激光粉末定向能量沉积的研究现状及工业应用(1)

3D打印科研前沿
2022
07/01
17:38
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来源:江苏激光联盟

导读:本文综述了激光粉末定向能量沉积(LP-DED)的工业应用。本文为第一部分。


由于在形状设计、零件功能和材料效率方面的可能性,增材制造(AM)技术被公认为制造业的未来。由于对AM工艺和最终零件特性的了解不断增加,AM技术在许多工业部门的使用也在增长。定向能沉积(DED)技术是最有前途的AM技术之一,它使用热源在注入金属粉末的基板上生成熔池。DED技术的潜力在于处理大型构建量的能力(> 尺寸为1000 mm),能够将材料直接输送到熔池中,修复现有零件的可能性,以及在建造过程中更换材料的机会,从而形成功能梯度材料。本文综述了激光粉末定向能量沉积(LP-DED)的工业应用。在维修、设计材料和生产中确定了三种主要应用。尽管LP-DED具有巨大的优势,但从文献中可以看出,最相关的应用是指高价值部件的维修过程。

介绍
增材制造(AM)系统的改进和对所生产零件性能的不断了解推动了AM工艺在最终部件生产中的应用。汽车医疗航空航天只是AM工艺成功应用的少数几个行业。这些部门的共同因素是几何复杂性和中小型批量生产,这使得AM的生产在经济上很方便。

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产品属性地址模型中没有/有AM进入者的生产成本,市场价格和利润

考虑到使用金属合金作为原料的工艺,根据ASTM,主要的金属AM工艺是粉末床熔合(PBF)工艺,包括激光粉末床熔合(L-PBF)和电子粉末床熔合(E-PBF)以及定向能沉积(DED)工艺。

与PBF工艺相反,DED工艺不是一种综合工艺,因此被认为在工业生产中还为时过早。此外,如图1中的图表所示,世界各地安装的DED系统数量仍然较低。该图显示了所售金属AM系统的行业分布,并表明金属AM市场主要由粉末床熔融工艺控制,占82%。定向能沉积是第二种系统销售技术,其百分比仅为8%(比PBF工艺低十倍)。
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△图1 2019年金属增材制造系统在市场上的分布。

然而,应注意的是,工业界对DED工艺的兴趣正呈指数级增长,因此,强调目前取得的主要工业成就并确定该技术的未来趋势非常重要。

关于DED工艺,可以对工艺物理、维修操作、监控技术以及由DED加工的合金进行几次审查。然而,所有这些研究都集中在零件的特性和工艺参数的影响上。本文旨在说明DED技术的技术成熟度水平以及在工业生产中应用DED的可行性。因此,描述了当前成功的工业案例,其中应用了DED工艺。该审查可以指导研究人员和制造商采取下一步行动,使该技术更深入地工业化。

LP-DED工艺
LP-DED系统的示意图如图2所示。它由四个基本元件组成:激光器、电机、进料机构,依次由粉末给料机、沉积头和控制单元组成。
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△图2描述了一种通用的激光粉末定向能沉积(LP-DED)系统。

在LP-DED工艺中,聚焦激光束用于在基板或建筑平台上产生熔池。然后,喷嘴或沉积头通过载气将粉末材料送入生成的熔池。当粉末材料进入熔池时,它会立即熔化,从而增加液体材料的体积。当激光离开时,熔融材料快速凝固,并获得凸起的轨迹。在生成的熔池附近的工作区域,使用保护气体防止氧化

基于LP-DED过程的物理特性,开发了几种技术。最常用的LP-DED技术是洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的直射光制造(DLF)工艺、桑迪亚国家实验室开发的激光工程净成形(LENS®)工艺和直接金属沉积(DMD™) POM集团开发的工艺。DLF、透镜和DMD工艺之间的差异包括激光功率、激光光斑大小、激光类型、粉末输送方法、惰性气体输送方法、反馈控制系统和所用的运动控制。结果表明,DLF是一种适合生产难熔金属和不锈钢合金近净形状复杂部件的生产技术。

维修和保养
部件的损坏可能由腐蚀、热应力、可变热循环和冲击等多种现象引起。受损部件通常由新零件更换;但是,在某些情况下,修复它们更方便。当维修后的部件具有较高的经济价值时,就是这种情况。这一高价值来源于生产组件所需的复杂操作和使用的宝贵材料。因此,修复这些组件可能意味着显著的成本节约。

