来源：江苏激光联盟
导读：本文讲述了DED处理相关的挑战，并对该技术进行了关键的展望。关键词：增材制造(AM)，定向能沉积(DED)，激光工程净整形(LENS™)，激光-材料相互作用缺陷
定向能沉积（DED）是增材制造（AM）工艺的一个分支，在该工艺中，粉末或金属丝形式的原料被输送到同时聚焦激光束、电子束或等离子体/电弧等能源的基板上，从而形成一个小的熔池，一层一层地连续沉积材料。与其他AM工艺相比，DED具有一些独特的优势，例如特定位置的沉积和修复、合金设计以及复杂形状的三维打印。本文综述了激光-材料相互作用、熔池热行为、原位监测和相互作用机理等方面的研究进展。最关键的加工变量及其对沉积材料性能的影响，以及缺陷形成机制和表征技术，也被确定和讨论。概述了高端应用，当前与DED处理相关的挑战，并对该技术进行了关键的展望。
介绍
增材制造(AM)，也被称为三维(3D)打印，被认为是构成第四次工业革命(工业4.0)的12个颠覆性技术之一。2013年，GE航空公司的生产线采用了金属AM。2018年，GE航空已经生产了超过23000个飞行质量的增材部件，并计划在2020年之前生产10万个部件。金属AM市场近年来的增长比聚合物或陶瓷市场快得多。到2027年，航空航天、汽车和能源行业可能会占据金属AM总收入的52%。随着新的制造技术的出现，以AM为基础的维修技术有望成为实际应用。
两种DED系统的原理图(A)使用激光和粉末原料，(B)使用电子束和线材原料。
DED是一组AM过程，在输入热量的同时添加材料。热输入可以是激光、电子束或等离子弧。原料为金属粉末或金属丝。与金属丝相比，粉末的沉积效率较低，因为只有一部分粉末会被熔化并粘接到基板上(Lee, 2008)。与E-PBF一样，在DED中的电子束系统需要真空，不会有高的氧化问题和激光系统，另一方面，需要其他方法引入惰性气体。粉末喷涂设备通常有惰性气体与粉末一起从喷嘴吹出，从而覆盖熔化区域，降低氧化速率(Gokuldoss等人，2017)。Powder DED系统可以使用单个或多个喷嘴喷射金属粉末(Mazzucato等人，2017)。使用多个喷嘴可以使不同材料混合得到功能梯度材料(FGM) (Liu and DuPont, 2003;Li等人，2017)。DED系统的原理图如上图所示。
粉末床熔合(PBF)和定向能沉积(DED)是两种重要的AM工艺，能够生产出完全致密的金属零件，适用于不同的工业应用。它们不同的粉末输送机制影响工件的复杂性、支撑要求、材料使用的灵活性和表面粗糙度。2019年，PBF和DED系统在金属AM市场的收入市场份额分别为85%和8.3%。预计未来5年，DED技术的收入份额将增加到11.1%，PBF将下降到63%。在另一份报告中，预计到2025年，DED市场将达到近7.55亿美元。主要的粉末原料和激光能源DED系统制造商包括Optomec®，Inc.， Trumpf, BeAM, FormAlloy, DMG MORI, InssTek, Inc.和南京中科瑞昌激光技术有限公司。带线材的DED系统制造商包括GKN添加剂和Mazak;WAAM、Norsk Ti Ta nium AS、Gefertec GmbH、Prodways Tech和Lincoln Electric(等离子/电弧);Sciaky, Inc.和EvobeAM GmbH。1997年，桑迪亚国家实验室将激光工程净整形(LENS™)技术授权给Optomec公司(Albuquerque, NM)，这是第一个商业化的DED工艺之一。
在定向能沉积中，将金属原料以导线(a)或粉末(B)的形式引入到能量源中。
