本文講述了DED處理相關的挑戰(zhàn)，并對該技術(shù)進行了關鍵的展望。關鍵詞：增材制造(AM)，定向能沉積(DED)，激光工程凈整形(LENS?)，激光-材料相互作用缺陷

摘要：定向能沉積（DED）是增材制造（AM）工藝的一個分支，在該工藝中，粉末或金屬絲形式的原料被輸送到同時聚焦激光束、電子束或等離子體/電弧等能源的基板上，從而形成一個小的熔池，一層一層地連續(xù)沉積材料。與其他AM工藝相比，DED具有一些獨特的優(yōu)勢，例如特定位置的沉積和修復、合金設計以及復雜形狀的三維打印。本文綜述了激光-材料相互作用、熔池熱行為、原位監(jiān)測和相互作用機理等方面的研究進展。最關鍵的加工變量及其對沉積材料性能的影響，以及缺陷形成機制和表征技術(shù)，也被確定和討論。概述了高端應用，當前與DED處理相關的挑戰(zhàn)，并對該技術(shù)進行了關鍵的展望。

介紹

增材制造(AM)，也被稱為三維(3D)打印，被認為是構(gòu)成第四次工業(yè)革命(工業(yè)4.0)的12個顛覆性技術(shù)之一。2013年，GE航空公司的生產(chǎn)線采用了金屬AM。2018年，GE航空已經(jīng)生產(chǎn)了超過23000個飛行質(zhì)量的增材部件，并計劃在2020年之前生產(chǎn)10萬個部件。金屬AM市場近年來的增長比聚合物或陶瓷市場快得多。到2027年，航空航天、汽車和能源行業(yè)可能會占據(jù)金屬AM總收入的52%。隨著新的制造技術(shù)的出現(xiàn)，以AM為基礎的維修技術(shù)有望成為實際應用。

兩種DED系統(tǒng)的原理圖(A)使用激光和粉末原料，(B)使用電子束和線材原料。

DED是一組AM過程，在輸入熱量的同時添加材料。熱輸入可以是激光、電子束或等離子弧。原料為金屬粉末或金屬絲。與金屬絲相比，粉末的沉積效率較低，因為只有一部分粉末會被熔化并粘接到基板上(Lee, 2008)。與E-PBF一樣，在DED中的電子束系統(tǒng)需要真空，不會有高的氧化問題和激光系統(tǒng)，另一方面，需要其他方法引入惰性氣體。粉末噴涂設備通常有惰性氣體與粉末一起從噴嘴吹出，從而覆蓋熔化區(qū)域，降低氧化速率(Gokuldoss等人，2017)。Powder DED系統(tǒng)可以使用單個或多個噴嘴噴射金屬粉末(Mazzucato等人，2017)。使用多個噴嘴可以使不同材料混合得到功能梯度材料(FGM) (Liu and DuPont, 2003;Li等人，2017)。DED系統(tǒng)的原理圖如上圖所示。

粉末床熔合(PBF)和定向能沉積(DED)是兩種重要的AM工藝，能夠生產(chǎn)出完全致密的金屬零件，適用于不同的工業(yè)應用。它們不同的粉末輸送機制影響工件的復雜性、支撐要求、材料使用的靈活性和表面粗糙度。2019年，PBF和DED系統(tǒng)在金屬AM市場的收入市場份額分別為85%和8.3%。預計未來5年，DED技術(shù)的收入份額將增加到11.1%，PBF將下降到63%。在另一份報告中，預計到2025年，DED市場將達到近7.55億美元。主要的粉末原料和激光能源DED系統(tǒng)制造商包括Optomec?，Inc.， Trumpf, BeAM, FormAlloy, DMG MORI, InssTek, Inc.和南京中科瑞昌激光技術(shù)有限公司。帶線材的DED系統(tǒng)制造商包括GKN添加劑和Mazak;WAAM、Norsk Ti Ta nium AS、Gefertec GmbH、Prodways Tech和Lincoln Electric(等離子/電弧);Sciaky, Inc.和EvobeAM GmbH。1997年，桑迪亞國家實驗室將激光工程凈整形(LENS?)技術(shù)授權(quán)給Optomec公司(Albuquerque, NM)，這是第一個商業(yè)化的DED工藝之一。