在工业中,钨极惰性气体(TIG)焊接是第一种用于修复受损部件的技术。尽管TIG工艺的适用性相对简单,但它会在修复部件中产生大量热量,从而导致高残余应力和变形。另一方面,等离子转移电弧焊(PTAW)和电子束焊接(EBW)工艺满足了低热量输入的要求;然而,他们的设备更加复杂和昂贵。

迄今为止,在其他技术中,LP-DED工艺是修复受损部件最常用的工艺之一,因为与传统工艺相比,LP-DED工艺的热量输入更少,翘曲和变形更少,精度更高。此外,修复零件的机械性能也很有前景和吸引力。

根据Ruiz Salas等人和Yilmaz等人,受损部件的维修操作遵循以下不同步骤:
  • 通过三维数字化获取受损零件的几何图
  • 比较标称几何结构和实际几何结构,突出受损区域
  • 修复区域评估和表面处理
  • 材料表征,优化工艺参数
  • 通过CAM软件定义刀轨
  • 受影响区域修复
  • 加工修复区域
  • 修复零件的三维数字化
  • 将修复后的几何图形与原始CAD模型进行比较,以验证修复效果

航空航天领域的LP-DED维修
航空航天部门的特点是使用高性能材料生产的部件,如Ti6Al4V和Inconel,由于制造困难和几何形状复杂,这些部件非常昂贵。通过维修受损部件而不是更换部件来大幅降低成本的可能性是该领域维修应用的驱动力。LP-DED工艺由于其高精度和修复部件中产生的最小变形,允许在尺寸偏差和冶金结合方面获得可接受的结果,因此是航空航天领域的最佳修复工艺。

此外,如Wilson等人在受损涡轮叶片的维修过程中所证明的那样,在航空航天部门使用LP-DED工艺可以减少材料浪费,从而带来环境效益(图3)。工作中,Optomec LENS 750机器用于修复尖端部分受损的316L不锈钢刀片。修复后的叶片显示出良好的结果,相对于标称几何形状,精度约为0.03 mm。此外,生命周期评估(LCA)显示了在维修作业中使用LP-DED过程的有效性。具体而言,当维修量约为10%时,使用LP-DED工艺,与更换新工艺相比,碳足迹改善了45%,总节能约36%。



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△图3 a受损,b修复316L涡轮叶片(横截面图中的尺寸为20 mm × 45mm)。

然而,在航空航天领域,众所周知,零件的质量是优先考虑的;因此,进行了数十项可行性研究并加以应用。因此,学术和工业层面的不同研究人员通过测试工业利益的案例研究,研究了LP-DED工艺修复应用的可行性。例如,Optomec使用LP-DED工艺修复AM355钢T700整体叶盘,该整体叶盘因翼型前缘的侵蚀效应而受损(图4)。通过50000次低周疲劳旋转试验和60000 rpm旋转试验对维修进行了机械验证。

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△图4 a损坏,b修复AM355钢制T700整体叶盘(由Optomec®提供)
Gasser等人阐述了欧洲主要项目之一FANTASIA在涡轮发动机应用维修和维护中使用LP-DED工艺方面取得的主要结果。本项目面临的主要方面是沉积期间的精度。除精度外,结果表明,由于获得的显微结构,沉积材料具有足够的静态和动态特性。


图5a描述了Rene N5 CFM56的受损HPT护罩。修复过程中的挑战是避免冷却孔,避免获得的薄边熔化。为了获得修复后的表面,首先对受损部件进行扫描,然后利用数据生成沉积路径。图5b所示的结果表明,LP-DED可用于修复HPT护罩,稀释度低,精度好,小于0.15 mm。

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△图5激光金属沉积(LMD)工艺前后CFM56 HPT护罩a和b。

Rolls-Royce Deutschland还认证了LP-DED工艺在15种不同维修操作中的使用。图6和图7分别描述了两个最重要的例子。图6显示了使用镍合金生产的BR715 HPT外壳。在运行过程中,该部件的一些特性,如凸台、法兰和托架受到磨损。应用LP-DED技术成功地修复了镍基合金Nimonic PE16的磨损法兰。在此过程中,利用保护气体避免了氧化现象。
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△图 6激光金属沉积工艺修复BR715 HPT表壳法兰。

