定向能沉積(DED)增材制造:物理特性、缺陷、挑戰(zhàn)和應(yīng)用（一）
時間：2021-12-31 10:00 來源：江蘇激光聯(lián)盟 作者：admin 閱讀：次
導(dǎo)讀：本文講述了DED處理相關(guān)的挑戰(zhàn)，并對該技術(shù)進(jìn)行了關(guān)鍵的展望。關(guān)鍵詞：增材制造(AM)，定向能沉積(DED)，激光工程凈整形(LENS™)，激光-材料相互作用缺陷
定向能沉積（DED）是增材制造（AM）工藝的一個分支，在該工藝中，粉末或金屬絲形式的原料被輸送到同時聚焦激光束、電子束或等離子體/電弧等能源的基板上，從而形成一個小的熔池，一層一層地連續(xù)沉積材料。與其他AM工藝相比，DED具有一些獨特的優(yōu)勢，例如特定位置的沉積和修復(fù)、合金設(shè)計以及復(fù)雜形狀的三維打印。本文綜述了激光-材料相互作用、熔池?zé)嵝袨椤⒃槐O(jiān)測和相互作用機(jī)理等方面的研究進(jìn)展。最關(guān)鍵的加工變量及其對沉積材料性能的影響，以及缺陷形成機(jī)制和表征技術(shù)，也被確定和討論。概述了高端應(yīng)用，當(dāng)前與DED處理相關(guān)的挑戰(zhàn)，并對該技術(shù)進(jìn)行了關(guān)鍵的展望。
介紹
增材制造(AM)，也被稱為三維(3D)打印，被認(rèn)為是構(gòu)成第四次工業(yè)革命(工業(yè)4.0)的12個顛覆性技術(shù)之一。2013年，GE航空公司的生產(chǎn)線采用了金屬AM。2018年，GE航空已經(jīng)生產(chǎn)了超過23000個飛行質(zhì)量的增材部件，并計劃在2020年之前生產(chǎn)10萬個部件。金屬AM市場近年來的增長比聚合物或陶瓷市場快得多。到2027年，航空航天、汽車和能源行業(yè)可能會占據(jù)金屬AM總收入的52%。隨著新的制造技術(shù)的出現(xiàn)，以AM為基礎(chǔ)的維修技術(shù)有望成為實際應(yīng)用。
DED是一組AM過程，在輸入熱量的同時添加材料。熱輸入可以是激光、電子束或等離子弧。原料為金屬粉末或金屬絲。與金屬絲相比，粉末的沉積效率較低，因為只有一部分粉末會被熔化并粘接到基板上(Lee, 2008)。與E-PBF一樣，在DED中的電子束系統(tǒng)需要真空，不會有高的氧化問題和激光系統(tǒng)，另一方面，需要其他方法引入惰性氣體。粉末噴涂設(shè)備通常有惰性氣體與粉末一起從噴嘴吹出，從而覆蓋熔化區(qū)域，降低氧化速率(Gokuldoss等人，2017)。Powder DED系統(tǒng)可以使用單個或多個噴嘴噴射金屬粉末(Mazzucato等人，2017)。使用多個噴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系統(tǒng)的原理圖如上圖所示。
粉末床熔合(PBF)和定向能沉積(DED)是兩種重要的AM工藝，能夠生產(chǎn)出完全致密的金屬零件，適用于不同的工業(yè)應(yīng)用。它們不同的粉末輸送機(jī)制影響工件的復(fù)雜性、支撐要求、材料使用的靈活性和表面粗糙度。2019年，PBF和DED系統(tǒng)在金屬AM市場的收入市場份額分別為85%和8.3%。預(yù)計未來5年，DED技術(shù)的收入份額將增加到11.1%，PBF將下降到63%。在另一份報告中，預(yù)計到2025年，DED市場將達(dá)到近7.55億美元。主要的粉末原料和激光能源DED系統(tǒng)制造商包括Optomec®，Inc.， TRUMPF, BeAM, FormAlloy, DMG MORI, InssTek, Inc.和南京中科瑞昌激光技術(shù)有限公司。帶線材的DED系統(tǒng)制造商包括GKN添加劑和Mazak;WAAM、Norsk Ti Ta nium AS、GEFERTEC GmbH、Prodways Tech和Lincoln Electric(等離子/電弧);Sciaky, Inc.和EvobeAM GmbH。1997年，桑迪亞國家實驗室將激光工程凈整形(LENS™)技術(shù)授權(quán)給Optomec公司(Albuquerque, NM)，這是第一個商業(yè)化的DED工藝之一。
