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作者： bitpie钱包官网

2024-03-07 18:08:29

PBF与DED：您应该选择哪种金属3D打印工艺？(深度) - 知乎

PBF与DED：您应该选择哪种金属3D打印工艺？(深度) - 知乎切换模式写文章登录/注册PBF与DED：您应该选择哪种金属3D打印工艺？(深度)Jack Lee未知大陆CEO、未知资本创始合伙人、深耕科技领域在增材制造中，金属与塑料一样是使用最广泛的材料之一。这种材料的特性使其适用于要求最苛刻的市场，包括高性能应用。在本文中，我们比较了两种主要的金属3D打印工艺：激光粉末床熔合 (L-PBF) 和定向能量沉积 (DED)。我们将研究每种技术的特性、最常见的应用和领先的制造商，突出它们的异同。首先简要介绍一下，PBF 包含几种涉及使用粉末床的增材制造工艺，无论是塑料、陶瓷还是金属。您可能已经猜到了，今天我们将重点关注金属。这个过程可以使用激光或电子束作为能源，例如电子束熔化（EBM），由制造商Arcam于2002年推出。但是，为了更直接地比较，我们将只关注以下过程：使用激光作为热源。根据不同制造商的名称，该过程也有其他名称，例如 DMLS，这是金属3D打印领域的领导者 EOS 于 1994 年获得专利的术语。该首字母缩写词来自德语“Direkt Metall Laser Schmelzen”，翻译成英文为直接金属激光熔化。它也可以称为 SLM for Selective Laser Melting，这是弗劳恩霍夫研究所于 1995 年引入的术语。PBF过程相比之下，DED 是一种比其他金属粉末床技术更新的方法。它知名的时间更长，但直到最近十年才真正发挥作用。该工艺使用粉末或线材形式的材料，在直接沉积到零件上的同时通过直接能源熔化。该工艺以其修复和/或涂覆大型金属物体的能力而闻名。 DED 技术可以使用不同的能源，例如激光、等离子或电子束。例如，WAAM（Wire Arc Additive Manufacturing）技术就属于这一类。因此，比较 PBF 和 DED 过程并不容易，因为它们是两种截然不同的技术。因此，我们将尝试了解它们是如何工作的、它们有何不同以及它们如何互补。金属PBF和DED如何工作？两者之间最大的相似之处之一在于3D打印中必须发生的一些设定步骤。值得注意的是，3D打印过程总是从使用 CAD 软件创建待打印对象的3D模型开始。然后切片机以数字方式逐层切割零件。现在让我们从 PBF 开始：用惰性气体加热腔室以达到理想温度（对于 EBM 工艺，这必须在真空中进行）。然后在板上涂上一层薄薄的粉末，同时将其加热到约 300/400°C 的温度。然后，激光有选择地熔化金属颗粒并将其固化。一层完成后，托盘向下移动，允许添加另一层粉末。重复该过程，直到获得成品零件。准备好后，必须让其冷却。然后去除周围的松散金属粉末以及 PBF 几乎总是需要的印刷支撑。强烈建议使用它们，尤其是第一层，以在不影响零件的最终几何形状和属性的情况下将零件固定在印刷板上。最后，金属零件经过各种后处理过程，我们将在专门的部分中详细介绍。就 DED 而言，它可以被认为是挤压和 PBF 的混合体。事实上，这项技术制造的零件具有集中的能源来熔化材料。打印头被送入粉末或金属丝，喷嘴逐层沉积所用金属。金属在离开喷嘴时熔化到要修复的底座或部件上。重复该过程，直到达到先前通过 CAD 软件设计的3D模型。用激光进行DED工艺DED 3D打印机是工业机器，可以使用三种可能的能源：激光、电子束和等离子。根据所选能源的类型，3D打印机将拥有不同的环境。请注意，大多数DED机器都是大型工业机器，需要封闭且受控的结构才能运行。对于激光系统，活性金属需要一个完全惰性的腔室。这需要大量的气体和时间才能达到所需的氧气水平。对于电子束，该过程必须在真空中进行，以避免电子与空气分子相互作用或被空气分子偏转。最后，当使用等离子体作为能源时，材料在惰性氩气环境中精确熔化。该过程每秒被监控 600 多次以确保质量。PBF和DED的优点和局限性金属粉末床熔合是生产可直接使用的最终零件的最广泛使用的技术之一，与 DED 不同，后者更多地用于修复、涂层或添加定制零件。综观这两种技术，两者都有优点和局限性。金属激光融合的主要优势在于它可以制造出几何复杂度高的零件。此外，当与拓扑优化相结合时，该技术可以用更少的材料制造更轻的金属部件，这在汽车和航空航天等行业至关重要。另一方面，DED 技术非常适合加工具有高机械性能的大型金属零件。 DED 3D打印机由放置在多轴机械臂（可以有四个或五个）上的喷嘴组成，可实现高打印自由度和大打印量。就生产时间而言，打印速度高达 5 kg/h 的材料沉积工艺是最快的工艺之一。根据美国3D打印机制造商 Optomec 的说法，DED 比 PBF 快 10 倍。这是一个优点，但在零件精度方面也是一个缺点，因为更高的打印速度需要更大的层厚度（在 5 到 10 毫米之间），因此零件的渲染精度较低。另一方面，PBF 具有非常薄的层（低至 0.02 毫米），激光逐点作用于零件，这会延长生产时间但会提高细节水平。拓扑优化可使3D打印金属部件更轻就零件尺寸而言，DED 有利于生产大型产品，其中粉末床融合受板尺寸限制。应该注意的是，可以使用 PBF 制造的最大零件不大于一米，而 DED 提供了在几米的大表面上工作的可能性。然而，这两种技术都具有环境优势。对于融合，在某些情况下，对于某些金属，未加工的粉末可以重复使用，因为新粉末可以与旧粉末混合。另一方面，DED 在其制造过程中使用的材料较少，尽管该过程确实需要机械加工技术来去除零件上的材料。尽管如此，与传统的施工方法相比，这两种技术都有助于减少废物。从更“实际”的角度来看，PBF 技术不适合大规模生产，因为与 CNC 加工相比，它的成本太高。因此，它更适合用于需要特定或定制几何形状的小批量生产，例如假牙。最后，与 DED 相比，PBF 打印中使用的材料量对生产成本的影响也更大。至于材料沉积技术的局限性，它不允许生产具有复杂几何形状的零件。 DED 将用于形状简单的零件。然而，组件的大尺寸也会对价格产生影响。机器本身的成本非常高，即使该过程仍然比 PBF 便宜。最后，这两种技术还需要进行大量增加成本的后处理步骤。我们将在本文后面更详细地讨论这个问题。采用DED技术的3D打印火箭以金属为主要材料材料的选择对这两种技术都有重大影响，因为它代表了每个过程的主要成本。对于 PBF，腔室需要充满金属粉末来打印零件，而对于 DED，零件越大，需要的材料就越多。总的来说，激光融合提供了广泛的兼容金属选择，但有些金属至今仍然不兼容，例如非常适合焊接的高碳钢或高硅铝。当需要特定材料时，这可能是一个限制因素。然而，该工艺可以使用金属和合金，例如不锈钢、钴铬合金、铝（主要用于航空航天和汽车工业）、钛（特别适用于医疗领域）、铬镍铁合金和铜。也可以使用金、铂和银等贵金属。对于 DED 技术，可以在金属和陶瓷之间进行选择；这里我们主要关注前者。事实上，陶瓷很少被使用，因为它们实施起来很复杂并且只与激光能源兼容。目前与这些工艺兼容的金属种类繁多许多粉末或细丝形式的金属也可用于 DED 技术。与 PBF 技术不同，直接能量沉积通常允许使用所有可焊接材料，例如钛和钛合金、铬镍铁合金、钽、钨、铌、不锈钢和铝。在这种情况下，重要的是熔化温度高于腔室温度，因此该过程需要对每种材料进行不同且受控的程度。PBF和DED的应用这两种技术都可以用于广泛的应用和领域。这两种工艺之间的主要区别在于粉末沉积和激光处理的方式，以及这些工艺的用途。在 PBF 技术的情况下，它们用于航空航天、汽车、医药甚至珠宝等要求苛刻的行业。例如，对于 DED 技术，主要应用包括大型零件的修复。如果我们以航空航天领域为例，典型的应用示例是修理涡轮螺旋桨、阀门或各种工具。也可以使用不同的粉末或将材料（例如钢和铸铝）结合起来以焊接电动机电池。然而，PBF 技术不允许加入粉末，因为它们会混合并且无法使用。然而，航空航天业仍然可以从其优势中受益，特别是对于复杂的定制零件或端件的生产。PBF 零件的精度和质量也使其特别适合汽车行业的最终用途，将3D打印零件集成到汽车中，例如油分离器、底盘或发动机部件。如上所述，它还可以与贵金属一起使用来制作珠宝或配饰。对于医疗领域，这项技术提供了为每个患者定制的详细植入物的可能性，例如金属颅骨植入物或牙冠。PBF技术使定制医疗植入物的生产成为可能与 PBF 一样，DED 工艺也用于医疗领域，以生产骨科植入物、手术器械和假肢。一些金属，例如钛或不锈钢，甚至具有生物相容性。这意味着它们可以被植入体内而没有免疫系统过敏反应的风险。最后，材料沉积还用于各类部件的金属保护涂层。这使得零件更硬，更耐腐蚀、防锈、耐化学品或耐候。其他行业也受益于这些技术，例如石油和天然气行业的压力容器等应用，可以用 DED 生产，以及海事和国防行业，例如用于组件的生产。此外，在复杂零件的情况下，可以以互补的方式使用这两种技术，以便在最短的时间内获得尽可能详细的混合零件。例如，正如 Irepa Laser 增材制造应用和开发经理 Didier Boisselier 所解释的那样，Irepa Laser 为国防部门生产了一种混合金属部件。该零件内部几何复杂度高，需要对内部零件使用PBF，而对外部零件使用DED技术来加快处理速度。DED用于具有简单几何形状的部件后处理的不同阶段虽然采用这两种技术制造的零件提供了高性能零件，即可以通过最严苛测试的超级合金产品，但要达到这样的结果，这两种工艺都需要更多的后处理步骤，这也增加了成本。例如，表面光洁度很重要，尽管程度不同。事实上，在 PBF 的情况下，有必要对表面进行处理以使其更光滑，因为零件看起来有颗粒感。使用 DED，您将获得表面不完美的零件，因为材料在挤压过程中直接熔化。因此，CNC 加工步骤始终是获得更明确和光滑的表面所必需的。此外，金属在这两个过程中的快速加热和冷却都会导致内应力的积累。热处理可以减轻这些应力，提高硬度、延伸率、疲劳强度等机械性能。对于金属激光熔合，需要去除多余的粉末和基体。这可以手动、机械或通过电火花线切割完成。接下来是表面精加工，其中可以添加抛光或 CNC 工艺以提高零件的美感。对于 DED，铣削 (CNC) 零件是完成零件的重要步骤。由于零件尺寸大，这很耗时并且需要大量投资。一般来说，后处理金属零件最常用的技术是热等静压 (HIP)，它可以去除任何残留的内部微孔并完全固化零件，以及退火，这是一种用于提高零件机械性能的热处理选项将其加热到高温，然后迅速冷却。金属的表面处理方法包括干法电解抛光、喷砂等。必须移除3D打印支架应该记住，对于 DED 和 PBF，不可能定义一个单一的后处理过程，这将取决于零件的尺寸、使用的金属（例如，钛等材料需要特定的、甚至更昂贵的处理），生产的零件类型和每个特定行业所需的规格。主要厂商如今，许多制造商都提供粉末床激光熔化机。在主要厂商中，我们可以提到金属 3D 打印领域的主要参与者 EOS，如今它仍然是 DMLS 3D 打印机的主要制造商之一。我们不要忘记 3D Systems，它于 2013 年收购了法国品牌 Phenix Systems，以扩展到金属增材制造领域。它的过程被称为 DMP for Direct Metal Printing。其他提供金属激光融合打印机的公司包括英国公司 Renishaw 或德国制造商 SLM Solutions——尽管这份清单并不详尽。专注于激光 DED 机器的制造商包括 AddUp，该公司于 2018 年收购了市场领先的 DED 机器制造商之一 BeAM。该公司还提供两种 L-PBF 解决方案。 American Optomec 也是领先企业之一，其专利 LENS 工艺于 1998 年推向市场。如今，该公司拥有不少于七种解决方案。制造商 FormAlloy、DMG Mori、InssTek、Relativity 和 Meltio 也值得一提。后者声称提供市场上最便宜的 DED 机器。最后，其他公司提供这两种解决方案，例如德国公司 Trumpf 或意大利公司 Prima Additive，后者为铜和反射金属提供双激光或绿激光选项。虽然还有很多。价格如前所述，DED和PBF 3D打印机之间的价格很高，但并不相同。事实上，定向能量沉积工艺可以被认为比粉末床融合工艺便宜大约 5 倍。虽然很难给出确切的数字。制造商不会在线披露其产品的价格，成本可能会因用户操作3D打印机的方式而异。它还取决于买家是否也想从后处理解决方案或特定材料中受益。无论如何，很难在该类别中找到一台价格低于 80,000 美元的金属机器。一些3D打印机甚至可能高达近 1,000,000 美元。谈到粉末床激光聚变解决方案，起价可达 200,000 美元。考虑 3D Systems 的 DMP Flex 350，估计约为 575,000 美元，或 DMP Factory 350，最高可达 763,000 美元。对于 DED 系统，当考虑更复杂的解决方案时，价格可能会大幅上涨，例如 DMG MORI 的 LASERTEC 6600 DED 混合机床，它将 DED 技术和减材加工结合到一个解决方案中。它的估计成本是最高的之一，在150 到 300 万美元之间。发布于 2023-03-16 21:15・IP 属地北京3D 打印3D 打印机金属3d打印赞同 3添加评论分享喜欢收藏申请

