定向能沉積(DED)增材制造:物理特性、缺陷、挑戰和應用（一）
時間：2021-12-31 10:00 來源：江蘇激光聯盟 作者：admin 閱讀：次
導讀：本文講述了DED處理相關的挑戰，并對該技術進行了關鍵的展望。關鍵詞：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，一層一層地連續沉積材料。與其他AM工藝相比，DED具有一些獨特的優勢，例如特定位置的沉積和修復、合金設計以及復雜形狀的三維打印。本文綜述了激光-材料相互作用、熔池熱行為、原位監測和相互作用機理等方面的研究進展。最關鍵的加工變量及其對沉積材料性能的影響，以及缺陷形成機制和表征技術，也被確定和討論。概述了高端應用，當前與DED處理相關的挑戰，并對該技術進行了關鍵的展望。
介紹
增材制造(AM)，也被稱為三維(3D)打印，被認為是構成第四次工業革命(工業4.0)的12個顛覆性技術之一。2013年，GE航空公司的生產線采用了金屬AM。2018年，GE航空已經生產了超過23000個飛行質量的增材部件，并計劃在2020年之前生產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、汽車和能源行業可能會占據金屬AM總收入的52%。隨著新的制造技術的出現，以AM為基礎的維修技術有望成為實際應用。
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中的電子束系統需要真空，不會有高的氧化問題和激光系統，另一方面，需要其他方法引入惰性氣體。粉末噴涂設備通常有惰性氣體與粉末一起從噴嘴吹出，從而覆蓋熔化區域，降低氧化速率(Gokuldoss等人，2017)。Powder DED系統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，能夠生產出完全致密的金屬零件，適用于不同的工業應用。它們不同的粉末輸送機制影響工件的復雜性、支撐要求、材料使用的靈活性和表面粗糙度。2019年，PBF和DED系統在金屬AM市場的收入市場份額分別為85%和8.3%。預計未來5年，DED技術的收入份額將增加到11.1%，PBF將下降到63%。在另一份報告中，預計到2025年，DED市場將達到近7.55億美元。主要的粉末原料和激光能源DED系統制造商包括Optomec®，Inc.， TRUMPF, BeAM, FormAlloy, DMG MORI, InssTek, Inc.和南京中科瑞昌激光技術有限公司。帶線材的DED系統制造商包括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™)技術授權給Optomec公司(Albuquerque, NM)，這是第一個商業化的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打印技術的專利，之后在1997年Johns Hopkins大學開發了一種DED技術，并通過他的公司Aeromet將其商業化。
由DED制造的零件的質量和性能取決于(i) DED技術的類型(包括原料和熱源的類型);(ii)建造環境(真空、惰性氣體或環境);(3)beam-material交互;(4)沉積參數(主要是激光粉末、激光掃描速度、艙口間距、進粉速度、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、重復的加熱-冷卻循環中，會產生獨特的微觀結構特征、非平衡相、凝固開裂、定向凝固、殘余應力、氣孔、分層和翹曲。一般來說，由于沉積的方向性，DED樣品在機械性能和微觀結構上往往表現出各向異性。因此，熱熔成形過程的熱歷史同時控制著鑄態零件的宏觀組織和微觀組織，這可能會影響鑄態零件的機械性能。通過工藝優化、現場監測和反饋控制，可以消除或至少顯著減少與金屬AM相關的一些缺陷，從而實現卓越的組件質量。
一些關于AM調幅技術、應用和/或材料的廣譜綜述已經發表，而只有少數專注于DED技術。這些集中在熱和流體現象，過程參數圖，優化和控制，機械行為和應用。近年來，DED技術在合金設計、關鍵結構修復和雙金屬/多材料結構方面取得了顯著的發展。目前的綜述集中在激光-材料的相互作用，DED的最關鍵的加工變量，缺陷的形成和表征在沉積材料。本文還對DED的原理、優點、缺點和應用進行了更簡明的總結，并簡要討論了當前的挑戰和未來的方向。
定向能沉積(DED) -原理、優點和缺點
本節簡要總結了DED的一般原理及其優缺點，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和多種材料的加工方面具有重大優勢，另一方面在機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。金屬軌道基于預先定義的艙口間距(即連續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，所有層的沉積產生了一個三維近凈形狀的組件，類似于計算機輔助設計(CAD)模型。在沉積前，利用軟件對三維數字模型進行切片，以指定切片厚度、艙口間距和每一層的沉積路徑。表1根據一些選擇標準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，商業上可用的技術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，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系統可以同時沉積多種材料，并允許多軸沉積處理合理復雜的幾何形狀。DED也是一種有用的技術，用于填充裂縫，改造制造部件，修復高價值的金屬部件。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 用于現有商用打印機)。
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，一層一層地連續沉積材料。與其他AM工藝相比，DED具有一些獨特的優勢，例如特定位置的沉積和修復、合金設計以及復雜形狀的三維打印。本文綜述了激光-材料相互作用、熔池熱行為、原位監測和相互作用機理等方面的研究進展。最關鍵的加工變量及其對沉積材料性能的影響，以及缺陷形成機制和表征技術，也被確定和討論。概述了高端應用，當前與DED處理相關的挑戰，并對該技術進行了關鍵的展望。
