定向能沉积(DED)增材制造：物理特性、缺陷、挑战和应用（4）

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。本文为第四部分。

多孔性

孔隙率的来源：孔隙率是DED最常见的缺陷之一。它通常通过三种主要机制形成：（1）小孔，这些小孔是由于沉积过程中的高能量密度而产生的，并导致局部汽化和气体截留（图14a）；（2）源于原料的气孔、熔化过程中合金中元素的选择性蒸发或保护惰性气体在熔池中的截留；以及（3）由于熔池未充分渗透到基板或之前沉积的层中，即能量输入不足而导致的未熔合（LoF）（图14b）。区分层间孔隙度（即LoF）和层内孔隙度也是很常见的。后者通常随机分布在大量样品中。

图14 DED中孔隙的成因和类型。（a） 316L SS中LOF孔隙度的示意图和SEM显微图。（b） Ti–6Al–4V中钥匙孔孔隙度的示意图和SEM显微图。（c）各种金属和合金的线性能量密度、粉末进给速度和孔隙率之间的关系。

就形状而言，键孔是相对较大的孔隙，这些孔隙要么水平呈圆形，在构建方向上拉长，要么顶部比底部宽。另一方面，气孔是所有气孔中最小、最球形的。最后，LoF孔隙通常较大（长度尺度与熔池大小相似），形状不规则。球形系数有助于区分不同类型的孔隙度。低于0.6、高于0.7和高于0.92的值分别与LoF或部分熔融的粉末颗粒、小孔和气体孔隙度有关。

由于孔隙率会降低机械性能并促进裂纹的形核和扩展，因此密度测量是沉积材料的首要主要质量控制测试之一。在工艺优化中，目标通常是达到99.5%以上的密度。在粉末DED中，孔隙率取决于粉末进给速度（图14c）和由激光功率、激光光斑大小和扫描速度定义的能量输入以及粉末孔隙率。

具有最高（顶部）和最低（底部）竣工密度的样品的XμCT射线照片和3D子体积渲染

孔隙率对沉积材料和组件的影响：孔隙率对机械性能都有直接和不利的影响，尤其是对打印件的抗疲劳性、各向异性、抗氧化和耐腐蚀性。由于不规则或成簇的孔隙可能充当应力集中体，因此认为它们比球形孔隙对力学性能的危害更大，尤其是当它们垂直于加载方向时。

孔隙率测量：最近在工艺优化和现场工艺控制方面的努力使得密度大于99%的零件的常规DED制造成为可能。有几种测量AM零件孔隙度/密度的方法，包括阿基米德法、超声波脉冲回波速度测量、金相横截面图像分析、X射线显微计算机断层扫描（μCT）、同步加速器设备中的硬X射线和气体比重计。

控制粉末原料的成分和质量对于减少DED中的孔隙率也至关重要，因为粉末原料会引入印刷零件中的一些气孔。可以通过打印后处理（如HIP）来封闭DED零件中的孔隙。

综上所述，现有的大多数孔隙度研究都集中于研究特定金属或合金，不能扩展到一般的DED工艺。需要更深入地了解材料特性（例如激光吸收率、热膨胀系数、热导率和表面张力）如何影响DED过程中孔隙的形成和演化，以减少工艺优化所花费的时间。

抛光（a）17-4PH和（b）304L-4透镜粉末的显微照片

开裂和分层

开裂和分层的起源：分层和开裂通常在分层制造中最常见，但在DED和其他AM技术的情况下，快速加热和冷却循环产生的热应力会进一步增强分层和开裂。分层（即，两个连续层之间或第一个沉积层与基板之间的分离）是由于产生的层间残余应力高于材料的屈服强度。分层通常是由于加入未熔化/部分熔化的粉末或熔池下方各层未充分重熔造成的。它通常发生在建筑物和基板之间的界面处，此处存在高应力集中。