定向能沉积（DED）增材制造：物理特性、缺陷、挑战和应用（1）|合金|涂层|金属|材料_网易订阅

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定向能沉积（DED）增材制造：物理特性、缺陷、挑战和应用（1）

2022-05-18 15:57:25　来源: 江苏激光产业产业创新联盟

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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。本文为第一部分。摘要定向能量沉积（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/电弧等能量源的基板上，从而形成一个小熔池并逐层连续沉积材料。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、合金设计和复杂形状的三维打印。在此，对近年来的进展以及在DED过程中控制激光与材料相互作用的主要方面、熔池热行为、先进的原位监测和相互作用机制进行了评述。还确定并讨论了最关键的工艺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。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。介绍增材制造（AM），也称为三维（3D）打印，已被确定为构成第四次工业革命（工业4.0）的12项颠覆性技术之一。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23000多个飞行质量附加部件，并计划到2020年生产100000个部件。近年来，金属AM市场的增长速度远远快于聚合物或陶瓷市场。到2027年，航空航天、汽车和能源行业可能占总收入的52%。预计基于AM的维修将与新的制造技术一起作为实际应用出现。粉末床聚变（PBF）和定向能沉积（DED）是两种重要的AM工艺，能够为不同的工业应用生产完全致密的金属零件。它们不同的粉末输送机制影响零件的复杂性、支撑要求、材料使用的灵活性以及沉积零件的表面粗糙度。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%。预计在未来五年内，DED技术的收入份额将增至11.1%，而PBF将降至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。粉末床聚变激光工艺。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）；（iii）梁-材料相互作用；（iv）沉积参数（主要是激光粉末、激光扫描速度、舱口间距、送粉速度、激光扫描策略）；和（v）原料属性。此外，在逐层沉积过程中，DED沉积零件会经历快速重复的加热-冷却循环，从而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样品通常在力学性能和非均匀微观结构方面表现出各向异性。因此，DED工艺的热历史控制着宏观组织和微观组织，这可能会影响沉积零件的机械性能。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，从而实现优异的部件质量。带热监测的吹塑粉末直接激光沉积（DLD）。一些关于金属AM的广谱评论集中在AM技术、应用和/或材料上，而只有少数专门讨论DED技术。这些课程的重点是热和流体现象、工艺参数图、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重大发展。本文综述了激光与材料的相互作用、电沉积器件最关键的加工变量以及沉积材料中缺陷的形成和表征。为了完整起见，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。DLD期间带熔池的热影响区（HAZ）。熔池（或熔池）是靠近激光/材料界面的过热熔融金属区域，通常为以横向速度移动的球形液滴。如上图所示，它位于热影响区的顶部，热力学不稳定——由于周围的传热和液/固相互作用（在壁面和由于吹出的粉末），它的形状和内能可以调整。金属粉末被吹入其中，而激光通过能量转移确保其生存。由于熔池是固体零件的起始，其形态、温度和润湿行为在质量控制中至关重要。成品零件的尺寸公差和微观结构特征，以及残余应力的存在，取决于DLD过程中的熔池行为和形状。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，主要与PBF进行了比较。从另一方面来说，具有高机械性能的多功能材料和多功能材料的快速生产能力是两个相互竞争的优势。还对不同热源或不同原料的DED工艺进行了简要比较。DED是一种AM工艺，非常适用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（SMA）、陶瓷、复合材料和功能梯度材料（FGM）。DED使用高能量密度热源（激光、电子束或等离子/电弧），聚焦在基板上，形成一个小熔池，同时熔化以粉末或金属丝的形式输送到熔池中的原料。随着热源向前移动，沉积的金属在基板上固化，形成金属轨道。金属轨道根据预定义的图案填充间距（即连续金属轨道之间的距离）相互重叠。沉积完成后，将沉积层（图1b）向上移动至下一层（图1b）。因此，所有层的沉积产生一个3D近净形状组件，类似于计算机辅助设计（CAD）模型。沉积前，使用软件对3D数字模型进行切片，以指定切片厚度、图案填充间距和每层中的沉积路径。图1 （a）从材料设计到维修再到应用，DED相对于PBF的关键优势示意图。（b）微观结构、多界面、热循环、缺陷和残余应力，以及（c）DED中注入的粉末、激光束和熔池之间的相互作用，在某些情况下会导致熔池中形成小孔。根据能源和原料类型，商用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®）或导线加电弧增材制造（WAAM）。一些DED技术，如透镜、DLF和EBAM，将金属沉积在带有受控大气手套箱或真空的密闭室内，而DMD和WAAM使用受控惰性气体保护罩来防止沉积物氧化。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也是填补裂纹、改装制造零件和修复高价值金属零件的有用技术。由美国3D系统公司开发的ProX 200直接打印的金属零件。一些国际标准已经适用于DED工艺。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、复合材料和功能梯度材料；（3）沉积态零件的静态和动态力学性能通常优于PBF沉积零件；（4）零件特性可局部调整；（5）在一台机器上打印完整零件或局部特征、涂层或维修；（6）高沉积速率；（7）与PBF相比，部件可能更大；（7）与传统制造工艺相比，设计自由度通常较高；（8）与其他AM流程相比，高技术准备水平（TRL）或制造准备水平（MRL）；（9）有些DED机器是混合的，即它们允许增减材制造；（10）可以在非水平表面上进行AM；（11）与使用激光的PBF相比，使用激光的DED使用的粉末粒度更大（既有成本优势，也有安全优势）；（12）当使用带有送丝、电子束能量源和真空室的DED系统时，在零重力环境下进行空间打印是可能的。用Sciaky的EBAM™制作的大钛部件（72英寸长）。DED工艺有以下缺点：（1）局部温差会导致收缩、残余应力和变形；（2）与使用激光束的PBF相比，它们的尺寸分辨率（有时精度）较低，表面波纹度较大；（3）在吹制粉末系统中，与激光束PBF相比，获得了更高的表面粗糙度；（4）零件的复杂性可能会受到限制，尤其是在限制在三个自由度的机器中；（5）通常需要进行制造后加工；（6）与PBF相比，粉末效率和粉末可回收性更低，尤其是在打印粉末混合物时。图1a显示了从材料设计到修复再到应用，DED相对于PBF的关键优势示意图。涉及先进材料设计到结构、功能和生物医学领域应用的研究领域只能使用基于DED的金属和多材料AM。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，它独特的功能还可以在多个领域实现应用。图2显示了DED技术在制造大型结构、修复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，然后进行表面处理。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）。