激光粉末定向能量沉積的研究現(xiàn)狀及工業(yè)應用（2）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：據(jù)悉,，本文綜述了激光粉末定向能量沉積（LP-DED）的工業(yè)應用,。本文為第二部分,。


梯度材料
LP-DED工藝的一個主要優(yōu)點是可以通過改變沉積材料的成分來生產(chǎn)組件,，從而獲得功能梯度材料（FGM）,。通過局部更改構成零件的材料,，可以優(yōu)化零件的功能,。因此，F(xiàn)GMs組件的特性是不均勻的,，但它們在組件內(nèi)會發(fā)生變化,。例如，考慮到皮帶輪,，更可取的做法是在輪轂和輪緣附近使用硬化耐磨材料,，在芯部使用更具韌性的材料（圖16）。兩種材料之間界面區(qū)的機械性能介于純材料性能之間,。

圖16 功能梯度材料在皮帶輪上的應用表示,。

工業(yè)中廣泛使用了幾種常規(guī)技術，可以獲得FGM組件,，如物理氣相沉積（PVD）,、化學氣相沉積（CVD）、粉末冶金（PM）和離心法（CM）,。然而,，與傳統(tǒng)工藝相比，使用LP-DED工藝,，除了可以生產(chǎn)復雜形狀外,，還可以獲得更高的產(chǎn)量、更低的能耗和最大的材料利用率,。此外,，LP-DED過程允許修改設計過程，引入化學成分作為設計參數(shù),。

在以下段落中,，介紹了工業(yè)和學術領域中獲得的最相關的研究結果，涉及應用的宏觀領域,，即航空航天,、工具和前兩個領域中未包括的所有其他部門,。

航空航天用LP-DED FGM零件
航空航天部門是第一個應用FGMs的部門。FGM組件包括火箭發(fā)動機組件,、航天器桁架結構和熱交換面板,。然而，生產(chǎn)的零件具有高應力集中的特點,，可能會發(fā)生分層,。因此，進行了幾項可行性研究,，以優(yōu)化具有不同特性的材料組合,，同時考慮工藝參數(shù)和成分。此外,，連接的幾何形狀和尺寸也會影響機械性能,。

在使用預混合粉末混合物的LMD過程中，沉積前后的組成比可能不同,。

鈦合金因其高耐蝕性,、高強度重量比、低密度和高溫下的高強度而在航空航天領域得到廣泛應用,。然而,，它們的耐磨性差，硬度低,。為此,，為了克服這一問題，研究了不同的FGM材料,。其中,，TiC是生產(chǎn)鈦FGM組件研究最多的材料之一，因為它與鈦合金具有冶金兼容性,，密度低,，硬度和楊氏模量值高。

（a）制造良好的GRCop-84/鉻鎳鐵合金718雙金屬結構,。（b） GRCop-84/鉻鎳鐵合金718雙金屬結構的橫截面,。（c） GRCop-84/鉻鎳鐵合金718 FGM,，具有成分梯度層,。

此外，應注意的是,，不同的航空航天組件,，如望遠鏡和高精度光學鏡基板，受到可能導致熱沖擊和尺寸變形的大溫度變化,。這可以通過使用具有低熱膨脹系數(shù)特征的材料來減少,。

鉻鎳鐵合金是另一種成功用于航空航天應用的材料,，因為它具有耐高溫腐蝕、抗疲勞和抗蠕變的性能,。為了提高鉻鎳鐵合金718的導熱性,，Onuike等人生產(chǎn)了In718/GRCop-84 FGM。GRCop-84是一種銅基合金,，用于主燃燒室和噴嘴襯套,。采用了兩種方法，即在In718上直接沉積GRCop-84和在沉積過程中逐漸變化GRCop-84合金,。結果表明,，與IN718相比，采用漸變法可以獲得更均勻的界面,，熱導率提高約300%,。然而，為了生產(chǎn)無缺陷樣品,，由于GRcop-84的高反射率,，比能量應增加約270%。

