来源：江苏激光联盟
导读：本文概述了高端应用、当前与DED处理相关的挑战以及该技术的重要前景。本文为第二部分。
当前的挑战
虽然DED技术在世界范围内发展迅速，但许多科学和技术挑战需要关注，以使该技术平台更加通用。PBF是一种更受欢迎的金属AM技术平台，因为它比DED中可以实现的公差更好。近年来，混合AM（HAM）在DED中越来越流行，以满足零件的严格公差要求。在HAM系统中，DED头与计算机数控（CNC）加工中心耦合。沉积几层后，进行车削或铣削操作以满足公差。最终零件看起来更像机加工零件，而不是典型的AM加工零件。尽管HAM令人兴奋，但由于沉积和加工都是在同一个操作过程中完成的，构建时间相对较长。
此外，根据每个零件的几何形状和复杂性，需要对其进行广泛的CNC编程和工艺规划，以决定何时加工和何时沉积材料。这种复杂的操作可能需要更多运行HAM系统的经验，而不仅仅是PBF或DED机器。此外，在HAM系统中，机加工产生的金属屑可能与沉积头产生的多余粉末混合，并在每次制造操作中造成更多材料损失。
说明与LENS®加工相关的属性和科学问题的示意图（a）微观结构、多界面、热循环、缺陷和残余应力，以及（b）注射粉末、激光束和熔池之间的相互作用。
同样，对于多材料部件，根据沉积头的不同，通常20-75%的吹出的粉末在实际部件中被捕获，而剩余的粉末则分散在沉积盘上。这种混合粉末的分离非常具有挑战性，增加了粉末废料和DED操作成本。为了避免这一问题，有时首选预混合粉末，而不是在DED操作中进行动态混合，在DED操作中，可以收集未使用的粉末，以减少起始粉末浪费。
开环数控系统。
在这方面，必须注意，粉末的可回收性也是DED中的一个问题。起始粉末可重复使用多少次或与新粉末混合，或者在完成DED操作后粉末的流动性会发生什么变化，这些都是需要详细阐述的关键问题。冶金兼容性是另一个关键因素，需要更深入地理解，以移动DED来制造多材料零件。与其他金属AM工艺一样，DED涉及快速冷却速率，并由非平衡热力学和相关动力学控制。因此，利用平衡热力学建立的标准相图在DED中的适用性有限。当然，打印多材料结构可能需要大量的试验和错误类型的实验，以确定可以沉积所有成分而不产生裂纹和其他缺陷的加工窗口。
未来几年，利用计算材料科学、先进的机器学习方法以及涉及不同合金物理、化学和热性能的现场监测和自适应控制技术的预测能力将有利于建立制造单片和多材料零件的冶金兼容性。其他一些问题更与DED机器有关。虽然高功率激光可以提高打印速度，但在高功率激光机器中，部分分辨率可能会受到影响。最后，虽然大多数DED操作使用金属粉末作为原料，但也可以使用更便宜的送丝DED。金属丝比金属粉便宜得多，而且金属丝比金属粉更安全、更容易储存。然而，熔化金属丝需要更高的激光功率，这使得送丝系统更昂贵。
激光与物质的相互作用
为了正确理解并最终控制DED的热环境，有必要了解潜在的激光束-粉末-熔池（LB-P-MP）相互作用。对控制DED的基本机制的基本理解将有助于对随后的微观结构、残余应力和缺陷进行适当的自适应控制，最终目标是优化材料性能和性能。本节回顾了相关方面，如机上粉末颗粒加热、熔池中存在的时空热场、颗粒-熔池相互作用及其现场监测。还简要讨论了热源-线相互作用，尽管该领域落后于粉末的等效领域。
基于激光粉末的DED涉及使用惰性气体作为载体介质，以预选和控制的速率输送粉末。粉末通过一系列喷嘴被导向熔池。当粉末流从喷嘴中流出并流向熔池时，粉末流呈现锥形几何形状。同心粉末流在接近熔池时会聚，导致粒子间碰撞以及LB-P-MP相互作用。加热、熔化、汽化和凝固都发生在DED过程中。因此，沉积材料通常以层状结构为特征，经历多次热循环，通常包含孔隙和残余应力，如图1b所示。在靠近熔池的区域，注入的粉末颗粒与激光束和熔池相互作用，如图1c所示。对流湍流与熔体池有关，在某些情况下，沉积条件会导致形成“锁孔”，其来源于金属蒸汽，有时在使用涉及极高激光束强度的条件加工材料时会产生金属蒸汽。
