定向能沉积(DED)增材制造：物理特性、缺陷、挑战和应用（1）

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。本文为第一部分。

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)