模具行業(yè)中的LP-DED FGM

功能梯度材料的首批工業(yè)應用之一涉及表面涂層,，由海德激光服務公司獲得,。這是一家總部位于馬薩諸塞州的公司，其應用主要集中在工具和模具,、核能和發(fā)電行業(yè)的耐磨涂層上,。第一步是比較LP-DED工藝與傳統(tǒng)工藝的性能。使用LP-DED工藝在鎳基體中沉積碳化鎢,，與傳統(tǒng)工藝（如熱噴涂或等離子轉(zhuǎn)移工藝）相比,，他們獲得了更好的冶金結合。Thivillon等人將LP-DED工藝與TIG焊接進行了比較,，分析了鈷基鎢鉻鈷合金和鎳基高溫合金Inconel 625的涂層質(zhì)量,。通過顯微組織、硬度和稀釋度等不同特性來評估涂層質(zhì)量,。結果表明,，采用LP-DED工藝可獲得更高的硬度和更細的晶粒。此外,，TIG焊接獲得的冶金結合顯示出許多不規(guī)則性,。相比之下,，LP-DED得到的冶金結合效果較好（圖17）,。

圖17 鎢鉻鈷合金6涂層TIG和b DMD工藝的比較。

硬度是影響模具壽命的最重要因素之一。事實上,，模具壽命隨著硬度值的增加而增加,。H-13工具鋼由于其高淬透性和高抗熱疲勞性，是模具行業(yè)最常用的材料之一,。Chen等人在718H鋼上沉積CoMoCr合金表明,，由于碳化物和馬氏體硬質(zhì)相的形成，模具顯微硬度比初始結構增加了兩倍,。

除了機械特性外,，F(xiàn)GM材料還成功應用于優(yōu)化模具和模具的能耗、環(huán)境影響和材料使用,。事實上,，H-13工具鋼的另一個缺點是導熱系數(shù)低，這會導致更長的時間周期,。為了優(yōu)化能耗,、環(huán)境影響和材料使用，并進一步縮短循環(huán)時間,，高導電材料被用作體積散熱器,。這些材料包括Ampcoloy 940、銅合金和工具鋼,。Morrow等人表明,，將H-13工具鋼沉積在銅基板上，如圖18所示,，與傳統(tǒng)工具鋼模具相比，注塑時間周期可減少約25%,。然而,，當在鋼基體上沉積銅時，由于這兩種材料的異質(zhì)性,，可能會出現(xiàn)一些困難,。例如,，在AISI H-13鋼上沉積純銅期間,，Noecker和DuPont表明存在三種取決于銅濃度的開裂敏感性水平,。這些裂紋歸因于較大的凝固溫度范圍,、不期望相的形成以及熱膨脹系數(shù)的差異,。

圖18 功能梯度工具鋼銅模,。

Ahn和Kim使用三種不同的材料制作了一個熱管理模具,，如圖19所示：Ampcoloy 940用作基礎部件，P21工具鋼用作模塑部件,，Monel 400用于中間層,，以減少連接區(qū)域的熱應力。結果表明,，使用FGM模具的循環(huán)時間和冷卻時間分別減少了約30%和80%,。

圖19 功能梯度熱管理模具。

Fessler等人生產(chǎn)了從100%不銹鋼到100%因瓦的FGM樣品,。這種功能梯度材料因其優(yōu)異的性能而被選用。事實上,，不銹鋼具有較高的耐腐蝕性能,，而因瓦的熱膨脹系數(shù)很低，因此用于減少因殘余應力引起的變形,。美國鋁業(yè)公司將這種功能梯度材料用于生產(chǎn)一種先進的注射模具,。該模具的特點是采用銅芯，以減少循環(huán)時間,，采用因瓦體,，以減少因熱應力引起的變形，并采用不銹鋼外表面,，以防止腐蝕,。

LP-DED FGM的其他應用

為了提高汽車行業(yè)的耐磨性和耐腐蝕性，使用鋼和鉻鎳鐵合金生產(chǎn)的梯度金屬材料得到了成功的應用,。汽車用的功能梯度材料組件包括閥桿,、活塞、傳動軸和減震器,。鉻鎳鐵合金由于在高溫下具有良好的機械性能和耐腐蝕性能而被成功應用,。Carroll等人成功地使用LP-DED工藝生產(chǎn)了從304L不銹鋼到625鉻鎳鐵合金分級結構的樣品(圖20)。通過改變沉積IN625粉末的質(zhì)量量,，獲得FGM組分,。顯微觀察結果顯示顯微結構逐漸改變，沒有明顯差異,。對于成分約為82 wt%的SS304L,，可以觀察到尺寸約為幾微米的二次相顆粒。這些第二相顆粒在沉積過程中產(chǎn)生了約100μm的裂紋,。

