先进材料的激光定向能量沉积（1）
时间：2022-08-04 14:19 来源：长三角G60激光联盟 作者：admin 阅读：次
定向能沉积（DED）已发展成为一个重要的增材制造（AM）分支。电火花放电已广泛应用于新型材料的设计和制造中。其中包括金属、陶瓷和复合材料。成功的DED操作需要很好地理解许多关键现象，包括激光-材料相互作用、合金铸造和凝固的基本原理、焊接冶金和连接界面，以及微观结构-机械性能关系。粉末流动性、传热和各种机器相关参数也至关重要。近年来，已经发表了几篇关于通过粉末床熔合（PBF）和电沉积的金属AM的综述文章，重点是特定材料系统、映射AM的最新技术，或与沉积过程或材料特性相关的问题。然而，最近没有任何综述致力于全面介绍材料系统、设计、制造、挑战以及各种DED'ed材料族的微观结构和机械性能之间的关系。由于基于微分方程的方法在制造双金属和多材料结构、修复高价值结构和合金设计方面越来越流行，本综述重点介绍了通过微分方程的材料设计，包括对各种单片和多材料成分的调查。最后，强调了这一领域的关键挑战和机遇。
1、介绍
增材制造（AM）通常被称为三维（3D）打印，允许直接从计算机辅助设计（CAD）文件快速按需制造近净形状部件，而无需任何零件专用工具。最近，它被确定为推动第四次工业革命的十二种颠覆性技术之一。虽然AM最初是作为“触感”零件的快速原型制作工具，但现在它已成为各行业的主流制造。AM机器通过“逐层”方法逐步沉积材料，从数字模型制作3D零件。AM技术的后续创新将印刷材料的种类从聚合物扩展到金属、陶瓷、复合材料，甚至生物组织。先进自动化和机器人技术在AM中的集成有助于减少制造差异，制造出高质量和可重复性的大型复杂结构。AM的固有优势吸引了航空航天、生物医学、汽车和消费品行业的注意。
三径迹激光直接沉积Ti6Al4V的显微硬度预测与实验测量的比较：（a）上层测量和（b）下层测量。
自2010年起，美国食品和药物管理局（FDA）一直在批准AM加工零件供人类使用，2013年，美国联邦航空局（FAA）批准了通用电气公司制造的燃料喷嘴，这是用于关键喷气发动机应用的第一个金属AM零件。2013年，美国国家航空航天局（NASA）在国际空间站（ISS）安装了第一台聚合物AM机器。这些事件增强了AM加工产品在各个工业部门的信心，并促进了该领域的增长。在过去15年中，学术界和工业界与金属AM相关的研发活动的强度迅速增加，专利和科学出版物的年度数量显著增长就是证明（图1）。
图1金属AM研究和知识产权的趋势。（a）出版物（注意y轴的对数比例），（b）已发布专利，以及（c）独立服务提供商生产AM零件（以百万美元计）的年度数量（来源：Wohlers Report 2021）。
1994年，当电光系统（EOS）在直接金属激光烧结（DMLS）机中打印金属零件时，金属AM得到了提升。基于激光粉末的定向能量沉积（DED）技术是在美国桑迪亚国家实验室发明的，被称为激光工程净成形（LENS™)。多年来，由于核心技术的专利保护有限，其他公司也开始在全球销售基于激光粉末的电火花加工设备。采用DED技术的混合AM机器以及采用灯丝进给的线材和电弧增材制造（WAAM，也称为DED电弧）机器也为这一细分市场增加了新的规模。
电火花加工通常使用粉末或金属丝作为原料，激光/电子束/电弧作为能源。集中能源在特定点熔化进料，并形成熔池，通常用惰性气体保护。与任何其他AM工艺一样，DED也使用计算机辅助设计（CAD）模型以逐层方式沉积原料（例如粉末或金属丝）。最常用的金属AM工艺是PBF和DED（分别图2a和b）。虽然PBF通常具有更高的尺寸精度并产生具有较低表面粗糙度的零件，但与PBF相比，DED具有多个独特的优势（图2c-f）：（1）DED能够实现更高的沉积速率（对于DED，高达2.5 kg/h，而对于PBF，高达0.25 kg/h）；（2）电沉积具有多材料沉积（例如原位合金化）和制造具有特定位置特性的功能梯度结构的固有能力；（3） DED系统可适用于涂层/覆层的处理和受损零件的修复；（4） DED能够处理大体积（>1000 mm3）零件；和（5）在DED系统中，5+轴允许层向任何方向沉积。