DED，也被稱為吹制粉末AM或激光熔覆，涉及到將金屬粉末引入熱源(如激光)，在沉積過程中熔化金屬顆粒(如上圖)。Wes鈦nghouse電氣公司的Frank Arcella在1988年首次申請了粉末床式金屬3D打印技術(shù)的專利，之后在1997年Johns Hopkins大學(xué)開發(fā)了一種DED技術(shù)，并通過他的公司Aeromet將其商業(yè)化。
由DED制造的零件的質(zhì)量和性能取決于(i) DED技術(shù)的類型(包括原料和熱源的類型);(ii)建造環(huán)境(真空、惰性氣體或環(huán)境);(3)beam-material交互;(4)沉積參數(shù)(主要是激光粉末、激光掃描速度、艙口間距、進(jìn)粉速度、激光掃描策略);(v)原料屬性。此外，在逐層沉積過程中，DED沉積零件暴露在快速、重復(fù)的加熱-冷卻循環(huán)中，會產(chǎn)生獨特的微觀結(jié)構(gòu)特征、非平衡相、凝固開裂、定向凝固、殘余應(yīng)力、氣孔、分層和翹曲。一般來說，由于沉積的方向性，DED樣品在機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)上往往表現(xiàn)出各向異性。因此，熱熔成形過程的熱歷史同時控制著鑄態(tài)零件的宏觀組織和微觀組織，這可能會影響鑄態(tài)零件的機(jī)械性能。通過工藝優(yōu)化、現(xiàn)場監(jiān)測和反饋控制，可以消除或至少顯著減少與金屬AM相關(guān)的一些缺陷，從而實現(xiàn)卓越的組件質(zhì)量。
一些關(guān)于AM調(diào)幅技術(shù)、應(yīng)用和/或材料的廣譜綜述已經(jīng)發(fā)表，而只有少數(shù)專注于DED技術(shù)。這些集中在熱和流體現(xiàn)象，過程參數(shù)圖，優(yōu)化和控制，機(jī)械行為和應(yīng)用。近年來，DED技術(shù)在合金設(shè)計、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)修復(fù)和雙金屬/多材料結(jié)構(gòu)方面取得了顯著的發(fā)展。目前的綜述集中在激光-材料的相互作用，DED的最關(guān)鍵的加工變量，缺陷的形成和表征在沉積材料。本文還對DED的原理、優(yōu)點、缺點和應(yīng)用進(jìn)行了更簡明的總結(jié)，并簡要討論了當(dāng)前的挑戰(zhàn)和未來的方向。
定向能沉積(DED) -原理、優(yōu)點和缺點
本節(jié)簡要總結(jié)了DED的一般原理及其優(yōu)缺點，主要是與PBF相比。這兩種工藝具有互補性而非競爭性，其中DED一方面在新材料的高通量開發(fā)和多種材料的加工方面具有重大優(yōu)勢，另一方面在機(jī)械性能良好的大型近凈形零件的快速制造方面具有重大優(yōu)勢。對不同熱源或不同原料的DED工藝也作了簡要的比較。
