定向能沉积(DED)增材制造:物理特性、缺陷、挑战和应用（三）(2)

时间：2022-01-21 09:23 来源：江苏激光联盟作者：admin 阅读：次

实验成功地采用印后表面处理来调整DED零件的应力状态。例如，磁场辅助加工(MAF)被发现可以将AM零件表面的残余应力从约200MPa降低到约70MPa，将零件表面的拉应力转换为压应力，如图13a所示。在WAAM零件中，残余应力和变形也可以通过基体的机械拉伸或中间轧制来降低。激光冲击喷砂(LSP)已被探索作为一种印后处理，以修改激光ded Ti-6Al-4V零件的表面应力。这种方法允许将残余表面应力从约100MPa修改为约200MPa(图13b)，并将显微硬度从约361 VHN增加到约420 VHN。

图13 印后表面处理对残余应力的影响。(a)磁场辅助抛光将拉伸表面的残余应力改变为压应力。(b)激光冲击强化将拉伸表面的残余应力~ 100MPa转化为约200MPa的压缩残余应力。这幅漫画说明了两种表面处理工艺之间的区别。(c)商业航空航天工业用formalloy生产的门把手，表面为印刷表面(左)和化学抛光表面(右)。

LSP也应用于WAAM 2319铝合金，引入的压缩应力高达100MPa。图13c为化学抛光金属AM零件抛光前后的例子。这个特殊的部分是用FormAlloy公司(San Diego, CA)基于激光的DED装置快速制作的，作为航空航天行业的门把手。可见，简单的化学抛光可以提高金属AM零件的表面光洁度，减少金属AM零件的分层痕迹。LSP还显著提高了WAAM零件的表面显微硬度，从约75 VHN增加到约110 VHN。这些研究表明，印后表面改性可以引入表面压应力，有可能提高印后零件的疲劳寿命。

综上所述，DED是一种非平衡加工技术，具有加热和冷却速度快、高温梯度和复杂的热历史等特点，常导致残余应力、气孔等缺陷的发展。虽然在测量、建模和减轻AM部件的残余应力方面已经做出了相当大的努力，但对残余应力发展机制的基本和整体理解仍然是一个挑战。大量研究表明，优化工艺参数和扫描策略可以降低工件的残余应力;然而，仍然需要后处理(如热等静压(HIP)或表面处理)来充分释放残余应力。

这在制造过程中增加了额外的步骤，增加了总成本。由于应力测量技术在时间、成本和精度之间的权衡，准确测量DED零件的残余应力也是一个挑战。这对残余应力的研究施加了额外的限制，通常只测量少量的样本，这对发现统计上的显著差异带来了挑战。最后，大多数残余应力研究都是在AM中常见的合金上进行的，如Inconel 625和718,304和316不锈钢，Ti-6Al-4V和AlSi10Mg。考虑到残余应力的形成和演化是材料特有的，必须进一步理解其他材料(如金属基复合材料和fgf)中的这些机制。

孔隙度
孔隙度的来源:孔隙度是DED最常见的缺陷之一。典型的形成机制有三种::(1)钥匙孔，这些钥匙孔是由于沉积过程中的高能量密度而产生的，导致局部汽化和气体滞留(图14a);(2)原料产生的气体孔隙，合金熔炼过程中元素的选择性蒸发，或熔池中屏蔽惰性气体的滞留;(3)熔体熔池未充分渗透到基板或先前沉积的层中，导致未熔合(LoF)，即能量输入不足(图14b)。区分层间孔隙度(即LoF)和层内孔隙度也是很常见的。后者通常随机分布在大部分样本中。

图14 深部孔隙度的成因与类型。(a) 316L SS中LOF孔隙度的示意图和SEM显微图。(b) Ti-6Al-4V小孔孔隙率示意图和扫描电镜显微图。(c)各种金属和合金的线能密度、粉末进给速率和孔隙率之间的关系。