在定向能沉積中，將金屬原料以導線(a)或粉末(B)的形式引入到能量源中。

DED，也被稱為吹制粉末AM或激光熔覆，涉及到將金屬粉末引入熱源(如激光)，在沉積過程中熔化金屬顆粒(如上圖)。Wes鈦nghouse電氣公司的Frank Arcella在1988年首次申請了粉末床式金屬3D打印技術(shù)的專利，之后在1997年Johns Hopkins大學開發(fā)了一種DED技術(shù)，并通過他的公司Aeromet將其商業(yè)化。

由DED制造的零件的質(zhì)量和性能取決于(i) DED技術(shù)的類型(包括原料和熱源的類型);(ii)建造環(huán)境(真空、惰性氣體或環(huán)境);(3)beam-material交互;(4)沉積參數(shù)(主要是激光粉末、激光掃描速度、艙口間距、進粉速度、激光掃描策略);(v)原料屬性。此外，在逐層沉積過程中，DED沉積零件暴露在快速、重復的加熱-冷卻循環(huán)中，會產(chǎn)生獨特的微觀結(jié)構(gòu)特征、非平衡相、凝固開裂、定向凝固、殘余應力、氣孔、分層和翹曲。一般來說，由于沉積的方向性，DED樣品在機械性能和微觀結(jié)構(gòu)上往往表現(xiàn)出各向異性。因此，熱熔成形過程的熱歷史同時控制著鑄態(tài)零件的宏觀組織和微觀組織，這可能會影響鑄態(tài)零件的機械性能。通過工藝優(yōu)化、現(xiàn)場監(jiān)測和反饋控制，可以消除或至少顯著減少與金屬AM相關的一些缺陷，從而實現(xiàn)卓越的組件質(zhì)量。

一些關于AM調(diào)幅技術(shù)、應用和/或材料的廣譜綜述已經(jīng)發(fā)表，而只有少數(shù)專注于DED技術(shù)。這些集中在熱和流體現(xiàn)象，過程參數(shù)圖，優(yōu)化和控制，機械行為和應用。近年來，DED技術(shù)在合金設計、關鍵結(jié)構(gòu)修復和雙金屬/多材料結(jié)構(gòu)方面取得了顯著的發(fā)展。目前的綜述集中在激光-材料的相互作用，DED的最關鍵的加工變量，缺陷的形成和表征在沉積材料。本文還對DED的原理、優(yōu)點、缺點和應用進行了更簡明的總結(jié)，并簡要討論了當前的挑戰(zhàn)和未來的方向。

定向能沉積(DED) -原理、優(yōu)點和缺點

本節(jié)簡要總結(jié)了DED的一般原理及其優(yōu)缺點，主要是與PBF相比。這兩種工藝具有互補性而非競爭性，其中DED一方面在新材料的高通量開發(fā)和多種材料的加工方面具有重大優(yōu)勢，另一方面在機械性能良好的大型近凈形零件的快速制造方面具有重大優(yōu)勢。對不同熱源或不同原料的DED工藝也作了簡要的比較。

DED是一種AM工藝，它高度適應于高性能材料的沉積，如不銹鋼、工具鋼、合金鋼、鈦基合金、鈷基合金、鎳基合金、鋁合金、高熵合金、金屬間化合物、形狀記憶合金(SMAs)、陶瓷、復合材料、功能梯度材料(fgm)。DED使用高能量密度的熱源(激光、電子束或等離子/電弧)聚焦在基材上，形成一個小型熔池，并同時熔化以粉末或金屬絲形式輸送到熔池中的原料材料。當熱源向前移動時，沉積的金屬在基板上凝固，形成金屬軌跡。金屬軌道基于預先定義的艙口間距(即連續(xù)金屬軌道之間的距離)相互重疊。在完成一層后，沉積頭和原料輸送系統(tǒng)向上移動一小段距離(切片厚度)，沉積下一層(圖1b)。因此，所有層的沉積產(chǎn)生了一個三維近凈形狀的組件，類似于計算機輔助設計(CAD)模型。在沉積前，利用軟件對三維數(shù)字模型進行切片，以指定切片厚度、艙口間距和每一層的沉積路徑。表1根據(jù)一些選擇標準比較了不同熱源下的DED過程。表2比較了粉狀原料和線狀原料的一些特性。