DED是一種AM工藝，它高度適應(yīng)于高性能材料的沉積，如不銹鋼、工具鋼、合金鋼、鈦基合金、鈷基合金、鎳基合金、鋁合金、高熵合金、金屬間化合物、形狀記憶合金(SMAs)、陶瓷、復(fù)合材料、功能梯度材料(fgm)。DED使用高能量密度的熱源(激光、電子束或等離子/電弧)聚焦在基材上，形成一個小型熔池，并同時熔化以粉末或金屬絲形式輸送到熔池中的原料材料。當(dāng)熱源向前移動時，沉積的金屬在基板上凝固，形成金屬軌跡。金屬軌道基于預(yù)先定義的艙口間距(即連續(xù)金屬軌道之間的距離)相互重疊。在完成一層后，沉積頭和原料輸送系統(tǒng)向上移動一小段距離(切片厚度)，沉積下一層(圖1b)。因此，所有層的沉積產(chǎn)生了一個三維近凈形狀的組件，類似于計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)模型。在沉積前，利用軟件對三維數(shù)字模型進(jìn)行切片，以指定切片厚度、艙口間距和每一層的沉積路徑。表1根據(jù)一些選擇標(biāo)準(zhǔn)比較了不同熱源下的DED過程。表2比較了粉狀原料和線狀原料的一些特性。
基于能量來源和原料類型，商業(yè)上可用的技術(shù)被稱為激光金屬沉積(LMD)，直接金屬沉積(DMD)，激光固體成形(LSF)， LENS™，定向光制造(DLF)，電子束增材制造(EBAM®)，或線材加電弧增材制造(WAAM)。一些DED技術(shù)，如LENS、DLF和EBAM，將金屬沉積在一個封閉的腔室中，或者在一個可控的氣氛手套箱中，或者在真空下，而DMD和WAAM則使用受控的惰性氣體罩來防止沉積物的氧化。一些DED系統(tǒng)可以同時沉積多種材料，并允許多軸沉積處理合理復(fù)雜的幾何形狀。DED也是一種有用的技術(shù)，用于填充裂縫，改造制造部件，修復(fù)高價值的金屬部件。DED能夠快速儲存大量資料(一般情況下，LENS可儲存0.5 kg/h, WAAM可儲存10 kg/h)，并可儲存巨型工作包封(如: 6 × 1.4 × 1.4 用于現(xiàn)有商用打印機(jī))。
定向能沉積（DED）是增材制造（AM）工藝的一個分支，在該工藝中，粉末或金屬絲形式的原料被輸送到同時聚焦激光束、電子束或等離子體/電弧等能源的基板上，從而形成一個小的熔池，一層一層地連續(xù)沉積材料。與其他AM工藝相比，DED具有一些獨特的優(yōu)勢，例如特定位置的沉積和修復(fù)、合金設(shè)計以及復(fù)雜形狀的三維打印。本文綜述了激光-材料相互作用、熔池?zé)嵝袨椤⒃槐O(jiān)測和相互作用機(jī)理等方面的研究進(jìn)展。最關(guān)鍵的加工變量及其對沉積材料性能的影響，以及缺陷形成機(jī)制和表征技術(shù)，也被確定和討論。概述了高端應(yīng)用，當(dāng)前與DED處理相關(guān)的挑戰(zhàn)，并對該技術(shù)進(jìn)行了關(guān)鍵的展望。
增材制造(AM)，也被稱為三維(3D)打印，被認(rèn)為是構(gòu)成第四次工業(yè)革命(工業(yè)4.0)的12個顛覆性技術(shù)之一。2013年，GE航空公司的生產(chǎn)線采用了金屬AM。2018年，GE航空已經(jīng)生產(chǎn)了超過23000個飛行質(zhì)量的增材部件，并計劃在2020年之前生產(chǎn)10萬個部件。金屬AM市場近年來的增長比聚合物或陶瓷市場快得多。到2027年，航空航天、汽車和能源行業(yè)可能會占據(jù)金屬AM總收入的52%。隨著新的制造技術(shù)的出現(xiàn)，以AM為基礎(chǔ)的維修技術(shù)有望成為實際應(yīng)用。
兩種DED系統(tǒng)的原理圖(A)使用激光和粉末原料，(B)使用電子束和線材原料。
DED是一組AM過程，在輸入熱量的同時添加材料。熱輸入可以是激光、電子束或等離子弧。原料為金屬粉末或金屬絲。與金屬絲相比，粉末的沉積效率較低，因為只有一部分粉末會被熔化并粘接到基板上(Lee, 2008)。與E-PBF一樣，在DED中的電子束系統(tǒng)需要真空，不會有高的氧化問題和激光系統(tǒng)，另一方面，需要其他方法引入惰性氣體。粉末噴涂設(shè)備通常有惰性氣體與粉末一起從噴嘴吹出，從而覆蓋熔化區(qū)域，降低氧化速率(Gokuldoss等人，2017)。Powder DED系統(tǒng)可以使用單個或多個噴嘴噴射金屬粉末(Mazzucato等人，2017)。使用多個噴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系統(tǒng)的原理圖如上圖所示。