图2 DED在大型零件制造、维修和涂层中的应用。（a）多种修复和沉积策略。（b）大型管状结构的修复。（c）钛上的钽涂层，除了在体外提高生物活性外，还显示出强大的结合力。（d）钛表面的磷酸钙涂层可提高生物活性（e）为航空航天应用而制造的大型火箭喷管。（f）硬质金属碳化物涂层，金刚石增强，用于刀具应用。这是通过在DED中使用计算机控制的沉积头来完成的，以根据被修复零件的CAD文件沉积材料。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体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，因此可以通过扩散界面获得良好的冶金结合。由于快速冷却速度和高热梯度，后热处理有时用于降低残余应力。最后，完成表面修整以满足必要的公差。图2e显示了NASA的半比例尺1.016 米高，RS25火箭喷管内衬，内置30毫米，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，并且通常是传统制造中的大规模多步骤工艺。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。然而，由DED和传统纯帽涂层制成的钛帽涂层的生物相容性改善几乎相同。图2f展示了切削刀具应用中的含金刚石粉尘的金属碳化物硬质涂层。这些涂层没有大面积开裂，显示出多个增强相，并且在铝和AM钛的加工中发现有用。上述所有涂层均已应用于通过传统方法制造的零件。然而，DED的新颖之处在于，它能够通过使用保持强冶金结合的涂层，在成品表面沉积沉积物，以改善现场特定性能。图3显示了DED工艺的其他两个关键应用领域:合金设计和多材料结构。传统方法的合金设计需要广泛的高温能力和大量的原材料。使用DED，可以在受控环境下以组合方式沉积多种合金，在短时间内向下选择有前景的成分进行进一步分析。使用一个多料斗的DED系统和一个程序化的粉末输送系统，即使是一个单一的部件，也可以从部件的一端到另一端以不同的成分制成，这是一个经典的多材料成分分级结构。这样的选择使DED机器几乎成为冶金学家提出具有特定场地性能的结构的理想工具。图3 DED在合金设计和多材料结构中的应用。（a）使用DED处理多材料结构的概念。（b）成分设计的铝合金块，相对密度>99%。（c）由铬镍铁合金718和GR-Cop84（铜合金）通过透镜加工而成的双金属结构火箭喷管壁的热导率增加。（d）具有不同金属和陶瓷区域的交替钛铌碳化物结构，用于定向热/结构应用。（e）采用透镜加工的双金属不锈钢结构显示了磁性（430SS）和非磁性（316SS）钢的不同区域。图3a显示了由Cr–Mo–V热加工工具钢和Ni基马氏体时效钢组成的~ 500 μm厚FGM结构块的激光金属沉积(LMD)。图3b显示了铝合金块的LENS™沉积。最近的一项研究表明，由于镁的选择性蒸发，DED处理的Al 5xxx合金在印刷状态下的化学成分从Al 5083原料变为Al 5754，这是一个典型的挑战，需要在许多合金元素熔点不同的系统中加以考虑。图3c为在Inconel 718上沉积的高温铜合金GRCop-84，其界面具有冶金性强的特点，增强了该合金的导热性。图3e显示了LENS™沉积的钢管，其成分从磁性铁素体不锈钢(SS) 430到非磁性奥氏体不锈钢316不等。这些示例突出了几个独特的领域，在这些领域中，除了根据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发挥了重要作用。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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什么是激光熔覆？重要事实和新技术创新 - 知乎

什么是激光熔覆？重要事实和新技术创新 - 知乎切换模式写文章登录/注册什么是激光熔覆？重要事实和新技术创新上海多木实业有限公司等离子焊接专家，堆焊熔覆。什么是激光熔覆？重要事实和新技术创新。激光熔覆是一种定向能量沉积 (DED) 技术。它也称为激光堆焊，当用于增材制造时，称为激光金属沉积 (LMD) 或定向激光金属沉积 (DLMD)。这些是本质上相同技术原理的许多名称：激光熔化金属合金层并将其粘合到基板组件或先前沉积的层上。激光熔覆层完全致密，采用冶金结合，底层金属材料的稀释度极低。热量输入最小，并且添加的材料被精确和选择性地应用。因此，激光熔覆是一种高质量的堆焊。为什么激光熔覆是当今重要的制造技术？激光熔覆通过生成防止磨损和腐蚀的保护层来提高工业产品的性能。它有助于节省自然资源，因为工程师可以选择使用通用贱金属合金设计零件。然后将高合金材料局部激光熔覆到组件上，以产生所需的性能特征。激光熔覆也是一种用于将高价值部件恢复和再制造成原始几何形状的技术。除了简单地修复零件的形状外，还可以通过选择具有比原始部件更好的耐磨特性的添加剂材料来提高使用寿命和性能。激光熔覆贵吗？激光熔覆技术最早是在 30 多年前由丰田公司开发的汽车阀座熔覆技术、通用电气公司的喷气发动机涡轮叶片和卡特彼勒公司的土方设备等。直到 2000 年代，激光熔覆通常被认为是“最后的手段”技术。这种看法主要是由于激光机器的高投资和运营成本。现代固态激光器的进步，效率更高，通过光纤耦合光束传输实现机器人集成，显着降低了成本，并为激光熔覆创造了范式转变。今天，成本效益考虑有利于激光熔覆，并且应用范围在许多行业领域呈指数增长。激光熔覆的主要特点是什么，该工艺与 HVOF 喷涂和 PTA 焊接相比如何？该技术最著名的特点是其高精度和低热影响。因此，对激光熔覆附近部件的几何特征的影响很小甚至没有影响。与其他堆焊技术相比，二次精加工工作较少。覆盖层的目标特性通常只需一层即可实现，而其他工艺的更高稀释度则需要两层或更多层。相比之下，HVOF 或高速氧燃料喷涂是一种在相对较大的区域上产生与基材机械结合的薄涂层的工艺。该包层包含一定程度的空隙和微裂纹。它的应用通常更便宜，但不能提供与激光涂层相同的粘合和弯曲强度。PTA堆焊类似于激光熔覆。主要区别特征是等离子火焰熔化基材和添加剂材料，而不是能量密度更高的激光束。因此，与激光熔覆相比，加热和冷却时间更慢，总热量输入更高。这种热输入导致焊缝更深入地渗透到基材中并稀释了包层。虽然这三种技术在现代制造中都是必不可少的，但激光熔覆在关键部件中的普及度正在迅速增长。其卓越的熔覆层特性和减少二次精加工工艺的工作量使其成为许多高端工业应用的经济高效选择。激光熔覆的最新创新是什么？激光熔覆的最新创新主要集中在提高工艺生产率的同时保持大部分核心特性：热丝激光熔覆在工艺中引入了预热的金属丝。因此，更多的激光能量可用于以增加的进给速率熔化基材。高速激光熔覆 (EHLA) 在到达基材之前将激光束中的添加剂粉末完全熔化。熔融粉末通过热传导与固体基材熔合。“大光斑”激光熔覆是一种增加工件上激光光斑尺寸的工艺，以允许使用更多的激光功率，而不会过度熔化基材并增加稀释度。使用同轴激光束进行激光熔覆，将添加材料（通常是金属丝）垂直于工件送入。激光围绕导线同轴投射。使用这种方法，可以独立于行进方向存在一致的处理条件。该技术的发展主要集中在 3d 激光金属沉积上。什么是典型的激光熔覆金属合金？激光熔覆具有适用于该技术的多种金属合金。流行的激光熔覆合金包括镍基和钴基超合金，例如 Inconel 625、Inconel、Stellite 6、Stellite 21，或不锈钢，例如 SS316 或 SS17-4。也可以使用与原始材料相同或相似的合金进行激光再加工。在激光熔覆过程中如何检查和维护质量？激光熔覆工艺有几个关键的输入参数。特别重要的是基础材料、粉末或金属丝合金制备以及激光/机器设置。我们的焊接工程师和经过认证的焊接检查员准备了一份焊接工艺规范 (WPS) 供客户审查，其中包含设置和激光熔覆的关键参数，以确保高质量和可重复的工艺。WPS 符合 LWS 或 ASME Section IX 标准。此外，我们还提供来自挪威船级社 (DNV)、美国石油协会 (API) 等外部审计公司的审查和资格认证。激光焊接解决方案利用多个过程控制和监控系统，确保最高质量的激光熔覆工艺。概括随着我们努力节省自然资源和降低生命周期成本，激光熔覆是当今新兴的现代制造技术的一个例子。该工艺允许工程师仅在部件的选定几何形状中使用昂贵的高合金材料，从而有助于降低成本。如今，许多公司也在选择激光技术来修复 OEM 工业零件，同时改善磨损和腐蚀关键特性。发布于 2022-05-25 22:06新技术创新赞同添加评论分享喜欢收藏申请