圖1 (a)從材料設計到修復再到應用，DED相對于PBF的關鍵優(yōu)勢示意圖。(b) DED中微觀結(jié)構(gòu)、多界面、熱循環(huán)、缺陷和殘余應力;(c)注入粉末、激光束和熔池之間的相互作用，在某些情況下導致熔池中形成小孔。

表1 不同熱源下DED工藝的比較。構(gòu)建量是指主體流程可以處理的組件的相對大小。細節(jié)分辨率指的是流程創(chuàng)建小特征的能力。沉積速率是指生產(chǎn)一定質(zhì)量的產(chǎn)品的速率。耦合效率是指能量從能量源轉(zhuǎn)移到基材的效率，潛在污染是指在部件內(nèi)夾帶污垢、氣體和其他可能污染物的可能性。

表2 粉末原料與線材原料的DED過程。

基于能量來源和原料類型，商業(yè)上可用的技術(shù)被稱為激光金屬沉積(LMD)，直接金屬沉積(DMD)，激光固體成形(LSF)， LENS?，定向光制造(DLF)，電子束增材制造(EBAM?)，或線材加電弧增材制造(WAAM)。一些DED技術(shù)，如LENS、DLF和EBAM，將金屬沉積在一個封閉的腔室中，或者在一個可控的氣氛手套箱中，或者在真空下，而DMD和WAAM則使用受控的惰性氣體罩來防止沉積物的氧化。一些DED系統(tǒng)可以同時沉積多種材料，并允許多軸沉積處理合理復雜的幾何形狀。DED也是一種有用的技術(shù)，用于填充裂縫，改造制造部件，修復高價值的金屬部件。DED能夠快速儲存大量資料(一般情況下，LENS可儲存0.5?kg/h, WAAM可儲存10?kg/h)，并可儲存巨型工作包封(如: 6?×?1.4?×?1.4?用于現(xiàn)有商用打印機)。

一些國際標準已經(jīng)適用于DED過程。ASTM 3413列出了DED工藝的以下優(yōu)點:(1)原料范圍廣泛;(2)可加工多種材料、復合材料和FGMs;(3)在沉積狀態(tài)下的靜態(tài)和動態(tài)力學性能往往優(yōu)于pfc沉積的零件;(4)局部特性可就地調(diào)整;(5)在一臺機器上打印全部零件或局部特征、涂層或修復;(6)高沉積速率;(7)可能比PBF更大的部分;(7)設計自由度通常比傳統(tǒng)制造工藝高;(8)與其他AM過程相比，高技術(shù)成熟水平(TRL)或制造成熟水平(MRL);(9)部分DED機為混合式，即允許加減法生產(chǎn)；(10)可以在非水平表面上使用AM;(11)與PBF相比，在激光驅(qū)動下使用的粉末粒度更大(成本和安全方面都有優(yōu)勢);(12)利用帶送絲、電子束能量源和真空室的DED系統(tǒng)，可以實現(xiàn)零重力環(huán)境下的空間打印。

DED工藝存在以下缺點:(1)局部溫差會導致收縮、殘余應力和變形;(2)與采用激光的PBF相比，它們具有較低的維分辨率(有時是精度)，具有較大的表面波紋度;(3)在吹粉系統(tǒng)中，獲得了比激光PBF更高的表面粗糙度;(4)零件的復雜性可能會受到限制，尤其是那些只有三個自由度的機器;(5)常需要后期加工;(6)與PBF相比，粉體效率和粉體可回收性較低，特別是在印刷混合粉體時。圖1a顯示了從材料設計到修復再到應用，DED相對于PBF的關鍵優(yōu)勢的原理圖。研究領域涉及先進的材料設計應用在結(jié)構(gòu)，功能，和生物醫(yī)學領域只能滿足使用基于定向的金屬和多材料AM。