粉末床熔合(PBF)和定向能沉積(DED)是兩種重要的AM工藝，能夠生產(chǎn)出完全致密的金屬零件，適用于不同的工業(yè)應(yīng)用。它們不同的粉末輸送機(jī)制影響工件的復(fù)雜性、支撐要求、材料使用的靈活性和表面粗糙度。2019年，PBF和DED系統(tǒng)在金屬AM市場的收入市場份額分別為85%和8.3%。預(yù)計未來5年，DED技術(shù)的收入份額將增加到11.1%，PBF將下降到63%。在另一份報告中，預(yù)計到2025年，DED市場將達(dá)到近7.55億美元。主要的粉末原料和激光能源DED系統(tǒng)制造商包括Optomec®，Inc.， TRUMPF, BeAM, FormAlloy, DMG MORI, InssTek, Inc.和南京中科瑞昌激光技術(shù)有限公司。帶線材的DED系統(tǒng)制造商包括GKN添加劑和Mazak;WAAM、Norsk Ti Ta nium AS、GEFERTEC GmbH、Prodways Tech和Lincoln Electric(等離子/電弧);Sciaky, Inc.和EvobeAM GmbH。1997年，桑迪亞國家實驗室將激光工程凈整形(LENS™)技術(shù)授權(quán)給Optomec公司(Albuquerque, NM)，這是第一個商業(yè)化的DED工藝之一。
在定向能沉積中，將金屬原料以導(dǎo)線(a)或粉末(B)的形式引入到能量源中。
DED，也被稱為吹制粉末AM或激光熔覆，涉及到將金屬粉末引入熱源(如激光)，在沉積過程中熔化金屬顆粒(如上圖)。Wes鈦nghouse電氣公司的Frank Arcella在1988年首次申請了粉末床式金屬3D打印技術(shù)的專利，之后在1997年Johns Hopkins大學(xué)開發(fā)了一種DED技術(shù)，并通過他的公司Aeromet將其商業(yè)化。
由DED制造的零件的質(zhì)量和性能取決于(i) DED技術(shù)的類型(包括原料和熱源的類型);(ii)建造環(huán)境(真空、惰性氣體或環(huán)境);(3)beam-material交互;(4)沉積參數(shù)(主要是激光粉末、激光掃描速度、艙口間距、進(jìn)粉速度、激光掃描策略);(v)原料屬性。此外，在逐層沉積過程中，DED沉積零件暴露在快速、重復(fù)的加熱-冷卻循環(huán)中，會產(chǎn)生獨特的微觀結(jié)構(gòu)特征、非平衡相、凝固開裂、定向凝固、殘余應(yīng)力、氣孔、分層和翹曲。一般來說，由于沉積的方向性，DED樣品在機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)上往往表現(xiàn)出各向異性。因此，熱熔成形過程的熱歷史同時控制著鑄態(tài)零件的宏觀組織和微觀組織，這可能會影響鑄態(tài)零件的機(jī)械性能。通過工藝優(yōu)化、現(xiàn)場監(jiān)測和反饋控制，可以消除或至少顯著減少與金屬AM相關(guān)的一些缺陷，從而實現(xiàn)卓越的組件質(zhì)量。
一些關(guān)于AM調(diào)幅技術(shù)、應(yīng)用和/或材料的廣譜綜述已經(jīng)發(fā)表，而只有少數(shù)專注于DED技術(shù)。這些集中在熱和流體現(xiàn)象，過程參數(shù)圖，優(yōu)化和控制，機(jī)械行為和應(yīng)用。近年來，DED技術(shù)在合金設(shè)計、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)修復(fù)和雙金屬/多材料結(jié)構(gòu)方面取得了顯著的發(fā)展。目前的綜述集中在激光-材料的相互作用，DED的最關(guān)鍵的加工變量，缺陷的形成和表征在沉積材料。本文還對DED的原理、優(yōu)點、缺點和應(yīng)用進(jìn)行了更簡明的總結(jié)，并簡要討論了當(dāng)前的挑戰(zhàn)和未來的方向。