定向能量沉积（DED）中本征热处理镍基高温合金 - 知乎

定向能量沉积（DED）中本征热处理镍基高温合金 - 知乎首发于增材制造切换模式写文章登录/注册定向能量沉积（DED）中本征热处理镍基高温合金冠达已认证账号在定向能量沉积(DED 中，轨道的重叠区域以及上下相邻沉积层都将经历二次或多次加热和冷却。从本质上讲，这种时间加温度的循环类似于热处理工艺，因此被称为本征热处理 (IHT)。本征热处理 (IHT)会导致成品部件的微观结构、机械性能、残余应力等产生一些变化。既然在3D打印中，本征热处理 (IHT)无法避免，那么合理的利用才是王道。数日前工号002介绍了通过扫描间距控制形状记忆合金NiTi微观结构，那项研究就引入了本征热处理的方法。如何利用本征热处理 (IHT)？工号002挑选了一个常用且有代表性的合金，镍基高温合金Inconel 625为例来介绍。这项实验是合肥工业大学2022年10月刚刚完成并发布的。目前增材制造镍基高温合金Inconel 625的后处理仍按照传统的锻造或铸造工艺进行，具有一定的局限性，比如在行业推荐的加工过程中析出大量有害的δ相。另外，传统的热处理工艺不适用于微观结构分布不一致的部件。因此，了解材料在本征热处理下的微观结构演变有助于提高材料的性能和3D打印完成后的热处理优化。再者，利用定向能量沉积(DED)技术修复大面积零件时，修复区域大小不一，在不同的部位会出现显著的本征热处理差异。为了保证修复参数的适用性和过程的可控性，就需要减少这种尺寸效应的不利影响。下面，开始介绍本征热处理实验内容。具有热监控DED 系统示意如下（图1）：(a) 带有红外摄像机的 DED 系统示意图；(b) Inconel 625 粉末的 SEM 及粒度分布图；(c) 实验装置示意图；(d) 竣工薄壁试样 (A1)。如图1（c）所示，为进行 IHT 对比实验，150 层单道薄壁试件 A1（图 1(d)) 和 A2 分别使用 1 s 和 10 s 层间停留时间的锯齿形扫描制作。A2被认为具有相对均匀的IHT，因为输入热量耗散的时间较长，并且仅在前几层温度急剧上升。此外，为了模拟 IHT 变化过程，制作了三个 20 层单轨薄壁试样 B1、B2 和 B3，层间停留时间为 10 秒。其中B2和B3搭建好后冷却至常温，激光束在顶层不输送粉末情况下，相同激光功率分别扫描10次（B2）和30次（B3），“层间”停留时间1 s。定向能量沉积(DED)参数如下表（表1）特征点选取如下图（图2）在本研究中，为了量化 IHT，使用T IHT来描述 A1 中每个特征点的 IHT。如图3所示。更高的T IHT意味着增加的 IHT 强度，它可以表示为：当热量输入和热量损失之间存在不平衡时，就会出现局部温度升高。这在薄壁试样的制造中尤为重要，因为短期热输入无法从基板（或先前沉积的层）和周围环境中消散。如下图4所示(a)，随着建筑高度的增加，A1各点的峰值温度逐渐升高。特别是靠近底部的位置，峰值温度上升很快，而靠近顶部的位置，峰值温度上升缓慢。这意味着与底部相比，在一定高度处热输入和热损失接近平衡。在同一层中，峰值温度往往两端较高，中间较低。这主要是由于锯齿形扫描策略，两端的二次加热时间很短，热量没有足够的时间消散。然而，IHT 对峰值温度的影响在建筑方向 (Z) 上更为明显。如图4所示(b)，随着建筑高度的增加，熔池的尺寸逐渐增大。并且高温区域（图4（b）中的橙色区域）的面积随着建筑物高度的增加而逐渐增加。在(2, 3, 2)处，1cm以下的区域（约40层）的温度均超过1000℃，而在（0, 0）处则小得多。（a）A1的峰值温度变化三维图；(b) A1区的温度场和熔池演化；(c) A1的热历史曲线；(d) A1的冷却速率曲线；(e) (c) 中各点的峰值温度局部放大；(f) B2和B3的热历史曲线。各点的详细热历史曲线如图4所示（C）。单个曲线上每个峰的出现代表单层的形成，峰值温度（黑点）代表激光制造每个点层的位置。需要注意的是，这些点并不是在达到液相线温度时瞬间达到的，而是经过几层温度循环后达到的。这是因为用于热图像分析的像素尺寸大于单层高度，因此像素中的温度反映了跨多个层的温度演变。从曲线可以看出，当形成单层时，IHT效应使先前沉积的一层或多层在短时间内熔化和凝固，并且IHT的强度随着高度的增加而逐渐增加。图 4(e) 显示增加的 IHT 强度增加了熔池寿命和凝固时间。而在(2, 2,4)和(2, 3.2)处，当激光离开该点返回到下一层的中间位置时，该点还没有完全固化（黑圈）。每个点的加热和冷却速率如图 4所示。由于热历史复杂，升温速率远高于降温速率。并且受 IHT 的影响，峰值冷却速率和加热速率（黑点）随着建筑高度的增加而降低。(0, 0)和(1, 0.8)处的冷却速率与快速凝固形成的熔池一致(10 3 –10 4 °C/s)。但是，(2, 1.6)、(2, 2.4) 和 (2, 3.2) 处的冷却速率低于10 3 °C/s。在IHT变化模拟过程中，如图4 (f)所示，B2和B3的热历史曲线呈现出相似的上升趋势，但30次激光之字形扫描引起的IHT强度增加比B3更明显10倍。在 B3 中，第15次扫描可以将第10层的温度提高到液相线以上，重复的热输入会导致前面的层重新熔化和坍塌。初级枝晶臂间距（PDAS）是微观结构的重要参数。PDAS 在 A1 和 A2 中的演变如图5（a）和（b）所示。凝固组织主要为柱状枝晶，生长方向与最大热流方向相反。在 A1 中，PDAS 随着高度的增加而增加，而 PDAS 在 A2 中略有增加。由于强化 IHT 导致的熔池冷却速率的降低是 PDAS 增加的原因。尽管 A2 中的层间停留时间较长，但 IHT 不能完全均质化。降温速率与PDAS的关系可表示为：其中d是 PDAS；a , b为常数 ( b = 1/3, a ≈ 50 μm (°C/s)); ε是冷却速率。如图5所示，实测值与理论值（蓝线）存在较大差距。这表明PDAS的理论计算公式无法计算熔池中的瞬时最大冷却速率。由于 IHT 的作用，样品中的晶粒在后续层的沉积过程中重新熔化（如图5 中的示意图所示）(d)) 最后以较低的冷却速率凝固。计算出的重熔冷却速率（约 100 °C/s）与理论值吻合较好。因此，后续层到前一层的重熔过程伴随着整个沉积过程。A1 和 A2 中的 PDAS 演变：(a) A1 中枝晶的 SEM 图像；(b) A2 中枝晶的 SEM 图像；(c) PDAS 结果；(d) 重熔后PDAS变化示意图。织构的EBSD检查结果示于下图6。在 A1 和 A2 中都可以观察到细长的晶粒（图 6(a)），具有强烈的<0 0 1> 纹理（图 6 (c)）跨越多个平行于构建方向的层，表明 IHT 效应 -单层或多层的诱导重熔促进晶粒的外延生长和沿易生长方向的排列。内核平均定向错误 (KAM) 图显示 A1 和 A2 中存在大量小的局部错误定向（图 6）(b) 和 (d)）。总体而言，不同层间停留时间对应的IHT强度差异不会导致残余应变或位错密度的差异，但A2中单个晶粒内部的局部区域存在应力集中。A1 和 A2 点 (2, 3.2) 的 EBSD 结果： (a) 反极图图；(b) 内核平均方向错误图；(c)极图；(d) 方向错误的直方图。3D打印Inconel 625合金的凝固路径为L→L+γ→L+γ+MC→L+γ+MC+Laves→γ+MC+Laves因此，最终凝固组织中含有大量的Laves和MC。如下图7所示，A1中的相组成主要包括γ（基体）、Laves、δ和MC。然而，这些点的组成和形态存在明显差异。Laves相的形貌（如红色箭头所示）主要有两种。一种是连续的蠕虫状，另一种是离散的颗粒状。δ（如黄色箭头所示）相主要呈针状和短杆状形态，单独分布在γ-基体中或嵌在细小的蠕虫状Laves相中。在 (0, 0) 处，Laves 相主要呈细蠕虫状，δ 相长度为 3 μm。在 (1, 0.8) 处，Laves 相和 δ 形貌没有明显变化，但体积分数增加。随着建筑物高度的进一步增加，在 (2, 1.6) 和 (2, 2.4) 处，Laves相呈分散粒状，有少量蠕虫状，δ相体积分数增加，长度约为6μm。在(2, 3.2)处，Laves呈粗大的蠕虫状分散颗粒状，δ相体积分数进一步增大，长度增加到8 μm。A1 中观察到的粒状 Laves 相边界光滑，溶解痕迹明显。随着 IHT 强度的增加，Laves 相的溶解增加。物相和 EDS 元素分析如下图8 所示。枝晶间区域析出大量的Laves相和δ相（图8（a）），部分δ相嵌入Laves相中。与基体相比，这些相富含 Nb 元素，而 Ni 元素相对不足。此外，枝晶间区域相对于枝晶区域含有更高含量的 Nb 元素，表明 Nb 元素在凝固过程中经历了严重的偏析。位置 1（Laves）包含大量的 Nb 和 Mo 元素（图 8（b）），而这些元素在位置 2（γ-矩阵）中以较低的水平存在。在图 8 (c)、Laves和针状δ中含有较多的Nb元素，而Mo元素在δ中相对稀少。与基体相比，这些相的Ni元素含量要少得多，而Cr元素含量没有显著差异。A1 中的相分析和元素组成： (a) EBSD 结果为 (2, 3.2)；(b) (2, 1.6)中位置1和位置2的EDS结果；(c) 降水的 EDS 图。