就其形状而言，钥匙孔是相对较大的孔隙，它们要么水平呈圆形，在构建方向上被拉长，要么顶部比底部宽。另一方面，气体孔隙是所有孔隙中最小、最球形的。最后，LoF孔隙通常较大(长度尺度与熔池大小相似)，形状不规则。球度因子有助于区分不同类型的孔隙度。小于0.6、大于0.7和大于0.92的值分别与LoF或部分熔化的粉末颗粒、匙孔和气孔有关。

由于孔隙率降低了材料的机械性能，促进了裂纹的形核和扩展，因此密度测量是沉积材料质量控制的首要手段之一。在工艺优化中，目标通常是实现密度高于99.5%。在粉末DED中，孔隙度取决于粉末进给速率(图14c)和由激光功率、激光光斑大小、扫描速度定义的能量输入，以及粉末孔隙度。

图示各向同性蚀刻和薄膜厚度如何限制分辨率和可实现的最小特征尺寸。

在要蚀刻的样品得到适当的保护和掩膜的应用后，晶圆将浸入蚀刻剂中达到所需的时间。湿法蚀刻是一种各向同性蚀刻过程，即所有暴露的材料都被蚀刻。这导致了典型的蚀刻特征，侧壁出现平缓的斜坡，通常在45°左右。在掩膜和薄膜之间的界面上，如果蚀刻剂在毛细管作用下沿界面被拉伸，就会发生过度的蚀刻。这导致了特征口的扩大和该区域较浅的侧壁角度。各向同性腐蚀特性有两个结果。两个特征之间最小间距的大小和可实现的最小特征的大小都受到侧壁角度和膜厚的限制（见上图）。

孔隙率对沉积材料和零件的影响:孔隙率对机械性能有直接和不利的影响，特别是对印刷零件的抗疲劳性能、各向异性、抗氧化腐蚀性能。由于不规则或簇状孔隙可作为应力集中器，因此与球形孔隙相比，它们被认为对机械性能的危害更大，特别是当它们垂直于加载方向时。由于孔隙几何形状和位置对疲劳寿命降低程度的复杂影响，疲劳数据中的弥散性可能较高，不确定性增加。研究发现，透镜沉积Ti-6Al-4V的疲劳寿命主要受孔隙大小(较大的孔隙有更不利的影响)、孔隙数量(但仅受接近表面的孔隙影响)以及在低周疲劳(LCF)情况下，孔隙形状、相邻孔隙之间的距离(密集排列的孔隙具有更明显的影响)。

孔隙度测量:最近在工艺优化和现场工艺控制方面的努力使常规的DED制造具有99%密度的零件。有几种测量AM零件孔隙度/密度的方法，包括 Archimedes方法，超声波脉冲回波速度测量，金相截面图像分析，x射线微计算机层析成像(μ-CT)、同步加速器设备中的硬x射线和气体比重测量。

缓解: 在DED中，孔隙度管理最直接的方法是流程优化。工艺优化包括激光功率、扫描速度、舱口间距、层厚、进粉速度等参数的调整。线形能量密度(LED,J/mm)、面形能量密度(AED, J/mm2)、体积能量密度(VED, J/mm3)、粉末密度(J/mm)等组合参数在优化时经常被用到。然而，尽管人们一致认为可以通过调整工艺参数来最小化层间孔隙度(LoF)，但层内孔隙度的起源并不明确，因此通过工艺参数来降低孔隙度往往不是一件简单的事情。

Liu等采用方差分析(ANOVA)研究了激光DED工艺参数对AlSi10Mg零件气孔率的影响。他们发现最重要的参数是激光功率，占相对密度的49%，其次是扫描速度，占34%。研究表明，低VED导致LOF孔隙度的形成，高VED导致锁孔和球形孔隙的形成;在125J/mm3时，最大密度>99%。Dass和Moridi编制了一份工艺图，其中对各种材料的DED工艺参数进行了优化(图14c)，包括Inconel、Ti-6Al-4V、H13工具钢、Fe、Ti-15Mo和一些Ni-Cr合金。他们观察到，该地图包含三个没有最佳数据点的区域，这可以归因于这些区域的锁孔、LOF和混合模式孔隙度。