定向能沉積(DED) -原理、優(yōu)點和缺點
本節(jié)簡要總結(jié)了DED的一般原理及其優(yōu)缺點，主要是與PBF相比。這兩種工藝具有互補性而非競爭性，其中DED一方面在新材料的高通量開發(fā)和多種材料的加工方面具有重大優(yōu)勢，另一方面在機(jī)械性能良好的大型近凈形零件的快速制造方面具有重大優(yōu)勢。對不同熱源或不同原料的DED工藝也作了簡要的比較。
DED是一種AM工藝，它高度適應(yīng)于高性能材料的沉積，如不銹鋼、工具鋼、合金鋼、鈦基合金、鈷基合金、鎳基合金、鋁合金、高熵合金、金屬間化合物、形狀記憶合金(SMAs)、陶瓷、復(fù)合材料、功能梯度材料(fgm)。DED使用高能量密度的熱源(激光、電子束或等離子/電弧)聚焦在基材上，形成一個小型熔池，并同時熔化以粉末或金屬絲形式輸送到熔池中的原料材料。當(dāng)熱源向前移動時，沉積的金屬在基板上凝固，形成金屬軌跡。金屬軌道基于預(yù)先定義的艙口間距(即連續(xù)金屬軌道之間的距離)相互重疊。在完成一層后，沉積頭和原料輸送系統(tǒng)向上移動一小段距離(切片厚度)，沉積下一層(圖1b)。因此，所有層的沉積產(chǎn)生了一個三維近凈形狀的組件，類似于計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)模型。在沉積前，利用軟件對三維數(shù)字模型進(jìn)行切片，以指定切片厚度、艙口間距和每一層的沉積路徑。表1根據(jù)一些選擇標(biāo)準(zhǔn)比較了不同熱源下的DED過程。表2比較了粉狀原料和線狀原料的一些特性。
圖1 (a)從材料設(shè)計到修復(fù)再到應(yīng)用，DED相對于PBF的關(guān)鍵優(yōu)勢示意圖。(b) DED中微觀結(jié)構(gòu)、多界面、熱循環(huán)、缺陷和殘余應(yīng)力;(c)注入粉末、激光束和熔池之間的相互作用，在某些情況下導(dǎo)致熔池中形成小孔。
表1
不同熱源下DED工藝的比較。構(gòu)建量是指主體流程可以處理的組件的相對大小。細(xì)節(jié)分辨率指的是流程創(chuàng)建小特征的能力。沉積速率是指生產(chǎn)一定質(zhì)量的產(chǎn)品的速率。耦合效率是指能量從能量源轉(zhuǎn)移到基材的效率，潛在污染是指在部件內(nèi)夾帶污垢、氣體和其他可能污染物的可能性。
表2 粉末原料與線材原料的DED過程。
基于能量來源和原料類型，商業(yè)上可用的技術(shù)被稱為激光金屬沉積(LMD)，直接金屬沉積(DMD)，激光固體成形(LSF)， LENS™，定向光制造(DLF)，電子束增材制造(EBAM®)，或線材加電弧增材制造(WAAM)。一些DED技術(shù)，如LENS、DLF和EBAM，將金屬沉積在一個封閉的腔室中，或者在一個可控的氣氛手套箱中，或者在真空下，而DMD和WAAM則使用受控的惰性氣體罩來防止沉積物的氧化。一些DED系統(tǒng)可以同時沉積多種材料，并允許多軸沉積處理合理復(fù)雜的幾何形狀。DED也是一種有用的技術(shù)，用于填充裂縫，改造制造部件，修復(fù)高價值的金屬部件。DED能夠快速儲存大量資料(一般情況下，LENS可儲存0.5 kg/h, WAAM可儲存10 kg/h)，并可儲存巨型工作包封(如: 6 × 1.4 × 1.4 用于現(xiàn)有商用打印機(jī))。
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