定向能沉積(DED)增材制造:物理特性、缺陷、挑戰和應用（一）(2)
時間：2021-12-31 10:00 來源：江蘇激光聯盟 作者：admin 閱讀：次
一些國際標準已經適用于DED過程。ASTM 3413列出了DED工藝的以下優點:(1)原料范圍廣泛;(2)可加工多種材料、復合材料和FGMs;(3)在沉積狀態下的靜態和動態力學性能往往優于pfc沉積的零件;(4)局部特性可就地調整;(5)在一臺機器上打印全部零件或局部特征、涂層或修復;(6)高沉積速率;(7)可能比PBF更大的部分;(7)設計自由度通常比傳統制造工藝高;(8)與其他AM過程相比，高技術成熟水平(TRL)或制造成熟水平(MRL);(9)部分DED機為混合式，即允許加減法生產；(10)可以在非水平表面上使用AM;(11)與PBF相比，在激光驅動下使用的粉末粒度更大(成本和安全方面都有優勢);(12)利用帶送絲、電子束能量源和真空室的DED系統，可以實現零重力環境下的空間打印。
DED工藝存在以下缺點:(1)局部溫差會導致收縮、殘余應力和變形;(2)與采用激光的PBF相比，它們具有較低的維分辨率(有時是精度)，具有較大的表面波紋度;(3)在吹粉系統中，獲得了比激光PBF更高的表面粗糙度;(4)零件的復雜性可能會受到限制，尤其是那些只有三個自由度的機器;(5)常需要后期加工;(6)與PBF相比，粉體效率和粉體可回收性較低，特別是在印刷混合粉體時。圖1a顯示了從材料設計到修復再到應用，DED相對于PBF的關鍵優勢的原理圖。研究領域涉及先進的材料設計應用在結構，功能，和生物醫學領域只能滿足使用基于定向的金屬和多材料AM。
圖A冷軋潤滑機理示意圖及接觸細節。
圖B 軋制后的鋁箔表面顯微圖:(A)潤滑壓力(B)接觸面積比(%)。
圖A示意地說明了軋輥與被軋輥材料之間的接觸區域以及被油膜層隔開的區域。圖B為軋制后的薄片表面的顯微圖，其中沿軋制方向有許多顯著的軋制痕跡。
DED的應用
在介紹了DED及其優缺點之后，本節重點介紹了DED在合金設計和多材料結構、大型結構制造、維修和涂層方面的一些現有和新興獨特應用。
自1990年中期DED技術商業化以來 , 除了打印3D結構外，其獨特的功能還支持多個領域的應用。圖2顯示了DED技術在制造大型結構、維修和涂層方面的一些獨特應用。大型、高價值金屬零件的維修在工業上是一種常見做法，通常使用焊接，然后進行表面修整。然而，對于大型和/或昂貴的零件，DED技術可以修復結構，并在修復過程中添加材料，以盡量減少未來的侵蝕或損壞（圖2b）。這是通過在DED中使用計算機控制的沉積頭來完成的，以基于被修復零件的CAD文件沉積材料。
圖2
應用于大型零件的制造、維修和涂層。(a)多次修復和沉積策略。(b)修復大型管狀結構。(c)鈦上的鉭涂層在體外顯示出強大的結合以及增加的生物活性。(d)在鈦上包覆磷酸鈣，提高生物活性。(e)為航空航天用途制造的大型火箭噴管。(f)用于刀具的硬質金屬碳化物涂層和金剛石增強層。
首先，分析零件的常見損壞區域，例如熱降解或磨損，然后在目標位置沉積與基礎合金相容的更高硬度或耐高溫材料。由于DED是一種熔融鑄造工藝，因此通過擴散界面可獲得良好的冶金結合。由于冷卻速度快和熱梯度高，有時使用后熱處理來降低殘余應力。最后，完成表面修整以滿足必要的公差。圖2e顯示了美國宇航局的半比例尺1.016 米高，RS25火箭噴管內襯，內置30英寸內部功能使用激光粉末可減少航空航天應用的成本和交付周期。