图7显示了由Ti6Al4V合金制成的BR715 HPC前倾卸装置的阻尼线槽。在此应用中,通过局部修复槽壁来修复部件。该应用程序有两个关键问题。首先,磨损前的墙壁不得受到该过程的影响。此外,有必要考虑工作区域因凹槽几何形状的存在而受到限制。LP-DED流程可以克服这些问题;然而,必须通过优化工艺参数来提高修复零件的质量。例如,Liu等人开展了一项初步工作,以调查LP-DED工艺修复铝合金飞机结构的能力。结果表明,通过合理的工艺参数组合,可以获得良好的无裂纹冶金结合。然而,由于沉积材料和基体之间的弱界面,与基体材料的性能相比,拉伸强度和疲劳寿命都较低。
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△图7采用LP-DED工艺对Ti6Al4V槽壁进行修复,并对修复后的槽壁进行截面分析。

除了工艺参数外,沉积策略也是影响零件质量的另一个因素。Petrat等人优化了沉积策略,以便在铬镍铁合金718燃气轮机燃烧器的维修操作期间将尺寸偏差降至最低,并获得规则的几何形状。Kistler等人修复Ti6Al4V样品,分析了零件厚度、沉积策略、沉积层数量、初始温度和层间停留时间对修复零件质量的影响。结果表明,热影响区主要受零件厚度的影响;特别是,厚零件的特点是相对于薄零件,热影响区较小。孔隙度仅受沉积层数的轻微影响,并随沉积层数的增加而增加。然后,观察到硬度受基体初始温度的影响,温度越高,由于热梯度越小,硬度值越低。

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△堆积物的硬度。
Nowotny等人修复了飞机发动机转子上的钛叶片(图8a)。为了减少氧化,维修过程在封闭的惰性气体室中进行。维修操作的结果如图8b所示。通过选择合适的工艺参数和沉积策略,可以获得完全致密和细晶的微观结构。在拉伸和疲劳强度方面,机械性能至少与基材相当。

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△图8钛合金叶片的a修复操作和b修复叶片的微观结构。

工具和模具的LP-DED维修
在模具和模具的使用过程中,可能会出现不同类型的缺陷,如热裂纹和磨损,因此,它们的使用寿命有限。模具和工具维修过程中最具挑战性的问题之一与生产常用材料的低焊接性有关。此外,由于碳含量和合金元素较高,很容易形成脆性相。通过研究工艺参数和表面预热的影响,使裂纹最小化。

Ren等人为了提高修复操作的准确性和可靠性,将自适应锯齿形刀轨模式与3D对准技术结合使用。建议的维修策略在Spartan Light Metal LLC的模具维修中进行了测试。图9显示了损坏的模具芯(左)、沉积过程后的模具(中)和精加工操作后的模具(右)。在他们的工作中,他们展示了LP-DED工艺用于维修操作的能力;此外,与原始部件和使用焊接技术修复的部件相比,LP-DED生产的部件具有较高的导热性。

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△图9 Spartan Metal LLC模芯a在维修前,b在LP-DED工艺后,c在完成操作后。

除了修复作业的可行性外,许多工作都集中于修复作业的可持续性和环境影响。可持续性和环境影响通过不同的因素进行衡量,如能源消耗、污染、材料浪费、交付周期和成本。这些因素的影响通常通过生命周期分析(LCA)进行调查。从经济角度来看,修复它们的经济优势得到了广泛证明。此外,InssTek股份有限公司维修了一个热锻模(图10),并表明维修后的模具的使用寿命比原始模具高2.5倍。


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△图10 a损坏b修复的热锻模。
Bennett等人修复了一个汽车钢模具,如图11a所示,并表明修复后的模具(如图11b所示)的寿命与原始模具寿命相同。相反,使用传统工艺修复的模具寿命与原始模具寿命相比变化在12.5%到29.2%之间。此外,生命周期评价结果表明,LP-DED修复工艺与传统修复工艺相比,对环境的影响较小。

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△图11 a损坏b修复的汽车模具。

其他部门的LP-DED维修
汽车行业的可持续发展利益正变得越来越重要。钢和灰铸铁是生产汽车部件最常用的两种材料。因此,修复这些部件可能会延长使用寿命。然而,由于这些材料容易形成裂纹,因此不容易修复。在此范围内,进行了研究以优化工艺。例如,Bennett等人使用LP-DED工艺,用316L不锈钢修复灰铸铁柴油发动机部件。图12描述了修复过程前后的组件。使用螺旋沉积策略减少裂纹。此外,在沉积前后,采用预热和后热阶段来控制加热和冷却速度。据观察,修复过程对伸长率值有很大影响。使用传统工艺,延伸率比未受损零件降低约20%;使用LP-DED工艺,延伸率提高约60%。