这些现象在很大程度上取决于沉积材料的热性能和物理性能，以及工艺参数，例如，包括激光功率和强度分布、粉末流速、速度和轨迹，以及激光扫描的几何结构和频率。因此，许多正在进行的研究旨在从根本上了解控制DED的基本机制，以便对随后的微观结构、残余应力和缺陷进行适当的自适应控制，最终目标是优化材料性能和性能。
机上粒子加热
注入的粉末颗粒从喷嘴中冒出，并与激光束相互作用。根据工艺条件和局部功率密度，粉末会同时衰减激光束和吸收热能。因此，粉末颗粒在向基板表面移动时会被加热，可能会熔化，这取决于存在的热场和动量场。粉末颗粒与激光束相互作用的热图像如图4a所示。图4b所示的几何关系显示了粒子到达熔池时，轨迹和入射角如何影响温度。粉末颗粒向熔池移动时吸收的热能量取决于颗粒密度和相关热物理性质，以及颗粒形态和尺寸分布；激光束中的停留时间和气体速度也会影响热能的传递。
图4 （a） 1000的喷嘴出口处加热粉末颗粒的热图像 W激光功率和（b）几何关系。（c和d）根据Beer-Lambert定律和粉末喷雾模式，激光在飞行中被粉末吸收和散射时的能量分配。（e）实验布置图显示了位于DED系统上方的热测量系统，以及（f）沉积第5层时从顶部观察WC–Co样品的热图像。
在一项相关研究中，针对316L SS粉末和Nd:YAG激光器的特殊情况，详细研究了DED过程中的能量分配。数值和实验结果表明，衬底吸收了30%的激光功率，反射率约为54%；粉末反射率为11%，由于粉末分散，损失了4%，尤其是只有1%被沉积的粉末吸收。另一项关于激光束内粉末轨迹和停留时间影响的研究也报告了类似的结果。
在DED沉积过程中，激光能量的分配也与工作距离（WD）密切相关，工作距离定义为喷嘴平面到沉积材料表面的距离。在沉积过程中，WD收敛到一个平衡值，最初在粉末质量中，最终在沉积材料中，受到热能累积的严重影响。如图4c、d所示，粉末吸收的能量在粉末沉积时转移到熔池中，或在粉末从熔池转移出去时耗散到环境室中。为了正确理解并最终控制DED的热环境，有必要充分了解潜在的LB-P-MP相互作用。然而，考虑到熔池的小尺寸、大的热梯度以及固体/液体界面的快速移动，这仍然是一个巨大的挑战。
熔池的热行为
激光束撞击正在沉积的材料表面，在DED过程中形成聚焦且快速移动的熔池。要正确理解DED过程中控制微观结构演化的机制，不仅需要了解激光束与熔池的相互作用，还需要了解熔池中存在的时空热场。在沉积过程中监测基于热的特征（例如，熔池温度梯度和冷却速率），可以预测微观结构演变特征（例如，枝晶臂间距和晶粒形态）、机械性能（拉伸强度和耐磨性）和缺陷形成（例如，孔隙度和裂纹）。因此，非接触热成像，如可见光和近红外（IR）辐射测温，可用于确定熔池的热特性和相关冷却速率。在一项相关研究中，使用单波长高速数字电荷耦合器件（CCD）摄像机测量了316L SS沉积过程中获得的热图像。
双波长高温计是另一种热成像系统，由于其使用两种不同波长的辐射相对强度之比，因此在研究DED过程中受到了关注。这种方法的一个好处是，它独立于绝对发射率值，因此提供了更精确的温度测量，据报道误差范围在±6 °C。热成像方法的一个局限性是无法获得沉积部件的整个热历史，尤其是凝固材料的温度变化。
粒子-熔池相互作用
现场监测可以提供有关工艺参数对粉末流动影响的重要信息，包括激光熔池相互作用、激光颗粒相互作用、熔池动力学和孔隙形成。最近使用高速摄影机进行了一项研究，以测量飞行中粒子之间以及与熔池之间的相互作用。这项研究为分析和理解DED过程中的粒子熔化和粒子池相互作用提供了有用的信息。
图5所示的几个框架显示了粉末颗粒在熔融池中移动和撞击时的显著细节。结果显示，个别粉末到达熔体表面，导致形成波纹。这些颗粒在表面停留了∼0–600 µs，然后吸收到熔体中。在某些情况下，粒子在与表面上已存在的粒子相互作用后从表面反弹。为了提供颗粒速度分布的统计信息，根据高速图像追踪粉末轨迹（图5f）。此外，本研究还制定并实施了三相（气、液、固）计算流体动力学（CFD）模型，以确定控制颗粒碰撞、熔池动力学和润湿性的机制。然后将CFD模型结果与316L不锈钢单个颗粒的实验结果进行比较。总的来说，本研究有助于确定材料热物理性质、停留时间、粒度和温度、冲击速度、熔池条件和DED过程中表面张力的影响。
