華東理工《JMST》綜述：層間增強(qiáng)+金屬增材制造的研究進(jìn)展,！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：增材制造（AM）具有快速原型,、高設(shè)計(jì)自由度和靈活制造的優(yōu)勢(shì)，而由于固有缺陷和殘余應(yīng)力,，增材制造產(chǎn)品的機(jī)械性能并不均勻,。將層間表面增強(qiáng)（SE）技術(shù)集成到AM中是改善成型材料的微觀結(jié)構(gòu)、緊密缺陷,、殘余應(yīng)力狀態(tài),、機(jī)械性能和化學(xué)性能的潛在解決方案。本文通過(guò)SE和AM的結(jié)合回顧了關(guān)于AM過(guò)程的當(dāng)前文獻(xiàn),，并證明了從技術(shù)層面將SE技術(shù)集成到AM中的可能性,。然后，在微觀結(jié)構(gòu),、缺陷,、殘余應(yīng)力、機(jī)械性能和化學(xué)性能方面介紹了SE工藝對(duì)AM部件的改進(jìn)效果,。最后,，考慮到常用的定向能量沉積（DED）工藝和超聲波沖擊處理（UIT），提出了一個(gè)閉環(huán)質(zhì)量控制框架,，用于將層間UIT集成到DED工藝中,。指出了混合AM和中間SE的未來(lái)研究方向。

金屬增材制造（AM）是一種具有高設(shè)計(jì)和制造自由度、高材料利用率和快速原型技術(shù),，已廣泛應(yīng)用于模具修復(fù),、醫(yī)療領(lǐng)域、航空航天工業(yè)和許多其他潛在應(yīng)用,。Díaz等人通過(guò)激光包層對(duì)老化蒸汽回路部件進(jìn)行添加劑修復(fù),，具有良好的電阻、腐蝕性和腐蝕性涂層材料,，提高了熱電站的耐用性,。在AM的幫助下，Lin等人定制了具有高表面密度的鈦合金髖關(guān)節(jié)植入物,，該植入物已成功應(yīng)用于金毛獵犬的股骨頭置換,。Caiazzo等人實(shí)施了AM技術(shù)來(lái)制造具有預(yù)期幾何形狀的復(fù)雜IN 718渦輪葉片。然而,，由于粗柱狀顆粒和各種內(nèi)部缺陷,，如微裂紋、孔隙和不完全融合,，加性制造的組件通常表現(xiàn)出不可靠的機(jī)械性能,。此外，AM工藝的快速加熱和冷卻周期涉及不可避免的拉伸殘余應(yīng)力,，降低了所生產(chǎn)部件的疲勞性能,。

熱處理、熱等靜壓或表面增強(qiáng)（SE）的后處理是提高AM部件質(zhì)量的常見(jiàn)方法,。熱處理通常用于改變微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)沉淀行為,，釋放殘余應(yīng)力,，并改善添加劑制造部件的機(jī)械性能。熱穩(wěn)壓可以有效消除AM部件的孔隙和熱裂紋,。表面增強(qiáng)加工技術(shù),，如激光噴丸、超聲波軋制和超聲波沖擊,，可以提高AM零件的表面硬度,，將拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為地下的壓縮應(yīng)力，并細(xì)化晶粒,，以提高零件在腐蝕和疲勞中的性能,。然而，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),、殘余應(yīng)力和零件缺陷的改善受到SE有效深度的限制,。
由于AM過(guò)程是一個(gè)逐層的范式，所以原位過(guò)程也用于提高AM材料的質(zhì)量。將SE工藝集成到AM工藝的中間層中,，是根據(jù)需要改善微觀結(jié)構(gòu),、缺陷和殘余應(yīng)力分布的潛在方法，因此可以實(shí)現(xiàn)高性能和可靠性的金屬部件,。本文回顧了SE技術(shù)及其在AM過(guò)程中的應(yīng)用,。從微觀結(jié)構(gòu)、缺陷,、殘余應(yīng)力,、機(jī)械性能和化學(xué)性能等方面全面探討了SE對(duì)AM部件質(zhì)量的影響。提出了一個(gè)與中間層SE技術(shù)集成的AM的閉環(huán)質(zhì)量控制框架,，其中討論了監(jiān)測(cè)和控制技術(shù),。相關(guān)研究成果以“Integration of interlayer surface enhancement technologies into metal additive manufacturing: A review
”發(fā)表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1005030223004425