A2中，如下图9所示，析出物主要为Laves相和MC，Laves相的形貌略有变化，但未观察到明显的δ相析出。在 (0, 0) 和 (1, 0.8) 处，Laves 相呈精细蠕虫状，体积分数高于 A1。随着建筑物高度的增加，在(2, 1.6)、(2, 2.4)和(2, 3.2)的局部位置出现长链和分散的粒状Laves相，并且Laves的含量逐渐增加。这表明 IHT 对微观结构的影响在 A1 和 A2 中显著不同。在IHT变化过程的模拟中，如下图10所示，B1中只能观察到粗大的Laves相和碳化物，而在Laves相中可以观察到针状δ相嵌入或单独分布在基体中。 B2和B3，以及δ相周围的Laves相也呈现溶解形态，这与A1中的结果相似。这些长链 Laves 相也促进了液化裂纹的萌生。这些结果表明，重复热输入引起的 IHT 的变化可以促进 δ 的析出和生长以及 Laves 相形态的变化。B1、B3的析出相附近的元素分析如下图11所示。与枝晶区相比，枝晶间区的Nb 含量相对较高，并且在接近 Laves 相时更高。然而，与 B3 相比，B1 在枝晶和枝晶间区域的 Nb 含量较少。值得一提的是，在 B3 中靠近 δ 相（点 6）的位置富集了大量的 Nb 元素，并且在其周围存在以溶解形式存在的 Laves 相。这表明 δ 相倾向于在富 Nb 区域析出。A1、A2、B1、B2 和 B3 的硬度结果如下图12所示。在 A1 中，硬度从 250 HV 0.5（底部）到 309 HV 0.5（顶部）变化，波动为 23.6%，这在以前的增材制造的Inconel 625 合金研究中没有发现。在同一层中，两侧硬度最小，从两侧向中心逐渐增加。在扫描方向距原点相同距离处，硬度随高度逐渐增大。然而，构建方向（Z）的硬度差异比扫描方向（X）的硬度差异更明显，硬度较高的点往往出现在中心和顶部区域。而在 A2 中，硬度在 232 HV 0.5（顶部）和 261 HV之间变化0.5（接近底部）波动12.5%（与A1相比下降47.0%）。与A1相比，硬度分布更均匀，但硬度值明显偏低。在 IHT 变化过程的模拟中，随着热输入的增加，硬度逐渐增加。B1的硬度接近A2的硬度，B2的硬度接近A1的近顶部区域的硬度，B3的硬度接近A1的顶部。结果表明，IHT强度的增加促进了薄壁试件的硬度增加。在本研究中，Laves 相含量和形态在不同 IHT 强度下表现出显着差异。根据以上结果，我们推测Laves相经历了两个过程。首先，如下图13（a）和（c）所示，IHT 强度的增加导致熔池以较低的冷却速率凝固或再熔化和再凝固（图 4（d））。在Inconel 625合金中，由于Nb的分配系数（k）小于1，因此Nb原子在凝固过程中会在凝固前沿偏析到液体中，造成严重的局部元素偏析，并可能形成M x C y碳化物和金属间化合物相。先前的研究表明，PBF 中的快速冷却速率（约10 6 °C/s）使这些相难以聚集和沉淀。这是由于溶质俘获，即凝固前液/固的原子重建速率远高于扩散速率，Nb 原子会被基体的快速凝固所俘获。但DED的冷却速度相对较慢（约10 3 ~ 10 4 °C/s），受IHT的影响，A1顶部区域最终凝固时的冷却速度约为10 2 °C/s。这增加了熔池的凝固时间（图 4(e)) 并且可能使溶质分布相对完整，导致更多的 Nb 原子偏聚到枝晶间区域。当熔池凝固时，如图13（d）所示，由于 Laves 相的形成需要一定的 Nb 浓度阈值，在低冷却速率下凝固的熔池中的富 Nb 区域会增加，并且更多区域满足Laves析出条件，从而产生粗Laves相（图7中的（2, 3.2）；图9中的（2, 1.6），（2, 2.4）和（2, 3.2））。此外，高冷却速率形成更小的 PDAS（图 5），它在二次臂枝晶生长时形成闭合，并将剩余的液体分离到孤立的富 Nb 区域，从而形成分散的 Laves。而当 PDAS 增加时，剩余液体中的富 Nb 区域往往具有连续的几何形状，导致长链 Laves 的形成。其次，熔池凝固后，Laves相在IHT作用下溶解。其溶解速率受尺寸、温度和时间的影响，并受Nb、Mo等原子的扩散控制。并且随着温度的升高，溶解速度加快。在本研究中，Laves 溶出的典型特征是从蠕虫状或长链状到颗粒状的转变（如图13 (b) 所示）。在A1中，随着建筑物高度的增加，IHT强度也越来越大，在每个点上都可以观察到以明显溶解形式存在的Laves相，并呈现出增强的趋势（图7）。此外，在B3 中可以观察到 Laves 的溶解，伴随着 δ 相的析出（图 10）。这表明 IHT 强度的增加加速了莱夫斯相的溶解。因此，在 A1 中观察到的 Laves 比在 IHT 强度相对较弱的 A2 中观察到的少。值得注意的是，A1(2,3,2)处的枝晶间区域保留了部分粗大的Laves相，这可能与高温暴露下多次重熔后的再凝固有关。由于没有后续的层沉积，最后一次凝固过程中粗大的莱夫斯相形式无法溶解并保留下来。类似地，由于较低的平均温度（图 4 （f）），B3 某些区域中存在的粗莱夫斯相无法溶解，并且可能需要更长的时间才能溶解。A2中不存在δ相，IHT相对适中，而A1中存在大量δ相，IHT强，其长度和体积分数随IHT强度的增加而增加。该阶段也出现在 B2 和 B3，但不在 B1 的同一区域。因此，凝固时不生成δ相。这在增材制造中非常罕见，应该特别关注，因为 δ 通常对 Inconel 625 合金的机械性能有不利影响。先前的研究表明，PBF 中元素偏析的加剧在热处理过程中加速了 δ 的生长动力学，并且可以在 5 分钟内通过同步加速器 X 射线光谱检测到，. 然而，在 IHT 的作用下，本研究仅需数十秒即可观察到 δ 相，表明其生长动力学进一步加快。A1和B3中的δ相可以单独存在于基体中，也可以嵌在Laves相中，后者相对较短。因此，基于Nb、Mo元素在凝固过程中的元素偏析，IHT过程中Laves相溶解可能进一步加剧Nb、Mo元素的局部偏析，促进δ析出。因此，随着 IHT 强度的增加，Laves 相溶解变得完全并导致基质中单独存在长 δ 相。为了研究元素含量对 δ 沉淀动力学的影响，基于图 11中 B1（点 5）和 B3（点 6）中的枝晶间元素组成，通过 JMatPro 软件绘制了时间 - 温度转变（TTT）图, 结果如下图14 所示。由于 IHT 强度增加，枝晶间 Nb 元素的增加加速了 δ 的析出。然而，本研究中在IHT 影响下经历的时间远少于 TTT 图中显示的所需时间。而δ加速析出的原因有待进一步研究。B1 和 B3 在树突间区域的 TTT 图。线条代表 Laves 相附近树突间区域的0.5% 沉淀。增材制造试样的硬度受微观结构、冷却速率、合金成分等因素的影响。在以往的研究中，硬度在试样空间区域的变化通常归因于晶粒尺寸的变化，从而排除了与析出和位错等重要影响因素的相关性。一般接近基体的冷却速度较高，形成细晶粒，故硬度较高。随着高度的增加，中间区域的硬度较低，因为较慢的冷却速度导致晶粒变粗。然而，最高或最低硬度出现在顶部位置，主要有两个原因。一是随着高度的进一步增加，热量积累继续加剧，冷却速度降低，形成粗大晶粒，最终降低硬度。第二个是因为上面没有后续的层沉积，较高的冷却速率形成更精细的组织并增加硬度。然而，在这项研究中，晶粒尺寸的变化不能解释硬度随高度增加而增加的现象，因为PDAS随着A1高度的增加而降低（图 5）。随着IHT强度的增加，Laves相的溶解使得大量的Nb和Mo原子进入基体，增加了固溶强化效应（图11），这可能对硬度的增加有很大的贡献并能抵消晶粒粗化引起的硬度下降和凝固过程中因元素偏析引起的固溶体元素在基体中的减少。因此，A1 中随着建筑高度的增加，硬度逐渐增加。然而，在A2中，由于Laves相没有发生实质性溶解并且晶粒尺寸占主导地位，因此可以观察到PDAS的变化（图5 ）与A2的硬度分布（图12）非常吻合)。此外，在A1相同的建筑高度下，两端的硬度低于中心，这可能与短时间内二次加热引起的PDAS增加有关。总结一下：IHT 的强度在样本内不断变化，并随着建筑物高度的增加而增加。这提高了熔池的峰值温度，降低了冷却速度，增加了熔池面积。IHT强度的增加也增加了PDAS，促进了Laves相的溶解和δ相的析出。然而，IHT 对织构和位错密度没有显着影响。竣工试件的硬度与 IHT 相关，并随着 IHT 强度的增加而增加。增加层间停留时间可以均匀组织和硬度分布。虽然本研究报告的结果仅适用于 DED 特定工艺参数下的 Inconel 625 合金，但这也可能适用于其他系列的镍基合金，如 Inconel 718。这项研究表明，空间异质性热特性会导致微观结构和机械性能响应的空间异质性。这给后热处理带来了问题，因此有必要开发适合增材制造的热处理工艺。在构建全尺寸组件时，可以通过控制 IHT 在不同位置调整微观结构，适当增加层间时间可以避免 δ 析出并使微观结构均匀。发布于 2022-11-25 10:15・IP 属地辽宁热处理合金材料科学赞同 3添加评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录增材制造增材制造技术研究