图5 粉末流（a）从喷嘴前部流向基板，（b）从一个喷嘴捕获颗粒速度，（c）低速视频（10 kHz）提供（d）100万个粒子数据集，以确定喷雾的空间浓度，（e）单轨沉积期间的飞行，（f）各自的粒子轨迹跟踪，以及（g）中绘制的速度分量。
Cunningham等人在最近的一项基础研究中，使用Ti–6Al–4V基板测量了单轨激光材料的相互作用。使用原位成像（图6a）可以看出，蒸汽抑制和小孔形成的演变取决于输入激光能量。研究发现，较低的激光功率和相应的输入能量往往会降低激光的有效钻削速率，从而减少出现的锁孔数量。
图6 （a） Ti–6Al–4V构建板上的单轨激光实验（固定激光）显示了熔池的演变以及固体材料在0–1.7时间范围内相应的蒸汽抑制“锁孔”。（b）激光功率为250W的DED模拟实验中空腔、熔池、孔隙率和飞溅的演变，扫描速度为100 mm/s。
在另一项研究中，高速X射线成像用于表征粉末流动和激光与熔池的相互作用。采用专门设计的DED装置对Ti-6Al-4V粉末的DED沉积进行了成像。研究结果为激光熔池相互作用对气孔形成的影响提供了新的见解。图6b提供了有关气孔形成和小孔空腔孔隙演化的有趣细节。该图还显示，熔池底部附近空腔的塌陷导致颗粒从表面喷出（被称为飞溅）。通常，飞溅是由于蒸汽等离子体羽流引起的大压力梯度或反冲压力的存在而发生的，有助于在DED过程中稳定熔池，可能导致表面缺陷的形成或表面粗糙度的增加。
激光-导线相互作用
在基于激光丝的DED技术中，这是一种基于激光焊接和焊丝填充的技术，该过程对激光束和焊丝之间的相互作用也很敏感。考虑到两种工艺不同，与激光-物质相互作用相关的研究结果不一定适用于粉末基和线基电火花加工。除了激光功率、横向速度和送丝速度外，还有其他参数会影响送丝器和激光束之间的相互作用，例如激光/导线或激光/基板角度、相对于熔池的线头位置、导线伸出距离和送丝方向，这些参数需要仔细调整。金属丝通常通过球状转移、平滑转移或加工过程中的插入来沉积。基本上要求熔线尖端始终与熔池物理接触，以实现无缺陷沉积。
为实现良好的工艺稳定性，开发并实施了基于激光线的沉积工艺的闭环过程监控，包括视觉传感和图像处理。在沉积过程中，可以使用互补金属氧化物半导体（CMOS）相机监测导线尖端和熔池之间的相互作用。视觉反馈有助于识别任何干扰并评估控制器的效率。金属丝尖端进入激光束和随后进入熔池之间的时间间隔取决于金属丝喷嘴的位置和角度。当接触到过多的能量时，金属丝尖端会过早熔化，形成熔融金属丝的液滴，导致形成“薄弱环节”，而不是平滑转移的情况。如果送丝速度相对于熔池的能量输入过高，则焊丝可能未适当熔化，从而增加未熔合（LoF）缺陷的风险。对已发表文献的回顾表明，对控制激光束和导线相互作用的基本机制的研究仍然相对有限，还需要进一步的工作。
上述高速成像等可视化技术仍在不断改进，并提供了关键的新功能，有助于深入理解与激光材料相互作用和DED材料加工过程中微观结构演化相关的一些基本科学问题。例如，控制孔隙形成和残余应力演化的机制是什么？我们预计，在制造日益复杂的DED组件的需求推动下，新的和更复杂的可视化技术将继续发展和成熟。最近关于功能梯度复合材料、定向凝固部件和非平衡微观结构的研究提供了这种复杂性的最新例子，这些通常需要工艺参数的不寻常组合。
来源：Directed energy deposition (DED) additive manufacturing: Physical characteristics, defects, challenges and applications, materials today, 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 the Global Economy, McKinsey & Company, Washington DC (2013)
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