AM制造零件中的裂纹在阻碍金属AM的广泛工业应用方面起着重要作用。这在很大程度上取决于熔敷材料，即在熔焊中容易开裂的金属和合金在AM处理过程中可能容易开裂。AM'ed零件中的主要裂纹类型有：（i）沿晶界的凝固裂纹，也称为热裂纹。这是由于与底层或底板相比，顶部较热层的收缩更大，导致高拉伸应力的演变。当过程中施加的能量对特定材料而言过高时，可能会发生这种开裂，这取决于凝固的性质；（ii）建筑物“糊状”或部分熔融区（PMZ）内的液化开裂。这是由于在快速加热至低于液相线温度的过程中，一些晶界沉淀物熔化，以及在冷却过程中，由于凝固和热收缩，部分熔化区中的拉伸应力演变而导致的。固相线和液相线温度差异较大的合金（例如，镍基高温合金）、较大的凝固收缩（例如，Ti–6Al–4V）和较大的热收缩（例如，铝基合金）最容易发生这种裂纹；（iii）延展性倾斜裂纹，一些面心立方（fcc）结构合金在高温下遇到的固态晶间裂纹。

开裂和分层对沉积材料和零件的影响：开裂和分层会导致静态和动态力学性能退化、耐蚀性降低和过早失效。

在构建实心立方体的第12层时，计算的熔合区域和σxx应力

裂纹表征：裂纹和分层可以通过破坏性和非破坏性试验以及计算建模来表征。破坏性试验包括金相横截面、裂纹开口及其扫描电子显微镜（SEM）表征（断口）。无损检测（NDT）包括磁粉、射线照相、μCT或超声波检测等。

PBF-L过程中熔池前部纵向凹陷的温度场和速度场

缓解：缓解分层和开裂问题的唯一方法是防止其形成。这可以通过工艺优化来实现，包括基板和腔室预热、优化冷却速率、限制纵横比和壁厚、优化构建中的扫描策略和零件方向，以及在一起打印多种材料时确保材料兼容性。

高表面粗糙度

表面粗糙度的来源：DED是一种近净形状工艺，意味着必须进行补充后处理，如机加工或抛光，以达到所需的公差和表面质量。镶嵌零件的高表面粗糙度可能主要是由于：（i）由于低热量输入和大粉末颗粒而粘附在部分熔融粉末颗粒的表面，以及由于高激光扫描速度下的罗利不稳定性而产生的成球，从而将熔池破碎成小岛，并拖到熔池的外边缘；（ii）阶梯效应，限制所有分层制造过程，尤其是在形成倾斜或弯曲表面时；（iii）熔融材料的飞溅。表面粗糙度由各种材料原料、零件设计、加工和后处理条件和变量决定。

表面粗糙度对沉积材料和零件的影响：表面粗糙度影响沉积零件的尺寸和几何公差，并严重影响其机械性能，尤其是疲劳性能。据报道，表面粗糙度∼200 µm可将疲劳强度降低20–25%，具体取决于AM工艺。

表面粗糙度测量：表面粗糙度可以通过多种分析技术进行测量，如接触式（如原子力显微镜（AFM）或触针）或非接触式（如共焦激光扫描显微镜（CLSM）或白光干涉仪）轮廓术和SEM。最近提出了一种新的非标准光学测量程序，用于测量DED处理合金的表面粗糙度，该程序采用商业视频和具有大测量范围的多传感器测量系统。结果与白光干涉测量的结果进行了比较。

缓解措施：可以通过增加热输入来降低表面粗糙度（只要不太高，引入高热应力和不均匀凝固速率）。例如，这可以通过高激光功率和低扫描速度来实现。其他方法包括使用较小的层厚度和更细的粉末颗粒。最后，通常采用热等静压和化学/电化学抛光等后处理操作。

PBF-EB预测的熔池形状。（a）水平顶面温度场，（b）最大熔池横截面温度场，（c）中心纵面熔池形状。

wire-fed DED加工材料中的缺陷

前面的小节已经提到了与线材加工材料相关的一些缺陷。本节旨在添加更多细节并提供简明摘要。残余应力、气孔、高表面粗糙度和裂纹也是WAAM加工金属零件的相关缺陷。它们与不当的加工条件（例如，能量输入不足或过多、飞溅物喷射或路径规划不良）和原料属性（例如，金属丝或基板污染）有关。孔隙度是WAAM中最常见的缺陷，主要由气体夹带引起。在复杂的沉积路径或可变的制造过程中，经常会观察到由于飞溅喷射或熔化不足而产生的间隙或空洞。