控制粉末原料的组成和质量对于在DED中减少孔隙率也是必不可少的，因为印刷部件中的一些气体孔隙率是由粉末原料引入的。Ahsan等人比较了由气雾化(GA)和等离子体旋转电极(PREP) Ti-6Al-4V粉末制成的零件的孔隙率。他们发现，用PREP粉末打印的零件的孔隙率始终低于用GA粉末打印的零件。粉末的化学成分，包括氧气和水分含量，也会极大地影响AM部件的孔隙率。Leung等人采用原位和operando同步x射线成像技术，研究了粉末氧化对因瓦36孔隙度的影响。他们在供应条件下(0.057 vol.% O)和储存~ 1年后(0.343 vol.% O)对粉末进行了评估。他们的结果表明，粉末原料的氧化物是孔隙形成的成核位点，随后稳定了孔隙。Zhong等论证了水分和粉末干燥处理对Inconel 718沉积物孔隙率的影响。他们发现，在110°C的温度下，将粉末干燥~ 6h，孔隙度就会大大降低，从~ 0.41%降至~ 0.07%。这些研究突出了原料粉末控制在DED孔隙度管理中的重要性。

DED零件的孔隙可以通过印后处理(如HIP)来封闭。Qiu等研究了HIP对选择性激光熔化(SLM)Ti-6Al-4V零件显微组织和拉伸性能的影响。他们发现，HIP封闭了几乎所有样品的孔隙度，使孔隙面积分数从在建条件下的~ 0.35%下降到HIPed条件下的<0.01%。Kobryn等人也使用HIP来降低Ti-6Al-4V LENS零件的孔隙率。在900°C和100MPa条件下，HIPed时间为2h，导致LOF孔隙闭合，从而显著提高了延性。尽管存在上述情况，但有人认为，HIP并不是一种从建筑物中去除圈闭气体的可靠方法。

综上所述，现有的孔隙度研究大多集中于研究特定的金属或合金，不能扩展到一般的DED工艺。需要更深入地了解材料特性(如激光吸收率、热膨胀系数、导热系数和表面张力)如何影响多孔性的形成和演化，以减少在工艺优化上花费的时间。

开裂和分层
开裂和分层的起源:一般而言，分层和分层是层状制造中最常见的现象，但在DED和其他一些AM技术中，快速加热和冷却循环产生的热应力进一步强化了分层和开裂。层间残余应力高于材料屈服强度导致分层(即两个连续层之间或第一层沉积层与底板之间的分离)。脱层通常是由于加入未熔化或部分熔化的粉末或熔池下面的层重熔不足造成的。它经常发生在结构和底板之间的界面，那里存在高应力集中。

AM预制件的开裂是阻碍金属AM广泛应用的重要因素。它高度依赖于沉积材料，即在熔焊过程中容易产生裂纹的金属和合金在AM加工过程中很可能容易产生裂纹。AM 'ed零件的主要开裂类型为:(i)沿晶界凝固开裂，也称为热裂。这是顶部较热的岩层比底层或底板收缩更大的结果，导致了高拉应力的演化。这种开裂可能发生在过程中应用的能量对于特定的材料来说太高的时候，它取决于固化的性质;(ii)建筑的“糊状”或部分熔化区(PMZ)的液化裂缝。它是由于一些晶界析出物在快速加热至液相线温度以下的过程中熔化，以及部分熔化区由于在冷却过程中凝固和热收缩而产生的拉应力的演变。固相和液相线温度差异较大的合金(如ni基高温合金)、凝固收缩较大的合金(如Ti-6Al-4V合金)和热收缩较大的合金(如al基合金)最容易发生裂纹;(iii)延性浸裂，即一具有面心立方(fcc)结构的合金在高温下发生的固态晶间裂纹。

开裂和分层对沉积材料和零件的影响:开裂和分层导致静态和动态力学性能的退化，耐蚀性下降和过早失效。

开裂表征:开裂和分层可以通过破坏性和非破坏性测试以及计算建模来表征。破坏试验包括金相截面、裂纹开口及其表征(扫描电子显微镜)。无损检测(NDT)包括磁粉、射线照相、μ-CT或超声波检测等。