使用任何其他AM技術制造此類大型金屬零件都具有挑戰性，并且在傳統制造中通常是大規模的多步驟過程。圖2a顯示了該透鏡™可用于修復Inconel 718和其他金屬的內部缺陷。據報道，與矩形槽相比，銑削梯形槽可為修復提供更好的缺陷區準備，同時發現對角構建方向和熱處理更適合將修復樣品的磨損降至最低。通過自動控制的自由軸旋轉臂，修復難以觸及的結構，如管道內部，也可以在360度方向上沉積材料。
圖2c、d、f顯示了應用于基材以提高性能的不同功能涂層。在圖2c中，鉭涂層通過DED涂覆在鈦上。鉭的熔點非常高（>3000 °C），導致傳統加工具有挑戰性，因為鉭不可能采用常規熔融鑄造加工路線。然而，鉭吸收激光能量，導熱系數低，因此使用基于激光的DED很容易熔化。此外，鈦和鉭在高溫下具有完全的固溶性。因此，鈦上的鉭涂層是通過具有良好冶金結合的DED實現的。在圖2d中，CaP涂層通過鈦上的DED涂覆，以增強植入物在體內的骨整合。由于鈦帽涂層材料是一種金屬-陶瓷復合材料，因此與鈦上的純鈦帽陶瓷涂層相比，界面強度非常高，鈦帽陶瓷涂層是目前矯形外科和牙科植入物的金標準。
然而，DED制備的鈦-CaP涂層與傳統的純CaP涂層的生物相容性改善效果幾乎相同。圖2f顯示了用金剛石粉末加工的硬質金屬碳化物涂層用于刀具的應用。這些涂層無大面積開裂，具有多重強化相，并被發現在鋁和AM鈦的機械加工中有用。所有上述涂層都已應用于通過傳統方法制造的零件。然而，DED的新奇之處在于，它能夠在拋光表面沉積，從而通過涂層保持良好的冶金結合來提高現場的特定性能。
圖3
激光測距在合金設計和多材料結構中的應用。(a)利用DED加工多材料結構的概念。(b)相對密度為99%的復合設計鋁合金塊體。(c)由Inconel
718和GR-Cop84(銅合金)經LENS™處理的雙金屬結構顯示火箭噴嘴壁的導熱系數增加。(d)具有不同金屬和陶瓷區域的鈦-鈮碳化物交替結構，用于定向熱/結構應用。(e)使用LENS™處理的雙金屬不銹鋼結構，顯示出磁性(430SS)和非磁性(316SS)鋼的明顯區域。
圖3顯示了DED工藝的另外兩個關鍵應用領域——合金設計和多材料結構。采用傳統方法設計的合金需要廣泛的高溫性能和大量的原材料。使用DED，可以在受控的環境下以組合的方式沉積大量合金，在短時間內向下選擇有希望的成分進行進一步分析。使用多料斗DED系統和程序化送粉系統，即使是一個單一的部件，也可以由不同的成分從一端到另一端制成，這是一個經典的多材料組成的分級結構。這些選項使得DED機床幾乎成為冶金學家的理想工具，可以提供現場特定性能的結構。
圖3a顯示了Cr-Mo-V熱加工工具鋼和Ni基馬氏體時效鋼中由約500 μm厚的FGM結構組成的塊的激光金屬沉積(LMD)。圖3b顯示了鋁合金塊的LENS™沉積。最近的一項研究表明，由于Mg的選擇性蒸發，Al 5xxx合金在印刷狀態下的化學成分從Al 5083轉變為Al 5754，這是一個典型的挑戰，需要在許多具有不同熔點的合金元素的系統中加以考慮。圖3c顯示了在Inconel 718上沉積的高溫Cu合金GRCop-84，該合金具有較強的冶金界面，從而提高了高溫合金的導熱性。718合金表面的GRCop-84層使其導熱系數提高了300%以上。
圖3顯示了用于定向熱/結構應用的具有不同金屬和陶瓷相的鈦-鈮碳化物交替結構。這種方法可以生成只在需要的地方放置增強材料的復合材料，因此具有特定的場地屬性。圖3e顯示了LENS™沉積鋼管的成分，從磁性鐵素體不銹鋼(SS) 430到非磁性奧氏體不銹鋼316。這些例子突出了一些獨特的領域，在這些領域，除了基于CAD文件打印一些3D形狀外，DED技術平臺在制造先進材料方面做出了顯著的改變。
當前的挑戰