圖A冷軋潤滑機理示意圖及接觸細節(jié)。

圖B 軋制后的鋁箔表面顯微圖:(A)潤滑壓力(B)接觸面積比(%)。

圖A示意地說明了軋輥與被軋輥材料之間的接觸區(qū)域以及被油膜層隔開的區(qū)域。圖B為軋制后的薄片表面的顯微圖，其中沿軋制方向有許多顯著的軋制痕跡。

DED的應用

在介紹了DED及其優(yōu)缺點之后，本節(jié)重點介紹了DED在合金設計和多材料結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)制造、維修和涂層方面的一些現(xiàn)有和新興獨特應用。

自1990年中期DED技術(shù)商業(yè)化以來?, 除了打印3D結(jié)構(gòu)外，其獨特的功能還支持多個領域的應用。圖2顯示了DED技術(shù)在制造大型結(jié)構(gòu)、維修和涂層方面的一些獨特應用。大型、高價值金屬零件的維修在工業(yè)上是一種常見做法，通常使用焊接，然后進行表面修整。然而，對于大型和/或昂貴的零件，DED技術(shù)可以修復結(jié)構(gòu)，并在修復過程中添加材料，以盡量減少未來的侵蝕或損壞（圖2b）。這是通過在DED中使用計算機控制的沉積頭來完成的，以基于被修復零件的CAD文件沉積材料。

圖2 應用于大型零件的制造、維修和涂層。(a)多次修復和沉積策略。(b)修復大型管狀結(jié)構(gòu)。(c)鈦上的鉭涂層在體外顯示出強大的結(jié)合以及增加的生物活性。(d)在鈦上包覆磷酸鈣，提高生物活性。(e)為航空航天用途制造的大型火箭噴管。(f)用于刀具的硬質(zhì)金屬碳化物涂層和金剛石增強層。

首先，分析零件的常見損壞區(qū)域，例如熱降解或磨損，然后在目標位置沉積與基礎合金相容的更高硬度或耐高溫材料。由于DED是一種熔融鑄造工藝，因此通過擴散界面可獲得良好的冶金結(jié)合。由于冷卻速度快和熱梯度高，有時使用后熱處理來降低殘余應力。最后，完成表面修整以滿足必要的公差。圖2e顯示了美國宇航局的半比例尺1.016?米高，RS25火箭噴管內(nèi)襯，內(nèi)置30英寸內(nèi)部功能使用激光粉末可減少航空航天應用的成本和交付周期。

使用任何其他AM技術(shù)制造此類大型金屬零件都具有挑戰(zhàn)性，并且在傳統(tǒng)制造中通常是大規(guī)模的多步驟過程。圖2a顯示了該透鏡?可用于修復Inconel 718和其他金屬的內(nèi)部缺陷。據(jù)報道，與矩形槽相比，銑削梯形槽可為修復提供更好的缺陷區(qū)準備，同時發(fā)現(xiàn)對角構(gòu)建方向和熱處理更適合將修復樣品的磨損降至最低。通過自動控制的自由軸旋轉(zhuǎn)臂，修復難以觸及的結(jié)構(gòu)，如管道內(nèi)部，也可以在360度方向上沉積材料。

圖2c、d、f顯示了應用于基材以提高性能的不同功能涂層。在圖2c中，鉭涂層通過DED涂覆在鈦上。鉭的熔點非常高（>3000?°C），導致傳統(tǒng)加工具有挑戰(zhàn)性，因為鉭不可能采用常規(guī)熔融鑄造加工路線。然而，鉭吸收激光能量，導熱系數(shù)低，因此使用基于激光的DED很容易熔化。此外，鈦和鉭在高溫下具有完全的固溶性。因此，鈦上的鉭涂層是通過具有良好冶金結(jié)合的DED實現(xiàn)的。在圖2d中，CaP涂層通過鈦上的DED涂覆，以增強植入物在體內(nèi)的骨整合。由于鈦帽涂層材料是一種金屬-陶瓷復合材料，因此與鈦上的純鈦帽陶瓷涂層相比，界面強度非常高，鈦帽陶瓷涂層是目前矯形外科和牙科植入物的金標準。