增材制造(AM)，也被稱為三維(3D)打印，被認為是構成第四次工業革命(工業4.0)的12個顛覆性技術之一。2013年，GE航空公司的生產線采用了金屬AM。2018年，GE航空已經生產了超過23000個飛行質量的增材部件，并計劃在2020年之前生產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、汽車和能源行業可能會占據金屬AM總收入的52%。隨著新的制造技術的出現，以AM為基礎的維修技術有望成為實際應用。
兩種DED系統的原理圖(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中的電子束系統需要真空，不會有高的氧化問題和激光系統，另一方面，需要其他方法引入惰性氣體。粉末噴涂設備通常有惰性氣體與粉末一起從噴嘴吹出，從而覆蓋熔化區域，降低氧化速率(Gokuldoss等人，2017)。Powder DED系統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，能夠生產出完全致密的金屬零件，適用于不同的工業應用。它們不同的粉末輸送機制影響工件的復雜性、支撐要求、材料使用的靈活性和表面粗糙度。2019年，PBF和DED系統在金屬AM市場的收入市場份額分別為85%和8.3%。預計未來5年，DED技術的收入份額將增加到11.1%，PBF將下降到63%。在另一份報告中，預計到2025年，DED市場將達到近7.55億美元。主要的粉末原料和激光能源DED系統制造商包括Optomec®，Inc.， TRUMPF, BeAM, FormAlloy, DMG MORI, InssTek, Inc.和南京中科瑞昌激光技術有限公司。帶線材的DED系統制造商包括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™)技術授權給Optomec公司(Albuquerque, NM)，這是第一個商業化的DED工藝之一。
在定向能沉積中，將金屬原料以導線(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打印技術的專利，之后在1997年Johns Hopkins大學開發了一種DED技術，并通過他的公司Aeromet將其商業化。
由DED制造的零件的質量和性能取決于(i) DED技術的類型(包括原料和熱源的類型);(ii)建造環境(真空、惰性氣體或環境);(3)beam-material交互;(4)沉積參數(主要是激光粉末、激光掃描速度、艙口間距、進粉速度、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、重復的加熱-冷卻循環中，會產生獨特的微觀結構特征、非平衡相、凝固開裂、定向凝固、殘余應力、氣孔、分層和翹曲。一般來說，由于沉積的方向性，DED樣品在機械性能和微觀結構上往往表現出各向異性。因此，熱熔成形過程的熱歷史同時控制著鑄態零件的宏觀組織和微觀組織，這可能會影響鑄態零件的機械性能。通過工藝優化、現場監測和反饋控制，可以消除或至少顯著減少與金屬AM相關的一些缺陷，從而實現卓越的組件質量。
一些關于AM調幅技術、應用和/或材料的廣譜綜述已經發表，而只有少數專注于DED技術。這些集中在熱和流體現象，過程參數圖，優化和控制，機械行為和應用。近年來，DED技術在合金設計、關鍵結構修復和雙金屬/多材料結構方面取得了顯著的發展。目前的綜述集中在激光-材料的相互作用，DED的最關鍵的加工變量，缺陷的形成和表征在沉積材料。本文還對DED的原理、優點、缺點和應用進行了更簡明的總結，并簡要討論了當前的挑戰和未來的方向。
定向能沉積(DED) -原理、優點和缺點
本節簡要總結了DED的一般原理及其優缺點，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和多種材料的加工方面具有重大優勢，另一方面在機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。金屬軌道基于預先定義的艙口間距(即連續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，所有層的沉積產生了一個三維近凈形狀的組件，類似于計算機輔助設計(CAD)模型。在沉積前，利用軟件對三維數字模型進行切片，以指定切片厚度、艙口間距和每一層的沉積路徑。表1根據一些選擇標準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)從材料設計到修復再到應用，DED相對于PBF的關鍵優勢示意圖。(b) DED中微觀結構、多界面、熱循環、缺陷和殘余應力;(c)注入粉末、激光束和熔池之間的相互作用，在某些情況下導致熔池中形成小孔。
表1
不同熱源下DED工藝的比較。構建量是指主體流程可以處理的組件的相對大小。細節分辨率指的是流程創建小特征的能力。沉積速率是指生產一定質量的產品的速率。耦合效率是指能量從能量源轉移到基材的效率，潛在污染是指在部件內夾帶污垢、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，商業上可用的技術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，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系統可以同時沉積多種材料，并允許多軸沉積處理合理復雜的幾何形狀。DED也是一種有用的技術，用于填充裂縫，改造制造部件，修復高價值的金屬部件。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 用于現有商用打印機)。
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