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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 284 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)。

DED工艺参数图

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。

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

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

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。

定向能沉积(DED)增材制造

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)

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。

定向能沉积(DED)增材制造

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

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)。

DED中残余应力的来源

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。

通过扫描策略优化缓解残余应力

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。

印后表面处理对残余应力的影响

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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