圖20 a 理論上的和b - DED生產(chǎn)的功能梯度材料樣品,。

不使用工具和模具生產(chǎn)近凈形狀部件是AM工藝的主要優(yōu)點之一。這樣可以節(jié)省材料并縮短交付周期。在大多數(shù)情況下,，LP-DED的生產(chǎn)應用指的是大型部件的生產(chǎn)和使用高熔點合金的生產(chǎn),。此外，應注意的是,，使用LP-DED工藝的生產(chǎn)速度平均是L-PBF工藝的十倍,。此外，LP-DED生產(chǎn)的樣品的機械特性與使用常規(guī)工藝獲得的性能相當,。本節(jié)介紹了LP-DED工藝生產(chǎn)的部件示例,，重點介紹了其應用的部門，即航空航天部門,、工具部門和所有其他部門,。

LP-DED生產(chǎn)航空航天零件

航空航天部門是LP-DED工藝被廣泛用于生產(chǎn)的最重要部門之一。推動該行業(yè)使用LP-DED工藝的主要原因是,，與使用L-PBF工藝生產(chǎn)的部件相比,，可以生產(chǎn)尺寸更大的部件。

圖21 中國商飛C919的5米長鈦翼梁,。

DMG Mori使用LASERTEC 65 3D混合機器生產(chǎn)了一個不銹鋼渦輪殼體（圖22）,。渦輪機殼體的特點是直徑為180 mm，高度為150 mm,。生產(chǎn)該成分所需的時間約為230分鐘,。TWI給出了LP-DED過程應用的另一個示例。使用一臺五軸LP-DED機器,，成功地制造出了Inconel 718直升機發(fā)動機燃燒室（圖23）,。生產(chǎn)的腔室直徑為300 mm，高度為90 mm,�,？⒐�構件相對于CAD幾何圖形的平均公差約為0.25 mm。此外,，獲得了約0.09 mm的薄壁尺寸精度,。此外，TWI表明,，建造時間從傳統(tǒng)制造工藝的2個月縮短到使用LP-DED工藝生產(chǎn)的7.2小時,。

圖22不銹鋼渦輪機殼的生產(chǎn)（尺寸Ф180 mm × 150 mm）：a實現(xiàn)主缸，b通過旋轉(zhuǎn)建筑工作臺產(chǎn)生斜面,，c產(chǎn)生12個橫向連接,，d完成操作后的部件（由DMG Mori提供）

圖23 實現(xiàn)尺寸為300 mm的IN718直升機發(fā)動機燃燒室（由TWI提供）。

除了生產(chǎn)大型部件外,，不同的研究表明,，與傳統(tǒng)制造工藝相比,，LP-DED工藝允許短時間交付部件。Hedges和Calder表明,，由于其靈活性,，LP-DED流程可用于管理快速設計修改，而無需重新裝備,。圖24顯示了LP-DED生產(chǎn)的國防應用中使用的外殼。對于傳統(tǒng)制造系統(tǒng),，生產(chǎn)外殼所需的時間約為6個月,。相反，使用LP-DED工藝,，零件在3天內(nèi)制造,。

圖24 用于國防應用的316L外殼（由Optomec®提供）。

NCMS進行的另一項研究表明,，LP-DED工藝將生產(chǎn)模具所需的時間減少了約40%,。2004年，貝爾直升機公司在航空航天領域進行了LP-DED的另一項應用,。高材料完整性和快速交付的要求導致了LP-DED工藝的使用,。LENS 850-R系統(tǒng)用于為軍用直升機的燃氣輪機制造鈦1/6比例混合噴嘴（圖25）。生產(chǎn)所需的時間從使用傳統(tǒng)鑄造工藝的9周減少到3周,。

圖25 Ti64貝爾直升機公司生產(chǎn)的燃氣輪機混合噴嘴的1/16比例模型（由Optomec®提供）,。

提高沉積速度可以提高沉積速率值。然而,，由于沉積頭電機的有限加速度,，不可能大幅提高速度。此外,，隨著沉積速度的增加,，沉積材料呈現(xiàn)出與標稱尺寸相差很大的凸面形狀。因此,，Ma等人為了以高沉積速度生產(chǎn)大型組件,，優(yōu)化了沉積策略，以最小化幾何偏差,。該優(yōu)化是在一個支架上進行的,，該支架的設計與飛機應用中機翼組件的塔架肋類似。在他們的實驗中,，開發(fā)了一種變方位光柵掃描（VORS）沉積策略,。結果表明，使用開發(fā)的沉積策略,，偏差從4 mm減小到1 mm,。圖26描述了在沉積策略的實驗驗證中產(chǎn)生的支架,。