WAAM主要研究小组的分布

此外，电线和基板的表面污染以水分、污垢或油脂的形式存在，可在沉积过程中吸收能量，并在固化后形成孔隙。此外，未熔化电线的部分可能会卡在WAAM加工零件上。WAAM加工过程中发生的复杂热循环导致整个制造过程中的微观结构混合，对机械性能不利。由于熔池尺寸、焊道宽度和层厚度较大，送丝加工零件的表面粗糙度可能较高。与粉末填充的DED一样，WAAM制造零件中会产生残余应力；它们可能高于熔敷金属的屈服强度，导致熔敷零件大变形、公差差、开裂和分层。

通过优化沉积路径、基板预热、保持时间调节、后处理热处理或将基板安装在5轴系统上，并在两侧构建零件，从而平衡残余应力，可以显著降低WAAM中的残余应力。发现从边缘到中心的扫描策略可以在基板上产生较少的残余应力。Lee等人报告，通过使用180°旋转的双向刀具路径，残余应力降低了50%，这可以减少零件底角处的裂纹形成可能性。还发现，冷轧和超声波冲击试验可降低WAAM零件中的残余应力。可以通过引入传感器来防止侧面塌陷和未熔化的电线，以确保接触端到工作距离恒定，层间温度恒定。由于金属的热膨胀不匹配，双金属部件比单金属部件显示出更高的残余应力和后续变形。

未来方向

由于DED固有的灵活性和独特的能力，该技术的未来非常令人兴奋。在我们迄今为止讨论的关键领域中，使用DED修复零件的前景可能最为广阔。虽然DED不会取代传统的焊接站，但修理高价值或同类零件要比制造它们便宜得多。此外，添加不同的合金以延长使用寿命将使基于DED的修复比仅焊接更令人兴奋。DED平台将用于使用类似合金进行修复，并在修复过程中沉积金属-陶瓷复合材料，以延长使用寿命或改善植入物的生物相容性。

顶部）带有用于材料沉积的挤压喷嘴的多材料生物打印机示意图。底部）生物打印3D支架的血管化进展。1）载细胞材料（蓝色）以任何方向印在基底上2）基质材料填充构建层周围区域3）添加额外基质或血管化材料4）冲洗载细胞小管以洗去多余材料并孵育，使内皮前细胞衬在支持基质上，使其能够在生物条件下培养。

还可以预见，DED将在多材料AM领域流行，包括可以自然构建的微观结构设计。多材料结构只能使用DED或HAM平台在一次操作中制造。在未来几年，在不同位置定制特定于应用程序的属性可能会成为一项颠覆性技术。为了使其更加可行，多材料CAD和相关FE分析及拓扑优化技术的进步需要进一步成熟，以提供这些多材料零件的可靠性和再现性。切片软件的进一步改进，如自适应和/或局部自适应切片和刀轨生成软件对不同位置的不同材料沉积敏感，将使多材料AM更容易实现。

除金属和合金外，预计DED还会影响氧化物和碳化物基陶瓷或高温硼化物或氮化物基陶瓷的直接陶瓷加工。陶瓷的DED可用于硬质涂层或小型特种块体陶瓷结构。最后，预计未来几年将使用DED技术设计出新的合金。在受控环境下进行成分修改的固有灵活性以及可通过DED加工的多种金属和陶瓷的多功能性是合金设计的一大优势。当然，随着越来越多的用户使用可靠的机器工作，并有信心将其用于关键应用，使用DED制造复杂零件或在现有零件上添加多孔或致密涂层也将增长。由于有如此多的探索机会，包括我们今天可以想象的应用程序和其他我们只会在未来学习的应用程序，因此，随着时间的推移，DED是一个更具吸引力的旅程。

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)