DED，也被称为吹制粉末AM或激光熔覆，涉及到将金属粉末引入热源(如激光)，在沉积过程中熔化金属颗粒(如上图)。Wes钛nghouse电气公司的Frank Arcella在1988年首次申请了粉末床式金属3D打印技术的专利，之后在1997年Johns Hopkins大学开发了一种DED技术，并通过他的公司Aeromet将其商业化。
由DED制造的零件的质量和性能取决于(i) DED技术的类型(包括原料和热源的类型);(ii)建造环境(真空、惰性气体或环境);(3)beam-material交互;(4)沉积参数(主要是激光粉末、激光扫描速度、舱口间距、进粉速度、激光扫描策略);(v)原料属性。此外，在逐层沉积过程中，DED沉积零件暴露在快速、重复的加热-冷却循环中，会产生独特的微观结构特征、非平衡相、凝固开裂、定向凝固、残余应力、气孔、分层和翘曲。一般来说，由于沉积的方向性，DED样品在机械性能和微观结构上往往表现出各向异性。因此，热熔成形过程的热历史同时控制着铸态零件的宏观组织和微观组织，这可能会影响铸态零件的机械性能。通过工艺优化、现场监测和反馈控制，可以消除或至少显著减少与金属AM相关的一些缺陷，从而实现卓越的组件质量。
一些关于AM调幅技术、应用和/或材料的广谱综述已经发表，而只有少数专注于DED技术。这些集中在热和流体现象，过程参数图，优化和控制，机械行为和应用。近年来，DED技术在合金设计、关键结构修复和双金属/多材料结构方面取得了显著的发展。目前的综述集中在激光-材料的相互作用，DED的最关键的加工变量，缺陷的形成和表征在沉积材料。本文还对DED的原理、优点、缺点和应用进行了更简明的总结，并简要讨论了当前的挑战和未来的方向。
定向能沉积(DED) -原理、优点和缺点
本节简要总结了DED的一般原理及其优缺点，主要是与PBF相比。这两种工艺具有互补性而非竞争性，其中DED一方面在新材料的高通量开发和多种材料的加工方面具有重大优势，另一方面在机械性能良好的大型近净形零件的快速制造方面具有重大优势。对不同热源或不同原料的DED工艺也作了简要的比较。
DED是一种AM工艺，它高度适应于高性能材料的沉积，如不锈钢、工具钢、合金钢、钛基合金、钴基合金、镍基合金、铝合金、高熵合金、金属间化合物、形状记忆合金(SMAs)、陶瓷、复合材料、功能梯度材料(fgm)。DED使用高能量密度的热源(激光、电子束或等离子/电弧)聚焦在基材上，形成一个小型熔池，并同时熔化以粉末或金属丝形式输送到熔池中的原料材料。当热源向前移动时，沉积的金属在基板上凝固，形成金属轨迹。金属轨道基于预先定义的舱口间距(即连续金属轨道之间的距离)相互重叠。在完成一层后，沉积头和原料输送系统向上移动一小段距离(切片厚度)，沉积下一层(图1b)。因此，所有层的沉积产生了一个三维近净形状的组件，类似于计算机辅助设计(CAD)模型。在沉积前，利用软件对三维数字模型进行切片，以指定切片厚度、舱口间距和每一层的沉积路径。表1根据一些选择标准比较了不同热源下的DED过程。表2比较了粉状原料和线状原料的一些特性。
图1 (a)从材料设计到修复再到应用，DED相对于PBF的关键优势示意图。(b) DED中微观结构、多界面、热循环、缺陷和残余应力;(c)注入粉末、激光束和熔池之间的相互作用，在某些情况下导致熔池中形成小孔。
表1 不同热源下DED工艺的比较。构建量是指主体流程可以处理的组件的相对大小。细节分辨率指的是流程创建小特征的能力。沉积速率是指生产一定质量的产品的速率。耦合效率是指能量从能量源转移到基材的效率，潜在污染是指在部件内夹带污垢、气体和其他可能污染物的可能性。
表2 粉末原料与线材原料的DED过程。