圖26 激光粉末定向能量沉積工藝生產(chǎn)316L大型支架：a在沉積過程中，b最終結果,。

LP-DED生產(chǎn)工具和模具

使用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)模具的問題與制造模具所需的交付周期有關,，在某些情況下，交付周期可能長達一年,。為了解決這個問題,，LP-DED工藝成功地應用于不同的研究中，以減少制造時間,。Morrow等人和POM集團進行的研究表明,，使用LP-DED工藝的提前期比使用常規(guī)工藝的提前期縮短了約70%。

此外,，AM工藝在制造業(yè)中的應用使生產(chǎn)具有保形冷卻通道的模具成為可能,。為了驗證LP-DED工藝生產(chǎn)保形冷卻通道的能力，并評估由此產(chǎn)生的效益,，J.S.模具與POM集團公司合作生產(chǎn)了一種用于生產(chǎn)輪式部件的模具,。結果表明，該模具和保形冷卻通道成功制造,。此外,，共形冷卻通道的使用使成型周期縮短了20–50%，這體現(xiàn)在經(jīng)濟效益上,。

LP-DED在其他部門的生產(chǎn)

生物醫(yī)學領域也有不同的應用,。醫(yī)學領域使用的金屬植入物的主要問題是金屬部分和骨骼的機械特性不匹配，這可能導致骨折和其他問題,。因此,，一些研究側重于減少這種不匹配。例如,，Dinda等人使用LP-DED工藝生產(chǎn)Ti6Al4V支架,，用于患者特定的骨組織工程（圖27）。該過程是在控制室中使用氬和氦的混合物進行的,。這樣,，與氧化有關的問題就減少了�,？⒐ぶЪ艿钠骄�表面粗糙度��25μm,。噴砂操作后，表面粗糙度降低至12μm,，達到骨組織工程的推薦標準,。竣工部分具有非常高的拉伸強度和屈服強度,，分別為1163 MPa和1105 MPa,；然而,，延展性低于ASTM F136-79規(guī)定的極限。因此,，進行熱處理以增加延展性值,。他們的工作表明，LP-DED是生產(chǎn)硬組織生物材料的合適工藝,。

圖27 DMD工藝生產(chǎn)的STL文件和b Ti6Al4V支架,。

Krishna等人提出了一種方法，允許使用LP-DED工藝生產(chǎn)功能性髖關節(jié)干（圖28）,。在他們的研究中,，為了獲得內(nèi)部孔隙度，改變了工藝參數(shù)和設計方法,。這種誘導的內(nèi)部孔隙可以降低組件的體積密度,，并減少骨的剛度和植入材料的剛度之間的差異,。結果表明,，體積密度從4.5 g/cm3降低到3.6 g/cm3，LP-DED工藝可成功用于生產(chǎn)定制植入物,，并根據(jù)患者的需要提供個性化的特性,。

圖28 在LP-DED工藝中通過改變工藝參數(shù)獲得具有不同孔隙度水平的功能性髖關節(jié)柄。

此外,，Palčič等人表明,，使用LP-DED工藝可以減少復雜的操作程序。他們制作了一種空心薄壁髓內(nèi)釘（IM釘）,，用于固定橈骨頭部（圖29）,。由于鈦合金Ti6Al4V的生物相容性、耐腐蝕性和骨整合性,，本實驗選擇的材料為鈦合金Ti6Al4V,。使用LP-DED工藝生產(chǎn)的部件與使用常規(guī)技術（車削和鉆孔）生產(chǎn)的部件進行了比較。結果表明,，由于中空結構,，LP-DED工藝生產(chǎn)的組件更輕。

圖29 完成操作前后的IM釘?shù)腃AD截面和Ti6Al4V原型,。

應用LP-DED工藝的其他部門包括汽車,、工具生產(chǎn)、軍事和航天部門,，強調(diào)了使用LP-DED工藝可獲得的成本和時間效益,。例如，奧托梅克公司使用LP-DED工藝成功生產(chǎn)了紅牛賽車的驅(qū)動軸十字軸和懸掛山支架,。生產(chǎn)的部件如圖30所示,。使用LP-DED工藝,，可顯著減少約50%的時間和成本。此外,，懸架安裝支架的廢料減少約92%,，驅(qū)動軸十字軸的廢料減少約97%。