然而，DED制備的鈦-CaP涂層與傳統(tǒng)的純CaP涂層的生物相容性改善效果幾乎相同。圖2f顯示了用金剛石粉末加工的硬質(zhì)金屬碳化物涂層用于刀具的應用。這些涂層無大面積開裂，具有多重強化相，并被發(fā)現(xiàn)在鋁和AM鈦的機械加工中有用。所有上述涂層都已應用于通過傳統(tǒng)方法制造的零件。然而，DED的新奇之處在于，它能夠在拋光表面沉積，從而通過涂層保持良好的冶金結(jié)合來提高現(xiàn)場的特定性能。

圖3 激光測距在合金設計和多材料結(jié)構(gòu)中的應用。(a)利用DED加工多材料結(jié)構(gòu)的概念。(b)相對密度為99%的復合設計鋁合金塊體。(c)由Inconel 718和GR-Cop84(銅合金)經(jīng)LENS?處理的雙金屬結(jié)構(gòu)顯示火箭噴嘴壁的導熱系數(shù)增加。(d)具有不同金屬和陶瓷區(qū)域的鈦-鈮碳化物交替結(jié)構(gòu)，用于定向熱/結(jié)構(gòu)應用。(e)使用LENS?處理的雙金屬不銹鋼結(jié)構(gòu)，顯示出磁性(430SS)和非磁性(316SS)鋼的明顯區(qū)域。

圖3顯示了DED工藝的另外兩個關鍵應用領域——合金設計和多材料結(jié)構(gòu)。采用傳統(tǒng)方法設計的合金需要廣泛的高溫性能和大量的原材料。使用DED，可以在受控的環(huán)境下以組合的方式沉積大量合金，在短時間內(nèi)向下選擇有希望的成分進行進一步分析。使用多料斗DED系統(tǒng)和程序化送粉系統(tǒng)，即使是一個單一的部件，也可以由不同的成分從一端到另一端制成，這是一個經(jīng)典的多材料組成的分級結(jié)構(gòu)。這些選項使得DED機床幾乎成為冶金學家的理想工具，可以提供現(xiàn)場特定性能的結(jié)構(gòu)。

圖3a顯示了Cr-Mo-V熱加工工具鋼和Ni基馬氏體時效鋼中由約500?μm厚的FGM結(jié)構(gòu)組成的塊的激光金屬沉積(LMD)。圖3b顯示了鋁合金塊的LENS?沉積。最近的一項研究表明，由于Mg的選擇性蒸發(fā)，Al 5xxx合金在印刷狀態(tài)下的化學成分從Al 5083轉(zhuǎn)變?yōu)锳l 5754，這是一個典型的挑戰(zhàn)，需要在許多具有不同熔點的合金元素的系統(tǒng)中加以考慮。圖3c顯示了在Inconel 718上沉積的高溫Cu合金GRCop-84，該合金具有較強的冶金界面，從而提高了高溫合金的導熱性。718合金表面的GRCop-84層使其導熱系數(shù)提高了300%以上。

圖3顯示了用于定向熱/結(jié)構(gòu)應用的具有不同金屬和陶瓷相的鈦-鈮碳化物交替結(jié)構(gòu)。這種方法可以生成只在需要的地方放置增強材料的復合材料，因此具有特定的場地屬性。圖3e顯示了LENS?沉積鋼管的成分，從磁性鐵素體不銹鋼(SS) 430到非磁性奧氏體不銹鋼316。這些例子突出了一些獨特的領域，在這些領域，除了基于CAD文件打印一些3D形狀外，DED技術(shù)平臺在制造先進材料方面做出了顯著的改變。

當前的挑戰(zhàn)