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△图12灰铸铁柴油机a修前b修后。

由于恶劣的环境条件,海洋部门的组件通常会受到腐蚀、侵蚀和氧化,从而降低运营成本。这些部件通常使用MIG和埋弧等焊接技术进行维修。然而,这些技术导致变形、较大的热影响区和较差的重复性。另一方面,Kampanis和Hauer使用LP-DED工艺修复了长11.2 m、直径650 mm的传动轴,并表明LP-DED是快速、高效和安全维修操作的合适工艺。与冷喷涂、热喷涂、等离子喷涂和电弧焊相反,使用LP-DED工艺时,由于残余应力较低,未观察到裂纹。此外,修复零件的变形非常有限。此外,海洋部门的组件通常具有超过400 mm的巨大尺寸。使用常规维修工艺,如TIG或PWAG,不可能在船上维修这些部件,必须将其运输到车间或实验室,而且这项活动既耗时又昂贵。因此,在不将这些部件从壳体结构中移除的情况下,就地维修这些部件非常重要。KIMI成功修复了船用活塞(图13),证明了LP-DED工艺的经济效益。此外,他们还证明,修复后的部件具有更高的硬度和耐腐蚀性。因此,使用LP-DED工艺,延长了活塞的使用寿命。
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△图13使用LP-DED工艺维修手动黑白活塞。

Koehler等人对船用柴油发动机曲轴进行了维修。采用LP-DED工艺,沉积材料与基材之间获得了良好的冶金结合。图14显示了维修后曲轴的顶视图和底视图。维修宽度约为50 mm,在维修操作期间,证明曲轴的功能方面(如油孔)没有改变或损坏。

△图14采用LP-DED工艺修复曲轴。

LP-DED维修工艺成功应用的另一个重要部门是铁路运输部门。事实上,在其他现象中,钢轨因滚动接触疲劳(RCF)引起的磨损机制而持续受损。

众所周知,修复内部缺陷(如裂纹)比修复外表面的过程更困难。Nowotny等人证明了LP-DED工艺在修复内部缺陷方面的有效性。在他们的工作中,使用一种新型内径沉积头修复了大型火炮身管的腐蚀缺陷。通常,维修操作需要在受损区域加工凹槽。

Pinkerton等人分析了凹槽几何形状对沉积过程的影响。特别是,选择了两种不同的几何形状,即方形和V形。使用H-13工具钢作为材料。结果表明,方形槽的垂直壁是一个问题;事实上,他们屏蔽了粉末流和激光束,因此测量到了更高的孔隙度值。后来,Graf等人在不同的凹槽形状中沉积了不锈钢和钛粉。在他们的研究中,改变了工艺参数,并研究了其对热影响区和微观结构的影响。结果表明,如果凹槽足够大,可以获得无气孔的修复操作。此外,使用低热量输入,在不使用额外惰性气体的情况下沉积钛粉。在他们的研究中使用的沉积策略允许在相邻轨道之间和连续层之间获得恒定的偏移,以及良好的侧壁融合,如图15所示。
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△图15修复操作导致钛部件具有不同的凹槽形状。

Oh等人研究了LP-DED工艺在修复不同槽深的受损316L L-PBF部件方面的适用性。在他们的研究中,通过拉伸试验、硬度测量和观察断口来分析机械性能。结果表明,LP-DED工艺可用于L-PBF部件的修复。然而,对于较大的槽深,由于热残余应力,会出现裂纹。修复后试样的伸长率和强度分别比原L-PBF组分低5%和3%。另一方面,未观察到显微硬度的显著变化。Sun等人使用LP-DED工艺修复316L不锈钢上的T形槽。结果表明,入射能量水平,即激光功率与移动速度之比,对修复件的质量有很大影响。特别是,他们表明,入射能量值过低会导致孔隙;相反,由于热应力,入射能量过大会导致裂纹。


来源:Current research and industrial application of laser powder directed energy deposition, Manufacturing Technology, 10.1007/s00170-021-08596-w

参考文献:Slack N (2013) Brandon-Jones, A., and Johnston, R. Operations management, 7th ed. Pearson, Edinburgh, UK



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