DED定向能量沉积金属3D打印技术潜力有多大？_腾讯新闻

DED定向能量沉积金属3D打印技术潜力有多大？

南极熊导读：近年来，增材制造一直是制造业发展最快的领域之一。虽然金属增材制造部件越来越多地用于结构应用，但很少有塑料增材制造部件和工艺为此提供足够的耐久性。因此，定向能量沉积（DED）3D打印技术的出现被用于可直接数字化制造超高强度、重量轻的复合材料零件，提供了打印超出平面层传统限制的材料。

什么是 DED？

DED是一种金属增材制造工艺，通过这种工艺，熔融金属选择性地分层沉积，以构建完全致密的组件。可能您听说过 WAAM（Wire Arc Additive Manufacturing）、LMD（Laser Metal Deposition）、LENS（Laser Engineered Net Shape）、DMD（Directed Metal Deposition）或其他一些缩写词，弄不清楚没关系，这些通常是只是设备制造商用来区分其产品的专有名称。虽然有很多名称，但实际上技术差别不大。

定向能量沉积（DED）与PBF相似，因为它使用激光（或电子）束熔化粉末。但是，粉末原料的沉积和熔化方式使DED可以更轻松，更经济地扩展至更大的AM零件。

通常，DED 系统需要三个主要组件；一个操纵器，用于控制金属的沉积位置、材料的进料以及熔化该材料的能源。机械手通常采用数控龙门或机器人的形式。该材料将是金属丝或粉末形式，能源是激光或电弧（由于成本原因所以不太常见）。

△接近最终形状和完成的航空航天部件。图片来自Norsk Titanium

与其他金属增材制造工艺相比，DED 更高的沉积速率使该工艺能够生产更大规模（通常为 1m +）的组件，对生产力水平的权衡是零件分辨率。然而，随着新的 DED 硬件的出现，我们开始看到该技术可以实现的范围更广，并且在某些情况下可以与传统制造工艺制造的细节相媲美。

△金属增材制造技术的比较。照片来自AutoDesk

该工艺的较高沉积速率会导致较差的几何精度、特征分辨率和表面纹理，因此由 DED 生产的部件通常需要在沉积后进行额外加工以达到最终光洁度。这种对加工的需求以及将该技术集成到现有铣削平台的相对容易性导致了混合机器（即具有增材和减材能力的机器）的兴起。这些机器通常包含超过3轴，因此提供了大量的机会来沉积超出平面层的传统限制的材料。

多轴打印有什么好处？

许多低成本塑料3D打印机具有3轴配置。事实证明，3axis 打印机价格相对更实惠、可靠且有大量可用的软件切片选项，因此才会蓬勃发展。然而，这一成功也限制了3D打印的能力。需要支撑结构来打印悬垂表面，零件只能构建在平面上而不是预先存在的几何形状上，向上弯曲的表面会受到阶梯效应的影响。随着新3D打印DED系统的出现以及将沉积头集成到 CNC 铣床和机械臂上的日益普及，一系列新的可能性正在出现，并且 DED 技术可以使用多轴刀具的路径已有一段时间了。

△Haas UMC1000 与 Meltio DED 技术集成。照片来自 Meltio

DED它提供的未来机会是什么？

南极熊获悉Autodesk在过去的十年中，与各行各业的众多最终用户进行了合作。与许多金属添加剂一样，最初，大多数应用属于航空航天领域，在随后的几年中，Autodesk将其扩展到海洋、石油和天然气、模具/工具、国防和重工业。尽管这些行业的应用、合金和零件尺寸各不相同。

如今，DED 可以通过缩短零件开发周期和生产提前期、缩短上市时间以及减少存储备件的需求来实现与传统市场竞争的优势。未来，该技术可用于生产高性能、高附加值的组件，利用该技术可以提供更大的设计和材料自由度。例如，针对结构或热负荷优化组件，或使用定制合金或几种合金的组合生产零件。

DED 通过提高制造过程中的材料效率来提高可持续性，即沉积的零件（称为近净形状、预成型或沉积模型）需要显着减少材料去除来获得成品零件时与从材料坯料加工零件相比。未来，DED和AM 提供分散的生产模式，也就是说，零件不需要在单个工厂生产并运送到最终使用地点，而是可以在需要时在现场生产，缩短运输途中所需的时间并减少碳排放。

△行业颠覆者：Pix Moving 和 Relativity Space。照片来自Pix Moving and Relativity Space

当前的市场挑战是什么？

补充供应链：

长期以来，航空航天一直是3D打印的主要支持者（通常可能是 DED）。航空航天供原件供应需要消耗大量高价值合金，因此3D打印可减少加工原件过程中不必要的材料浪费。再加上稀有合金通常很难加工（加工速度慢并且需要大量昂贵的工具），通过减少必须切割的材料量，还可以节省大量资金。

为了弥补市场空白获得这些收益，特别是对于结构飞机元件，这里的问题是维修飞机替换这些锻件所需的时间，可能是几个月或者更长的时间，对于这种问题，这正是 DED 值得颠覆的地方，通过3D增材制造技术原定打印飞机合金元件，可以作为锻造组件的替换件。