盡管DED技術在全球范圍內發展迅速，但要使該技術平臺更加通用性，還需要關注許多科學技術挑戰。PBF是一種更受歡迎的金屬AM技術平臺，因為它能夠比DED實現更好的公差。近年來，為了滿足零件的嚴格公差要求，混合動力調幅(HAM)越來越受歡迎。在動態加工系統中，數字化加工頭與計算機數控加工中心相結合。在沉積幾層后，進行車削或銑削操作以滿足公差。最后的部分看起來更像機械加工的部分，而不是典型的AM加工部分。雖然HAM是令人興奮的，因為沉積和加工都是在同一操作中完成的，構建時間相對較長。此外，根據其幾何形狀和復雜性，需要對每個零件進行廣泛的數控編程和工藝規劃，以決定何時機床和何時沉積材料。這種復雜的操作可能需要更多的經驗。此外，在HAM系統中，機械加工產生的金屬屑可能與沉積頭的多余粉末混合，導致每次構建操作產生更多的材料損失。
上圖顯示了CNC控制器的線性軸的組成。在這種情況下，一個命令告訴驅動電機旋轉精確的次數。驅動電機的轉動帶動滾珠絲杠轉動，滾珠絲杠帶動直線軸轉動。反饋裝置在滾珠絲杠的另一端，允許控制確認所要求的旋轉數已經發生。
類似地，對于多材料部件，根據沉積頭的不同，通常20-75%的吹散粉末被捕獲在實際部件中，而剩余的粉末則分散在沉積托盤上。這種混合粉體的分離可能是相當具有挑戰性的，增加了粉體浪費和DED操作成本。為了避免這個問題，有時首選預混合的粉末，而不是在動態混合的DED操作，可以收集未使用的粉末，以減少起始粉末的浪費。
在這方面，必須注意到粉末的可回收性也是DED的一個問題。起始粉可以重復使用多少次，或與新鮮粉混合多少次，或經過DED操作后，粉的流動性發生了什么，都是需要詳細說明的關鍵問題。冶金兼容性是另一個需要更深入理解的關鍵因素，以推動多材料零件的制造。與其他金屬AM過程一樣，DED涉及快速冷卻速率，并受非平衡熱力學和相關動力學控制。因此，用平衡熱力學推導出的標準相圖在DED中的適用性有限。自然地，打印多材料結構可能需要大量的試錯試驗，以確定所有成分可以在沒有開裂和其他缺陷的情況下沉積的加工窗口。
利用計算材料科學、先進的機器學習方法和現場監測和自適應控制技術，包括物理、化學，在未來幾年，不同合金的熱性能將有利于建立冶金兼容性，以制造整體和多材料零件。其他一些問題與DED機器更相關。例如，大多數DED沉積頭有三個自由軸。然而，具有5軸或自由軸沉積頭的機器打開了制造更多種類的附加結構或更復雜幾何形狀的可修復性的可能性。類似地，大多數DED系統采用500 W或1000 W的激光器作為熱源。雖然高功率激光可以提高印刷速度，但在高功率激光機器中，可能會有部分分辨率的妥協。最后，雖然大多數的DED操作使用金屬粉末作為原料材料，更便宜的線饋送的DED也可用。金屬線比金屬粉末便宜得多，而且金屬線比粉末更安全，更容易儲存。然而，熔化金屬絲需要更高的激光功率，這使得送絲DED系統更昂貴。
來源：Directed energy deposition (DED) additive manufacturing: Physicalcharacteristics, defects, challenges and applications，MaterialsToday， https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.020
參考文獻：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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