圖30 a Ti64懸架安裝支架和b Ti64齒輪箱卡盤采用透鏡工藝制造,，可節(jié)省90%以上的材料損失（由Optomec®提供）,。

在Advanced Robotics Mechantronics System（ARMS）項目中，評估了使用LP-DED工藝生產(chǎn)空間機器人機械手集成臂/外殼的好處,。所生產(chǎn)的零件如圖31所示,。結果表明，對于復雜零件,，LP-DED工藝經(jīng)濟方便,。相反，對于幾何形狀簡單的小零件,，使用常規(guī)制造工藝可以獲得經(jīng)濟效益,。此外，考慮到將不同組件集成到一個最終零件中所產(chǎn)生的經(jīng)濟優(yōu)勢,，還證明了LP-DED工藝的潛力,，尤其是遠程自主操作的潛力。

圖31 LP-DED集成動臂/殼體,。

Xue等人使用LP-DED工藝生產(chǎn)CPM-9 V工具鋼的旋轉(zhuǎn)切割模具（圖32）,。他們成功地生產(chǎn)了多個旋轉(zhuǎn)模具，證明了LP-DED工藝相對于傳統(tǒng)制造工藝的優(yōu)勢,。特別是,，他們證明，LP-DED工藝生產(chǎn)的模具可以切割超過180000米的標簽,，而無需重新塑形,。使用LP-DED工藝，與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比,，生產(chǎn)時間縮短了三分之一,。此外，材料成本降低了約50%,，模具壽命提高了約100%,。

圖32 精加工后的LP-DED CPM-9 V旋轉(zhuǎn)切割模。

最后,，LP-DED工藝也成功應用于聲納應用中,，用于生產(chǎn)文件夾式殼體投影儀（FPS）。該部件的特點是具有復雜的薄壁結構,，內(nèi)部尖角無法使用傳統(tǒng)制造工藝實現(xiàn),。NCR-IMI與加拿大國防研發(fā)部（DRDC）合作證明,，LP-DED工藝可用于生產(chǎn)無裂紋或缺陷的FPS。

結論和未來展望
本綜述的目的是對LP-DED工藝的當前工業(yè)應用進行總結,。與其他AM工藝相比,，LP-DED工藝的主要優(yōu)點是生產(chǎn)大型部件的可能性，將材料沉積到現(xiàn)有表面的可能性,，以及在制造過程中直接改變沉積材料的可能性,。

觀察到，主要應用于渦輪葉片等形狀復雜的高價值部件的維修作業(yè),。與其他修復工藝(如TIG或等離子轉(zhuǎn)移弧焊)相比,，鼓勵使用LP-DED工藝的原因是更低的熱量輸入，更低的翹曲和變形,，以及更高的精度,。此外，采用LP-DED工藝可以節(jié)省大量的成本和時間,。提高表面質(zhì)量是目前LP-DED工藝的主要問題之一,，需要進一步的研究工作來優(yōu)化工藝參數(shù)。此外,，為了改進工藝,，獲得更高的重復性也是必要的,，以了解基板的形狀和尺寸的影響,，在修復操作的情況下，這與受損的部分重合,。

由于可以在現(xiàn)有表面上沉積,，并且在制造過程中可以使用不同的材料，LP-DED工藝被廣泛用于生產(chǎn)設計材料,。這種能力被應用在不同的部門,，以提高機械性能，如耐磨和耐腐蝕,，硬度,，和熱性能，如模具中的導熱系數(shù),，以改善熱交換�,，F(xiàn)階段，由于兩種不同材料的熔合會產(chǎn)生復雜的現(xiàn)象,，功能梯度分析的應用主要局限于研究界面區(qū)域的可行性案例,。主要問題是對每一對廢舊材料的工藝參數(shù)的選擇。仿真模型可以通過定義和限制工藝參數(shù)窗口,，從而限制優(yōu)化工藝參數(shù)所需的實驗測試來克服這一問題,。從文獻綜述中發(fā)現(xiàn),，到目前為止，LP-DED工藝用于生產(chǎn)數(shù)量有限的,、具有相對簡單的幾何形狀和高維特征的零件,。這與LP-DED工藝無法管理具有懸垂特性的組件有關。傾斜基底之間的整合和沉積頭的運動允許克服這一限制,。然而,，有必要分析傾斜襯底對沉積參數(shù)特性的影響，如粉末流動和功率吸收,。

來源：Current research and industrial application of laser powder directed energy deposition, Manufacturing Technology, 10.1007/s00170-021-08596-w

參考文獻：Slack N (2013) Brandon-Jones, A., and Johnston, R. Operations management, 7th ed. Pearson, Edinburgh, UK