减轻:减轻分层和开裂问题的唯一方法是防止它们的形成。这可以通过工艺优化来实现，包括衬底和腔室预热，优化冷却速度，约束长径比和壁厚，优化扫描策略和结构内的零件定位，以及确保多种材料一起打印时的材料兼容性。

高表面粗糙度
表面粗糙度的来源：DED是一种近净形状工艺，意味着需要补充后处理，如机加工或抛光，以达到所需的公差和表面质量。脱模零件的高表面粗糙度可能主要是由于：（i）由于低热量输入和大粉末颗粒而粘附在部分熔化粉末颗粒的表面上，和在高激光扫描速度下由于罗利不稳定性而产生的成球，将熔池破碎成小岛，并被拖到熔池的外边缘；（ii）台阶效应，它限制了所有分层制造过程，尤其是在形成倾斜或弯曲表面时；（iii）熔融材料的飞溅。表面粗糙度由各种材料原料、零件设计、加工和后处理条件和变量决定。

表面粗糙度对沉积材料和零件的影响：表面粗糙度影响沉积零件的尺寸和几何公差，并严重影响其机械性能，尤其是疲劳性能。据报道，表面粗糙度～200μm可将疲劳强度降低20–25%，具体取决于AM工艺。

表面粗糙度测量：表面粗糙度可通过多种分析技术进行测量，如接触式（如原子力显微镜（AFM）或触针）或非接触式（如共焦激光扫描显微镜（CLSM）或白光干涉仪）轮廓术和SEM。最近，提出了一种新的非标准光学测量程序，用于测量DED处理合金的表面粗糙度，采用商业视频和具有大测量范围的多传感器测量系统。结果与白光干涉法的结果进行了比较。

缓解措施：增加热输入可以降低表面粗糙度（只要不太高，引入高热应力和不均匀凝固速率）。例如，这是通过高激光功率和低扫描速度实现的。其他方法包括使用小层厚度和更细的粉末颗粒。最后，通常采用热等静压和化学/电化学抛光等后处理操作。

线控加工材料中的缺陷
前几节已经提到了一些缺陷相关方面的线材加工材料。本节的目的是添加更多的细节并提供一个简明的总结。残余应力、孔隙率、表面高粗糙度和裂纹也是waam加工金属零件的相关缺陷。它们与不适当的加工条件(例如，能量输入不足或过多，飞溅喷射，或糟糕的路径规划)和原料属性(例如，电线或基板污染)有关。孔隙度是WAAM中最常见的缺陷，其主要原因是气体的圈闭。在复杂的沉积过程或多变的制造过程中，由于飞溅喷射或熔炼不足而产生的间隙或空隙经常被观察到。此外，金属丝和基体的表面污染，以湿气、污物或油脂的形式，在沉积时吸收能量，固化后形成孔隙。

此外，部分未熔化的金属丝可能会出现粘在waam加工过的零件上。WAAM加工过程中发生的复杂热循环导致整个构件组织混合，不利于力学性能。由于熔池尺寸大、熔珠宽度大、熔层厚度大，钢丝进样加工的零件表面粗糙度较高。与粉末补料的DED一样，waam制造的零件也会产生残余应力;它们可能高于沉积金属的屈服强度，导致沉积部分的巨大变形、差的公差、开裂和分层。

线材和电弧增材制造(WAAM)工艺示意图。

通过优化沉积路径、衬底预热、调节驻留时间、后处理热处理，或将衬底安装在五轴系统上，并在两侧建造零件，使残余应力平衡，可以显著降低WAAM中的残余应力。从边缘到中心的扫描策略可以减少基体上的残余应力。Lee等人报道称，使用180°旋转的双向工具路径可以降低50%的残余应力，这可以降低工件底部角落的裂纹形成可能性。冷轧和超声冲击试验也能降低WAAM零件的残余应力。通过引入传感器，保证接触端到工作端之间的距离和层间温度不变，可以防止侧塌和未熔丝。由于金属热膨胀的不匹配，双金属构件比单金属构件表现出更高的残余应力和后续变形。