△行业颠覆者：Pix Moving 和 Relativity Space。照片来自Pix Moving and Relativity Space

节约成本和减少库存压力：

DED 为磨损零件的再修整提供了新的解决方案，这可能是高价值的航空部件（此处通常使用涡轮叶片和叶盘作为示例）或模具，又或者是用于汽车中的某个应用。DED 提供了减少资金压力的解决方案，无需大量储备库存，仅需替换为可以由任何系统在需要的位置按需生产的备件数字库即可。

△WAAMPeller。照片来自 Ramlab

南极熊点评：近些年，我们看到了国内外许多优秀的企业的兴起，它们的出现的目的就是颠覆具有悠久历史的传统制造业。通过DED技术优势，这些新的、快节奏的组织正在提出更多的技术创新并向传统行业发起挑战。如Pix Moving正在利用 DED 流程的无工具特性来提供专属私人定制的自动驾驶汽车制造。Relativity Space的目标是通过使用名为“Stargate”的多米 WAAM 系统显著缩短火箭部件从概念到测试到最终部件的时间，从而颠覆航天工业。

DED 蛋白结构域 | Cell Signaling Technology

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DED 蛋白结构域

FADD 中的 DED 结构域。结构域结合和功能死亡效应因子结构域 (DED) 是一种蛋白互作结构域，可见于前半胱天冬酶（半胱氨酸蛋白酶）和可在凋亡级联中调节半胱天冬酶激活的蛋白。与 CARD 相似，DED 会与 TNF 受体超家族成员一起将前半胱天冬酶募集到复合体中。前半胱天冬酶 DED 与接头蛋白分子中的第二个 DED（直接结合激活的 TNF 受体）之间的同型相互作用可介导这种募集。复合体形成可将前半胱天冬酶转化成活化形式，从而激活下游半胱天冬酶并启动细胞凋亡。结构参考 Eberstadt, M. et al. (1998) Nature (6679)392, 941–945. 结构域蛋白示例结合示例 DED 结构域蛋白同型结合伴侣功能 Procaspase-8 FADD adaptor protein; Flame-1 激活 Fas 受体诱导的凋亡 Flame-1（aka FLIP、I-FLICE、Usurpin 等）半胱天冬酶激活抑制剂 FADD; Procaspase-8 抑制 Procaspase-8 的激活

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什么意思_ded的翻译_音标_读音_用法_例句_爱词霸在线词典首页翻译背单词写作校对词霸下载用户反馈专栏平台登录ded是什么意思_ded用英语怎么说_ded的翻译_ded翻译成_ded的中文意思_ded怎么读,ded的读音,ded的用法,ded的例句翻译人工翻译试试人工翻译翻译全文ded释义abbr.deduct 扣除; dedueted 扣除; deducted 扣除的; deduction 减除大小写变形:DEDDed点击人工翻译，了解更多人工释义实用场景例句全部By using the neural networks, a SEC - DED code is found.由这种网络得到了SEC - DED非线性码.互联网These can include Accounts Payable and Receivable spreadsheets for GST and wages returns for DED.这些可能包括的应付款明细帐,并且GST和薪水的应收的报表为DED返回.互联网The patien ts with urinary infection were exclu ded.有尿路感染的患者排除在外.互联网MAP , PaO _ 2 , pH and serum TNF - α concentrations were recor ded every hour after LPS.5h内观察动物的MAP、PaO2 、 pH,血清TNF - α.互联网He mou 1 ded little pieces of soft bread into balls.他把小片软面包搓成了球.互联网Son: I guess you are right, Ded. Now give me a buck, will you?儿子: 我想你是对的, 爸爸.那麽给我一块钱, 怎麽样?互联网He mou 1 ded clay into a bust . [ He mou 1 ded a bust out of clay. ]他用黏土塑成一座半身雕塑像.互联网A calculated dose of 200 ~250 Gy to the cyst wall is recommen - ded.囊壁的照射剂量以200-250Gy为好.互联网收起实用场景例句英英释义Noun1. a doctor's degree in education收起英英释义释义实用场景例句英

定向能沉积(DED)增材制造：物理特性、缺陷、挑战和应用（3） - 资源 - 颗粒在线

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定向能沉积(DED)增材制造：物理特性、缺陷、挑战和应用（3）