圖1.不同表面增強(qiáng)的示意圖：（a）SP,，（b）USRP,，（c）UIT，（d）LSP,，（e）USP,，（f）軋制和（g）鍛造。

圖2.適用于SLMed 316L的USRP后處理工藝路線示意圖

圖3.USP儀器和撞擊腔室樣品表面的鏡頭示意圖

圖4.應(yīng)用于DLDed CrMnFeCoNi的LSP后處理工藝路線示意圖

圖5.軋制和焊接設(shè)備的示意圖

圖6.混合沉積和微軋制技術(shù)（HDMR）示意圖

圖7.SLM和LSP組合集成設(shè)備的示意圖

本文回顧了集成到AM中的SE技術(shù)的混合制造,，以提高AM材料的質(zhì)量,。介紹了SE和AM的原理和集成方法，并通過(guò)微觀結(jié)構(gòu),、缺陷,、殘余應(yīng)力、機(jī)械性能和化學(xué)性能的五個(gè)方面驗(yàn)證了集成的可行性,�,？紤]到現(xiàn)階段AM的流程優(yōu)化、監(jiān)控和控制手段,，提出了閉環(huán)質(zhì)量控制系統(tǒng)框架,。有關(guān)混合AM流程的未來(lái)利益包括：
(1)工藝參數(shù)的優(yōu)化：盡管對(duì)不同AM技術(shù)的工藝窗口進(jìn)行了許多研究，但混合制造是多個(gè)工藝的集成,，這增加了工藝的復(fù)雜性,。對(duì)于適當(dāng)?shù)墓に嚪秶�，�?yīng)考慮以下問(wèn)題：（i）AM沉積過(guò)程是穩(wěn)定和可重復(fù)的,；（ii）SE不會(huì)對(duì)AM工件造成嚴(yán)重的扭曲或開(kāi)裂,；（iii）AM的熱影響區(qū)應(yīng)盡可能淺，而SE的塑性變形區(qū)應(yīng)盡可能深,，以確保SE的有益作用在下一層沉積期間可以部分保留,。此外，許多學(xué)者研究了SE對(duì)AM材料的增強(qiáng)效果，但對(duì)于層間SE,，很少研究后續(xù)層沉積過(guò)程對(duì)以前SE處理過(guò)的材料的影響,。

(2)在線檢測(cè)技術(shù)的演變：目前，大多數(shù)傳感器僅限于監(jiān)控工件的表面狀態(tài),，但很難監(jiān)控內(nèi)部,。對(duì)于殘余應(yīng)力，盡管XRD,、中子衍射等檢測(cè)方法相對(duì)成熟,，中子衍射可以深度檢測(cè)應(yīng)力分布，但無(wú)法在線檢測(cè),。3D-DIC和超聲波測(cè)試可以在線檢測(cè),，但只能檢測(cè)表面應(yīng)力狀態(tài)。需要能夠檢查材料內(nèi)部的無(wú)損和非接觸式在線檢測(cè)技術(shù),。

(3)高保真度和快速仿真模型：由于檢測(cè)技術(shù)的局限性,，許多報(bào)告通過(guò)FEM計(jì)算和預(yù)測(cè)AM工件的內(nèi)部殘余應(yīng)力場(chǎng)。然而,，模擬的計(jì)算成本很高,，因?yàn)锳M過(guò)程是多個(gè)物理場(chǎng)的耦合過(guò)程，并且模擬的誤差取決于網(wǎng)格的數(shù)量,。此外,，SE和AM的集成制造應(yīng)該結(jié)合CFD和FEM來(lái)解決模擬，以獲得可以解釋物理現(xiàn)象的高保真模型,。代理模型是減少模擬時(shí)間并在模型經(jīng)過(guò)正確訓(xùn)練后提供快速預(yù)測(cè)的潛在方法,。預(yù)計(jì)將對(duì)殘余應(yīng)力的分布進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，并對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化,。

(4)物理模型的開(kāi)發(fā)：目前,，AM的在線監(jiān)控基本上是純粹的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。傳感器數(shù)據(jù)是統(tǒng)計(jì)學(xué)或機(jī)器學(xué)習(xí),，以建立質(zhì)量和過(guò)程之間的相關(guān)性,。然而,，很難解釋機(jī)器學(xué)習(xí)的機(jī)制,，這與黑匣子模型相似。因此,，有必要開(kāi)發(fā)物理模型來(lái)了解AM和層間SE的基本原理,。結(jié)合在線傳感器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和物理模擬模型的數(shù)據(jù)物理混合驅(qū)動(dòng)模型的概念誕生了。數(shù)字孿生是結(jié)合物理模型和傳感器數(shù)據(jù)的有效方法,。實(shí)際制造過(guò)程實(shí)時(shí)與虛擬物理模型交互,，相互迭代和優(yōu)化。盡管如此，數(shù)字雙胞胎技術(shù)才剛剛開(kāi)始,，構(gòu)建AM的完整數(shù)字雙胞胎仍面臨許多挑戰(zhàn),。