基于能量来源和原料类型，商业上可用的技术被称为激光金属沉积(LMD)，直接金属沉积(DMD)，激光固体成形(LSF)， LENS™，定向光制造(DLF)，电子束增材制造(EBAM®)，或线材加电弧增材制造(WAAM)。一些DED技术，如LENS、DLF和EBAM，将金属沉积在一个封闭的腔室中，或者在一个可控的气氛手套箱中，或者在真空下，而DMD和WAAM则使用受控的惰性气体罩来防止沉积物的氧化。一些DED系统可以同时沉积多种材料，并允许多轴沉积处理合理复杂的几何形状。DED也是一种有用的技术，用于填充裂缝，改造制造部件，修复高价值的金属部件。DED能够快速储存大量资料(一般情况下，LENS可储存0.5 kg/h, WAAM可储存10 kg/h)，并可储存巨型工作包封(如: 6 × 1.4 × 1.4 用于现有商用打印机)。
一些国际标准已经适用于DED过程。ASTM 3413列出了DED工艺的以下优点:(1)原料范围广泛;(2)可加工多种材料、复合材料和FGMs;(3)在沉积状态下的静态和动态力学性能往往优于pfc沉积的零件;(4)局部特性可就地调整;(5)在一台机器上打印全部零件或局部特征、涂层或修复;(6)高沉积速率;(7)可能比PBF更大的部分;(7)设计自由度通常比传统制造工艺高;(8)与其他AM过程相比，高技术成熟水平(TRL)或制造成熟水平(MRL);(9)部分DED机为混合式，即允许加减法生产；(10)可以在非水平表面上使用AM;(11)与PBF相比，在激光驱动下使用的粉末粒度更大(成本和安全方面都有优势);(12)利用带送丝、电子束能量源和真空室的DED系统，可以实现零重力环境下的空间打印。
DED工艺存在以下缺点:(1)局部温差会导致收缩、残余应力和变形;(2)与采用激光的PBF相比，它们具有较低的维分辨率(有时是精度)，具有较大的表面波纹度;(3)在吹粉系统中，获得了比激光PBF更高的表面粗糙度;(4)零件的复杂性可能会受到限制，尤其是那些只有三个自由度的机器;(5)常需要后期加工;(6)与PBF相比，粉体效率和粉体可回收性较低，特别是在印刷混合粉体时。图1a显示了从材料设计到修复再到应用，DED相对于PBF的关键优势的原理图。研究领域涉及先进的材料设计应用在结构，功能，和生物医学领域只能满足使用基于定向的金属和多材料AM。
图A冷轧润滑机理示意图及接触细节。
图B 轧制后的铝箔表面显微图:(A)润滑压力(B)接触面积比(%)。
图A示意地说明了轧辊与被轧辊材料之间的接触区域以及被油膜层隔开的区域。图B为轧制后的薄片表面的显微图，其中沿轧制方向有许多显著的轧制痕迹。
DED的应用
在介绍了DED及其优缺点之后，本节重点介绍了DED在合金设计和多材料结构、大型结构制造、维修和涂层方面的一些现有和新兴独特应用。
自1990年中期DED技术商业化以来 , 除了打印3D结构外，其独特的功能还支持多个领域的应用。图2显示了DED技术在制造大型结构、维修和涂层方面的一些独特应用。大型、高价值金属零件的维修在工业上是一种常见做法，通常使用焊接，然后进行表面修整。然而，对于大型和/或昂贵的零件，DED技术可以修复结构，并在修复过程中添加材料，以尽量减少未来的侵蚀或损坏（图2b）。这是通过在DED中使用计算机控制的沉积头来完成的，以基于被修复零件的CAD文件沉积材料。
图2 应用于大型零件的制造、维修和涂层。(a)多次修复和沉积策略。(b)修复大型管状结构。(c)钛上的钽涂层在体外显示出强大的结合以及增加的生物活性。(d)在钛上包覆磷酸钙，提高生物活性。(e)为航空航天用途制造的大型火箭喷管。(f)用于刀具的硬质金属碳化物涂层和金刚石增强层。