图2金属AM技术。（a）粉末床熔融（PBF）工艺示意图。（b）定向能沉积（DED）工艺示意图。（c） DED在熔覆和修复中的应用。（d）修复DED制造的316L不锈钢涡轮叶片。（e）一种功能梯度磁性非磁性双金属结构，通过电火花加工制造。（f）一种通过基于自定义DED的工艺制造的大型航空航天组件。
在不同的金属电火花加工工艺中，以激光束为能源的粉末原料是最常用的研究工艺。图3显示了用于粉末和线基进料的基于激光的电火花放电的示意图，最近对其特性进行了比较。商用金属线比金属粉末便宜。金属丝也比粉末更安全，更容易储存。然而，需要增加激光功率来熔化金属丝，从而导致送丝激光DED系统的价格更高。
图3.DED过程示意图。（a）带有同轴颗粒注射装置的粉末供给系统。（b）送丝系统。
虽然DED的核心原则类似于焊接，但它提出了各种独特的技术和科学挑战。因此，基于焊接冶金建立的知识有助于改善具有受控微观结构和过程重复性的电火花放电加工。将不同的焊接方法与AM相结合，拓宽了AM技术在大规模制造中的潜力。基于焊接的AM工艺，如金属丝激光金属沉积（LMD-W）、电子束AM（EBAM）和WAAM，能够以较低的生产成本沉积大型部件。
具体而言，WAAM工艺因其高沉积速率和生产大型结构的灵活性，在航空航天行业制造高强度铝结构方面吸引了更多的兴趣。高达10 5K/s的高冷却速率，再加上对材料进行独特热循环的分层沉积，可导致复杂的相变和有害残余应力的形成。沉积态材料的宏观结构和微观结构由电火花沉积过程中的热历史控制。这些可能会影响沉积零件的机械和物理性能。报告了现场监测、过程优化和反馈控制，以最大限度地减少与DED过程相关的缺陷，提高零件质量。
（a） Inconel 625增材制造墙体的有限元网格示意图。（b）沿铬镍铁合金625壁长度方向的二维残余应力等值线（单位：MPa），层间停留时间为0 s。（c）沿铬镍铁合金625壁长度方向的二维残余应力等值线（单位：MPa），层间停留时间为40秒。
上图显示了用于分析的有限元网格。该网格由52472个六角形8单元和62231个节点组成。沉积区的网格密度为每个热源半径2个元素。进行了三步网格收敛研究，以确认网格足够精细。使用有限元求解器项目Pan进行热机械分析。
近年来，通过PBF和DED发表了几篇关于金属AM的综述文章。然而，最近似乎没有对材料系统、材料设计、制造、挑战以及各种材料族的微观结构和机械性能之间的关系进行全面综述。因此，本综述的目的是全面分析通过电沉积沉积的材料，包括单片、双金属和多材料系统。这些材料包括钛合金、钢、铝合金、镍合金、钴合金、金属间化合物、形状记忆合金（SMA）、高熵合金（HEA）、陶瓷、复合材料、功能梯度材料和多层材料。重点放在DED工艺参数、微观结构和印刷元件的机械性能之间的关系。还讨论了合金设计、自由结构沉积、材料包覆和电火花修复。最后，强调了这一领域的关键挑战和机遇。
2.DED沉积的材料系统、其微观结构和机械性能
为AM开发功能和结构材料的兴趣正在迅速增长。包括汽车、航空航天、军事和生物医学在内的主导产业的这种兴趣导致了对AM各种材料的研究的重大投资。本节回顾了最近报告通过DED技术处理的材料。讨论了加工参数对加工材料微观结构和机械性能的影响，强调了当前设计工业可靠工程部件的科学和技术差距。迄今为止，各种材料已通过DED技术进行处理，取得了不同程度的成功。该材料清单可分为两大类：（1）常用的AM材料，如钛基合金、合金钢、不锈钢、工具钢、镍基合金和铝基合金；（2）新型AM材料，如钴基合金、金属间化合物、SMA、HEA、陶瓷、复合材料和功能梯度材料。
定向能沉积Ti6Al4V的单轨珠说明了决定β晶粒柱状生长模式的热行为。
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