未来的发展方向
由于DED固有的灵活性和独特的能力，这项技术的未来是非常令人兴奋的。在我们到目前为止讨论的关键领域中，也许使用DED修复零件的前景最光明。尽管DED不会取代传统的焊接工位，但修理高价值或独一无二的部件比制造它们要便宜得多。此外，添加不同的合金来增加使用寿命将使基于定向定向的修复比单纯的焊接更令人兴奋。DED平台将用于修复类似的合金，并在修复期间沉积金属-陶瓷复合材料，以增加使用寿命或提高植入物的生物相容性。

3D打印生成的工具路径。

如上图描述了具有打印机刀轨的完整切片零件，由于噪声，所有扫描数据都会有某种形式的准确性问题。然而，大多数噪声在扫描过程中被过滤。为了确保零件被很好地扫描，用户必须检查是否需要修理来平滑零件模型，或者是否有任何零件需要重新扫描。利用不同的切片技术将stl文件分割成不同的层用于AM处理，可以提高打印质量。
        此外，DED还将在多材料AM领域流行，包括可以自然建造的微结构设计。使用DED或HAM平台只能在一次操作中制造多材料结构。在未来几年，在不同地点定制特定应用程序属性的能力可能是一项颠覆性的技术。为了使其更加可行，多材料CAD及相关有限元分析和拓扑优化技术的发展需要进一步成熟，以提供多材料零件的可靠性和可重复性。切片软件的进一步改进，如自适应和/或局部自适应切片和对不同材料在不同位置的沉积敏感的工具路径生成软件，将使多材料AM更容易实现。
      除了金属和合金，DED还预计会影响氧化物和碳化物基陶瓷或高温硼化物或氮化物基陶瓷的直接陶瓷加工。可用于硬质涂层或小尺寸的特殊大块陶瓷结构。最后，预计未来几年将会使用DED技术设计出新的合金。在可控的环境下，成分修饰的内在灵活性和多种金属和陶瓷的通用性，可以通过DED进行加工，这是合金设计的一大优势。当然，随着越来越多的用户使用可靠的机器，并有信心将其用于关键应用，使用DED制造复杂的零件或在现有零件上添加多孔或致密涂层也将增加。随着时间的推移，DED会越来越有吸引力，因为有很多的探索机会，包括我们今天可以想象到的应用程序，以及其他我们只能在未来学习到的应用程序。
总结
     我们回顾了定向能沉积(DED)增材制造(AM)技术、与激光-材料相互作用、缺陷产生和应用相关的相关加工科学的最新进展。尽管目前在一般金属AM应用中，DED技术不如粉末床熔合(PBF)技术常见，但它在材料领域提供了更多的自由度，可以制造多种材料结构和合金设计。此外，由于五轴到自由轴沉积头的建造环境的自由形式，DED也越来越流行于大型结构。修理是DED的另一个独特的领域，已经成为高端金属零件的流行。DED提供较低的部分分辨率比PBF过程;然而，当DED用于混合调幅装置时，比任何其他金属调幅工艺都能获得更好的尺寸公差。
     最后，除了粉末送进，线送进DED系统也变得流行，特别是焊接的AM过程。尽管DED AM的主题很广泛，但我们的文章仍然集中在基础加工科学和相关材料应用的最新进展，以及当前的挑战和未来的方向。我们设想这篇文章将有助于进一步扩展DED的应用，从结构到功能再到生物医学设备。

来源：Directed energy deposition (DED) additive manufacturing: Physicalcharacteristics, defects, challenges and applications，MaterialsToday， https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.020
参考文献：J. Manyika, M. Chui, J. Bughin, R. Dobbs, P. Bisson, A. Marrs,Disruptive，Technologies: Advances that will Transform Life, Business, and theGlobal，Economy, McKinsey & Company, Washington DC, 2013.，G. Warwick,Aviat. Week Space Technol. 176 (11) (2014) 43–44.，M. Segrest, Printbetter parts, Efficient Plant, 17 September 2018，https://www.efficientplantmag.com/2018/09/print-better-parts/(accessed 14December 2020).

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