首先，分析零件的常见损坏区域，例如热降解或磨损，然后在目标位置沉积与基础合金相容的更高硬度或耐高温材料。由于DED是一种熔融铸造工艺，因此通过扩散界面可获得良好的冶金结合。由于冷却速度快和热梯度高，有时使用后热处理来降低残余应力。最后，完成表面修整以满足必要的公差。图2e显示了美国宇航局的半比例尺1.016 米高，RS25火箭喷管内衬，内置30英寸内部功能使用激光粉末可减少航空航天应用的成本和交付周期。
使用任何其他AM技术制造此类大型金属零件都具有挑战性，并且在传统制造中通常是大规模的多步骤过程。图2a显示了该透镜™可用于修复Inconel 718和其他金属的内部缺陷。据报道，与矩形槽相比，铣削梯形槽可为修复提供更好的缺陷区准备，同时发现对角构建方向和热处理更适合将修复样品的磨损降至最低。通过自动控制的自由轴旋转臂，修复难以触及的结构，如管道内部，也可以在360度方向上沉积材料。
图2c、d、f显示了应用于基材以提高性能的不同功能涂层。在图2c中，钽涂层通过DED涂覆在钛上。钽的熔点非常高（>3000 °C），导致传统加工具有挑战性，因为钽不可能采用常规熔融铸造加工路线。然而，钽吸收激光能量，导热系数低，因此使用基于激光的DED很容易熔化。此外，钛和钽在高温下具有完全的固溶性。因此，钛上的钽涂层是通过具有良好冶金结合的DED实现的。在图2d中，CaP涂层通过钛上的DED涂覆，以增强植入物在体内的骨整合。由于钛帽涂层材料是一种金属-陶瓷复合材料，因此与钛上的纯钛帽陶瓷涂层相比，界面强度非常高，钛帽陶瓷涂层是目前矫形外科和牙科植入物的金标准。
然而，DED制备的钛-CaP涂层与传统的纯CaP涂层的生物相容性改善效果几乎相同。图2f显示了用金刚石粉末加工的硬质金属碳化物涂层用于刀具的应用。这些涂层无大面积开裂，具有多重强化相，并被发现在铝和AM钛的机械加工中有用。所有上述涂层都已应用于通过传统方法制造的零件。然而，DED的新奇之处在于，它能够在抛光表面沉积，从而通过涂层保持良好的冶金结合来提高现场的特定性能。
图3 激光测距在合金设计和多材料结构中的应用。(a)利用DED加工多材料结构的概念。(b)相对密度为99%的复合设计铝合金块体。(c)由Inconel 718和GR-Cop84(铜合金)经LENS™处理的双金属结构显示火箭喷嘴壁的导热系数增加。(d)具有不同金属和陶瓷区域的钛-铌碳化物交替结构，用于定向热/结构应用。(e)使用LENS™处理的双金属不锈钢结构，显示出磁性(430SS)和非磁性(316SS)钢的明显区域。
图3显示了DED工艺的另外两个关键应用领域——合金设计和多材料结构。采用传统方法设计的合金需要广泛的高温性能和大量的原材料。使用DED，可以在受控的环境下以组合的方式沉积大量合金，在短时间内向下选择有希望的成分进行进一步分析。使用多料斗DED系统和程序化送粉系统，即使是一个单一的部件，也可以由不同的成分从一端到另一端制成，这是一个经典的多材料组成的分级结构。这些选项使得DED机床几乎成为冶金学家的理想工具，可以提供现场特定性能的结构。
图3a显示了Cr-Mo-V热加工工具钢和Ni基马氏体时效钢中由约500 μm厚的FGM结构组成的块的激光金属沉积(LMD)。图3b显示了铝合金块的LENS™沉积。最近的一项研究表明，由于Mg的选择性蒸发，Al 5xxx合金在印刷状态下的化学成分从Al 5083转变为Al 5754，这是一个典型的挑战，需要在许多具有不同熔点的合金元素的系统中加以考虑。图3c显示了在Inconel 718上沉积的高温Cu合金GRCop-84，该合金具有较强的冶金界面，从而提高了高温合金的导热性。718合金表面的GRCop-84层使其导热系数提高了300%以上。