来源：江苏激光联盟

1430

2022-06-20

颗粒在线讯：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。本文为第三部分。DED中的主导加工变量通过DED技术制造高质量零件并不是一项简单的任务。DED工艺与许多工艺变量相关，所有这些变量都控制着镀层的热历史和凝固，并显著影响沉积态材料的微观结构、物理和机械性能。在本节中，将回顾控制DED工艺的主要工艺参数及其对沉积材料微观结构和行为的影响。此外，还讨论了目前和潜在的电火花加工工艺优化技术。DED工艺使用激光束、电子束或等离子/电弧形式的聚焦热源。因此，采用DED工艺制备的样品经历了重复的热循环和熔体池的极高冷却速率（激光熔炼为103–105 K/s），凝固后会产生细小的、不平衡的微观结构，并产生高残余应力，在某些情况下还会产生裂纹。对于吹塑粉末电沉积工艺，影响沉积材料的工艺参数分为三个主要分支：（1）系统（规格）相关，（2）原料（本例中为粉末）相关，以及（3）工艺（沉积）变量相关。这些如图7所示。图7中列出的复杂热历史和大量加工参数使得很难充分表征和研究每个参数对沉积材料的影响（及其交联相互作用）。图7 DED工艺参数图值得注意的是，与焊接工艺类似，DED工艺高度依赖于粉末原料材料的不同特性，包括化学成分、熔化温度、导热性、反射率、比热容、熔体粘度、熔体表面张力、光谱发射率等。材料特性对沉积工艺的高度依赖性导致需要对材料特定的工艺进行优化。近年来，出现了各种数值模拟和现场监测技术以及闭环自适应控制来应对这一挑战，预测、关联和控制给定材料沉积的最佳工艺参数。图8是成分梯度火箭喷嘴处理的示意性工作流模拟的示例。这种模型能够根据预定义的几何形状和材料特性确定最佳工艺参数，方法是使用热、凝固、微观结构和性能数值模拟对沉积过程进行建模。基于模拟的最佳工艺参数，沉积工艺根据预定义的刀具轨迹，结合现场监测技术和闭环反馈控制执行。图8 将关键部件的DED AM流程图与FEA模拟、现场监控和反馈控制相结合，以优化过程变量到目前为止，这种先进而复杂的现场模拟监控方法仍然被认为是一个巨大的挑战。除其他外，在线检测和现场修复零件加工过程中形成的缺陷（例如，孔隙度、LoF缺陷、变形、夹杂物）和其他工艺特征（例如，熔池几何形状和温度、粉末流分布、沉积高度）以及足够的响应时间是限制因素。典型激光粉末DED工艺示意图在实践中，激光功率、激光扫描速度（也称为横向速度）和粉末质量流量（PMFR）被视为三个主要的DED处理变量。另一方面，在基于初步材料特定实验数据的整个优化过程中，通常将诸如图案填充间距、能源直径、z步长和工作距离等参数定义为常数。这通常是通过沉积和分析具有不同加工参数集的单轨/双轨来实现的。研究发现，晶粒形态、枝晶臂间距和孔隙率等微观结构特征（图9a和b）随激光能量密度显著变化。与锻造形式相比，沉积态铬镍铁合金718降低了平均晶粒尺寸和枝晶臂间距。这归因于DED工艺中固有的高冷却速率。图9c–e显示了使用Ti–6Al–4V的多轨试验中S的影响。增加S中的粉末流速会减少总能量输入，因为更多的质量被输送到熔池，这需要更多的能量来熔化材料。结果表明，沉积层的平均层高随能量密度和粉末密度的增加而增加。此外，观察到线性相关性，从而可以预测给定能量和粉末密度下的沉积高度。图9 （a）激光能量密度对沉积态铬镍铁合金718晶粒形态和平均晶粒尺寸（AGS）以及（b）孔隙率的影响。（c）利用透镜进行DED加工设计的原理图和工作流程。（d）具有可变粉末流速的初始沉积轨迹，以及（e）不同流速下的构建特征。对于铬镍铁合金718的DED，激光能量密度被认为是一个稳健的参数，导致在类似的能量密度下产生类似的材料孔隙率。最近的一份报告表明，即使铝镁合金的DED中具有相同的能量密度，获得的材料密度也会有所不同。结果的差异表明，比能量密度不能作为一个单独的稳健工艺参数，但应考虑其他因素，如原料特性和粉末质量流量。原料材料的性能，包括激光反射率、热导率和熔池表面张力，可以直接影响沉积态材料的性能和缺陷的形成。透镜沉积Ti/TiC金属基复合结构（Ti基板顶部四层）在吹塑粉末电沉积工艺中，原料通过沉积头喷嘴输送到熔池中。因此，粉末质量流率是决定引入熔池的进料量的重要参数。然而，引入熔池的材料量也取决于沉积头的移动，这相当于激光扫描速度。因此，激光扫描速度可以控制能量密度和输送到熔池的材料量。多项研究表明，激光扫描速度会影响熔池的凝固行为。因此，它显著影响沉积材料的微观结构和机械性能。粉末流速和激光扫描速度的组合决定了每引入熔池粉末量的激光有效停留时间。通过三维数值模拟和验证实验，研究了铬镍铁合金718中的熔池和沉积几何演变。结果表明，虽然施加激光功率的增加不会影响沉积层高度，但会导致熔池宽度和穿透深度的增加（图10）。这一现象的解释是，由于熔池表面积增加，激光功率增加导致集水效率提高。因此，增加的粉末质量分散在更大的熔池上，因此对沉积高度的影响较小。图10 不同激光功率下实验和模拟单轨沉积的俯视图（a）和侧视图（b）。应用激光功率对铬镍铁合金718镀层几何形状（c）和穿透深度（d）的影响。随着高冲击工业应用对三维零件的DED加工及其独特功能（如表面包覆和修复）的需求不断增加，高效的工艺优化成为必要。然而，尽管许多研究试图描述各种DED工艺参数对沉积材料微观结构、缺陷形成和性能的机制和影响，但对控制机制以及它们之间的协同和拮抗相互作用的深入基本理解尚未完全理解。沉积材料中的缺陷及其表征DED是一种冷却速度快、热梯度高的非平衡加工技术。这些热条件可能导致复杂的相变和微观结构变化、不均匀的残余应力和变形、气孔、开裂，从而导致耐腐蚀性、机械性能（如延展性和疲劳强度）退化和过早失效。本节讨论了这些缺陷的形成机理、测量、建模和缓解。POM DED机器示意图（由POM提供）美国POM集团是另一家制造LBMD机器的公司，尽管它们最近被一家名为DM3D Technology的公司收购。他们的DED机器具有5轴同轴送粉能力，使用保护气体方法制造零件。DM3D技术机器的一个关键特征始终是集成闭环控制系统（见图）。反馈控制系统调整工艺变量，如粉末流速、沉积速度和激光功率，以保持沉积条件。DED系统的闭环控制已被证明在保持建造质量方面是有效的。因此，不仅DM3D技术和Optomec机器提供了这种选择，竞争对手LBMD机器制造商以及制造利用送丝器的电子束DED机器的公司也提供了这种选择。残余应力和变形残余应力的来源：所有热机械制造过程都不可避免地导致残余应力的形成。由于DED工艺的逐层性质，零件经历了高度复杂的热历史，包括熔化、重熔和重新加热材料。图11a显示了加热和冷却循环期间残余应力形成的模型。图11b显示了透镜期间的现场热电偶读数H13钢箱的沉积。每个峰值代表激光通过热电偶时的热电偶响应。DED是一种非平衡处理技术，其快速冷却速率为102–104 K/s，热梯度为104–105 K/m（图11c和d）。这可能导致复杂的相变和微观结构变化。AM引入的残余应力在空间和建造方向上都可能是高度不均匀的。总的来说，控制DED中残余应力和变形演变的关键物理因素与熔焊中的类似。残余应力根据其影响的大小分为三种类型，从宏观应力（I型）到原子级应力（III型）。图11 DED中残余应力的来源残余应力对沉积材料和零件的影响：AM零件中的残余应力可能具有多种后果，包括残余应力驱动的相变、几何公差损失、开裂、零件与基体的分层、循环荷载下的早期裂纹扩展，因此，结构部件过早失效。残余应力测量：残余应力测量是一项非常重要的任务。残余应力的计算需要获取一些其他可测量的量，例如位移/变形、晶格间距或声速。残余应力测量技术通常分为破坏性和非破坏性。破坏性技术基于机械应力松弛，包括钻孔、连续切片和环形岩心钻孔。无损检测技术基于测量晶格间距（衍射技术）、声速或巴克豪森噪声（铁磁材料在外磁场下发出的声音）。大多数方法都基于假设，需要小心确保这些假设对特定利益部分有效。缓解措施：最常用的残余应力降低方法之一是在沉积过程中预热基板、构建腔室和打印件。这允许在打印过程中部分降低整体热梯度，将累积的残余应力降至最低。Corbin等人证明，将基板预热至∼400 °C可将第一层打印过程中累积的基板变形减少27.4%。Lu等人开发了3D热机械有限元分析，以研究由DED引起的变形和残余应力。他们的研究结果表明，当基板预热与构建室加热相结合时，残余应力和变形可分别减少80.2%和90.1%（图11e）。Vasinonta等人还制定了一个热力模型，以研究温度梯度以及零件和基板预热对透镜制造的不锈钢零件残余应力的影响。结果表明，均匀零件和基板预热可显著降低残余应力。最大减少量∼通过将零件和基板预热至400°C，可获得40%的残余应力（图11f）。这些研究表明，基板、成型室和打印件的预热为残余应力缓解提供了一种实用的方法；然而，预热并不能消除残余应力。可能需要进一步的后处理。另一种减少打印过程中残余应力的方法是优化扫描策略。较短的沉积长度、较小岛屿的扫描、沉积策略的螺旋化（相对于螺旋化），增加的扫描速度，以及将层厚度降低到低于熔池深度都有利于缓解残余应力和变形。Denlinger等人对通过激光DED处理的Ti-6Al-4V和Inconel 625零件进行了一系列原位和后处理变形测量，以研究层间停留时间对零件变形的影响。他们表明，在沉积Inconel 625过程中，将中间层停留时间从0增加到40 s，可以在沉积过程中进行额外的冷却，并将残余应力从~ 710 MPa降低到 ~ 566 MPa。另一方面，Ti-6Al-4V打印过程中，停留时间从0增加到40 s，导致残余应力从~ 98 MPa增加到~ 218 MPa(图12a)。这些发现表明，残余应力的发展和演化高度依赖于材料。具体而言，铬镍铁合金625和Ti-6Al-4V的行为差异可归因于打印过程中相变的差异。图12 通过扫描策略优化缓解残余应力。（a）层间停留时间对Inconel 625和Ti–6Al–4V中残余应力的影响。（b） LSF的沉积图案和（c）FE建模结果显示了激光DED过程中扫描策略对温度梯度的影响。打印后热处理可进一步降低残余应力。进行原位压缩试验，通过中子衍射研究因铬镍铁合金625零件热处理引起的应力松弛。量化了增材制造零件和常规加工零件内的应力演化，并对宏观应力和具有不同晶体取向的晶粒中的应力进行了分析。在相同的温度和施加的应变下，AM加工的零件表现出比常规加工零件更高的应力松弛率，而与晶粒的结晶取向无关。此外，与常规加工零件相比，AM加工零件表现出较低的峰值和平台应力。这种差异是由于两种材料的纹理和晶粒大小不同造成的。打印后表面处理已成功地用于调整DED零件的应力状态。例如，发现磁场辅助加工(MAF)可以将AM零件表面的残余应力从约200 MPa降低到约70 MPa，将零件表面的拉应力转化为压应力，如图13a所示。WAAM零件的残余应力和变形也可以通过对基体进行机械拉伸或对镀层进行中间轧制来降低。图13 印后表面处理对残余应力的影响激光冲击喷丸（LSP）已被探索为一种改善激光切割Ti-6Al-4V零件表面应力的印后处理方法。这种方法允许将残余表面应力从约100 MPa修改为约200 MPa(图13b)，并将显微硬度从约361 VHN提高到约420 VHN。同时，对WAAM 2319铝合金进行了LSP测试，压缩应力高达−100 MPa。图13c显示了金属AM零件在加工前和加工后的化学抛光示例。这个特殊的部件是使用FormAlloy公司(San Diego, CA)的基于激光的DED装置作为航空航天行业的门把手快速制造的。可以看出，简单的化学抛光可以提高表面光洁度，减少金属AM零件的层痕。LSP显著提高了WAAM零件的表面硬度，从75 VHN左右提高到110 VHN左右。这些研究表明，打印后表面改性可以引入表面压应力，有可能提高打印零件的疲劳寿命。综上所述，DED是一种非平衡加工技术，具有高加热和冷却速率、高温度梯度和复杂的热历史，这通常会导致残余应力、孔隙度和其他缺陷的形成。虽然已经做出了相当大的努力来测量、建模和缓解AM零件中的残余应力，但对残余应力发展机制的基本和全面理解仍然是一个挑战。大量研究表明，优化工艺参数和扫描策略可以降低打印件的残余应力。然而，仍然需要进行后处理（例如，热等静压（HIP）或表面处理），以完全消除残余应力。这增加了制造过程的额外步骤，增加了总成本。由于应力测量技术在时间、成本和精度之间的权衡，准确测量DED零件中的残余应力也是一个挑战。这对残余应力研究施加了额外的限制，通常只测量了少数样本，这给寻找统计显著差异带来了挑战。最后，大多数残余应力研究是在AM中常见的合金上进行的，例如铬镍铁合金625和718、304和316不锈钢、Ti-6Al-4V和AlSi10Mg。鉴于残余应力的形成和演化是材料特有的，必须了解其他材料（如金属基复合材料和功能梯度材料）中的这些机制。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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定向能沉积(DED)增材制造：物理特性、缺陷、挑战和应用（2）

来源：江苏激光联盟

1176

2022-06-15

颗粒在线讯：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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