gè)物理場的耦合過程，并且模擬的誤差取決于網(wǎng)格的數(shù)量。此外，SE和AM的集成制造應(yīng)該結(jié)合CFD和FEM來解決模擬，以獲得可以解釋物理現(xiàn)象的高保真模型。代理模型是減少模擬時(shí)間并在模型經(jīng)過正確訓(xùn)練后提供快速預(yù)測的潛在方法。預(yù)計(jì)將對(duì)殘余應(yīng)力的分布進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，并對(duì)制造過程進(jìn)行優(yōu)化。

(4)物理模型的開發(fā)：目前，AM的在線監(jiān)控基本上是純粹的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。傳感器數(shù)據(jù)是統(tǒng)計(jì)學(xué)或機(jī)器學(xué)習(xí)，以建立質(zhì)量和過程之間的相關(guān)性。然而，很難解釋機(jī)器學(xué)習(xí)的機(jī)制，這與黑匣子模型相似。因此，有必要開發(fā)物理模型來了解AM和層間SE的基本原理。結(jié)合在線傳感器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和物理模擬模型的數(shù)據(jù)物理混合驅(qū)動(dòng)模型的概念誕生了。數(shù)字孿生是結(jié)合物理模型和傳感器數(shù)據(jù)的有效方法。實(shí)際制造過程實(shí)時(shí)與虛擬物理模型交互，相互迭代和優(yōu)化。盡管如此，數(shù)字雙胞胎技術(shù)才剛剛開始，構(gòu)建AM的完整數(shù)字雙胞胎仍面臨許多挑戰(zhàn)。