图3显示了用于定向热/结构应用的具有不同金属和陶瓷相的钛-铌碳化物交替结构。这种方法可以生成只在需要的地方放置增强材料的复合材料，因此具有特定的场地属性。图3e显示了LENS™沉积钢管的成分，从磁性铁素体不锈钢(SS) 430到非磁性奥氏体不锈钢316。这些例子突出了一些独特的领域，在这些领域，除了基于CAD文件打印一些3D形状外，DED技术平台在制造先进材料方面做出了显著的改变。
当前的挑战
尽管DED技术在全球范围内发展迅速，但要使该技术平台更加通用性，还需要关注许多科学技术挑战。PBF是一种更受欢迎的金属AM技术平台，因为它能够比DED实现更好的公差。近年来，为了满足零件的严格公差要求，混合动力调幅(HAM)越来越受欢迎。在动态加工系统中，数字化加工头与计算机数控加工中心相结合。在沉积几层后，进行车削或铣削操作以满足公差。最后的部分看起来更像机械加工的部分，而不是典型的AM加工部分。虽然HAM是令人兴奋的，因为沉积和加工都是在同一操作中完成的，构建时间相对较长。此外，根据其几何形状和复杂性，需要对每个零件进行广泛的数控编程和工艺规划，以决定何时机床和何时沉积材料。这种复杂的操作可能需要更多的经验。此外，在HAM系统中，机械加工产生的金属屑可能与沉积头的多余粉末混合，导致每次构建操作产生更多的材料损失。
数控机床从数控程序中获得指令位置。驱动电机旋转相应的量，反过来驱动滚珠丝杠，引起轴作直线运动。反馈装置确认滚珠丝杠转数已发生的适当数目。
上图显示了CNC控制器的线性轴的组成。在这种情况下，一个命令告诉驱动电机旋转精确的次数。驱动电机的转动带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动直线轴转动。反馈装置在滚珠丝杠的另一端，允许控制确认所要求的旋转数已经发生。
类似地，对于多材料部件，根据沉积头的不同，通常20-75%的吹散粉末被捕获在实际部件中，而剩余的粉末则分散在沉积托盘上。这种混合粉体的分离可能是相当具有挑战性的，增加了粉体浪费和DED操作成本。为了避免这个问题，有时首选预混合的粉末，而不是在动态混合的DED操作，可以收集未使用的粉末，以减少起始粉末的浪费。
在这方面，必须注意到粉末的可回收性也是DED的一个问题。起始粉可以重复使用多少次，或与新鲜粉混合多少次，或经过DED操作后，粉的流动性发生了什么，都是需要详细说明的关键问题。冶金兼容性是另一个需要更深入理解的关键因素，以推动多材料零件的制造。与其他金属AM过程一样，DED涉及快速冷却速率，并受非平衡热力学和相关动力学控制。因此，用平衡热力学推导出的标准相图在DED中的适用性有限。自然地，打印多材料结构可能需要大量的试错试验，以确定所有成分可以在没有开裂和其他缺陷的情况下沉积的加工窗口。
利用计算材料科学、先进的机器学习方法和现场监测和自适应控制技术，包括物理、化学，在未来几年，不同合金的热性能将有利于建立冶金兼容性，以制造整体和多材料零件。其他一些问题与DED机器更相关。例如，大多数DED沉积头有三个自由轴。然而，具有5轴或自由轴沉积头的机器打开了制造更多种类的附加结构或更复杂几何形状的可修复性的可能性。类似地，大多数DED系统采用500 W或1000 W的激光器作为热源。虽然高功率激光可以提高印刷速度，但在高功率激光机器中，可能会有部分分辨率的妥协。最后，虽然大多数的DED操作使用金属粉末作为原料材料，更便宜的线馈送的DED也可用。金属线比金属粉末便宜得多，而且金属线比粉末更安全，更容易储存。然而，熔化金属丝需要更高的激光功率，这使得送丝DED系统更昂贵。
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).
| 
京公网安备11010802043351