盡管DED技術(shù)在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速，但要使該技術(shù)平臺更加通用性，還需要關注許多科學技術(shù)挑戰(zhàn)。PBF是一種更受歡迎的金屬AM技術(shù)平臺，因為它能夠比DED實現(xiàn)更好的公差。近年來，為了滿足零件的嚴格公差要求，混合動力調(diào)幅(HAM)越來越受歡迎。在動態(tài)加工系統(tǒng)中，數(shù)字化加工頭與計算機數(shù)控加工中心相結(jié)合。在沉積幾層后，進行車削或銑削操作以滿足公差。最后的部分看起來更像機械加工的部分，而不是典型的AM加工部分。雖然HAM是令人興奮的，因為沉積和加工都是在同一操作中完成的，構(gòu)建時間相對較長。此外，根據(jù)其幾何形狀和復雜性，需要對每個零件進行廣泛的數(shù)控編程和工藝規(guī)劃，以決定何時機床和何時沉積材料。這種復雜的操作可能需要更多的經(jīng)驗。此外，在HAM系統(tǒng)中，機械加工產(chǎn)生的金屬屑可能與沉積頭的多余粉末混合，導致每次構(gòu)建操作產(chǎn)生更多的材料損失。

數(shù)控機床從數(shù)控程序中獲得指令位置。驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)相應的量，反過來驅(qū)動滾珠絲杠，引起軸作直線運動。反饋裝置確認滾珠絲杠轉(zhuǎn)數(shù)已發(fā)生的適當數(shù)目。

上圖顯示了CNC控制器的線性軸的組成。在這種情況下，一個命令告訴驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)精確的次數(shù)。驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，滾珠絲杠帶動直線軸轉(zhuǎn)動。反饋裝置在滾珠絲杠的另一端，允許控制確認所要求的旋轉(zhuǎn)數(shù)已經(jīng)發(fā)生。

類似地，對于多材料部件，根據(jù)沉積頭的不同，通常20-75%的吹散粉末被捕獲在實際部件中，而剩余的粉末則分散在沉積托盤上。這種混合粉體的分離可能是相當具有挑戰(zhàn)性的，增加了粉體浪費和DED操作成本。為了避免這個問題，有時首選預混合的粉末，而不是在動態(tài)混合的DED操作，可以收集未使用的粉末，以減少起始粉末的浪費。

在這方面，必須注意到粉末的可回收性也是DED的一個問題。起始粉可以重復使用多少次，或與新鮮粉混合多少次，或經(jīng)過DED操作后，粉的流動性發(fā)生了什么，都是需要詳細說明的關鍵問題。冶金兼容性是另一個需要更深入理解的關鍵因素，以推動多材料零件的制造。與其他金屬AM過程一樣，DED涉及快速冷卻速率，并受非平衡熱力學和相關動力學控制。因此，用平衡熱力學推導出的標準相圖在DED中的適用性有限。自然地，打印多材料結(jié)構(gòu)可能需要大量的試錯試驗，以確定所有成分可以在沒有開裂和其他缺陷的情況下沉積的加工窗口。

利用計算材料科學、先進的機器學習方法和現(xiàn)場監(jiān)測和自適應控制技術(shù)，包括物理、化學，在未來幾年，不同合金的熱性能將有利于建立冶金兼容性，以制造整體和多材料零件。其他一些問題與DED機器更相關。例如，大多數(shù)DED沉積頭有三個自由軸。然而，具有5軸或自由軸沉積頭的機器打開了制造更多種類的附加結(jié)構(gòu)或更復雜幾何形狀的可修復性的可能性。類似地，大多數(shù)DED系統(tǒng)采用500?W或1000?W的激光器作為熱源。雖然高功率激光可以提高印刷速度，但在高功率激光機器中，可能會有部分分辨率的妥協(xié)。最后，雖然大多數(shù)的DED操作使用金屬粉末作為原料材料，更便宜的線饋送的DED也可用。金屬線比金屬粉末便宜得多，而且金屬線比粉末更安全，更容易儲存。然而，熔化金屬絲需要更高的激光功率，這使得送絲DED系統(tǒng)更昂貴。

來源：Directed energy deposition (DED) additive manufacturing: Physicalcharacteristics, defects, challenges and applications，MaterialsToday， https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.020

參考文獻：J. Manyika, M. Chui, J. Bughin, R. Dobbs, P. Bisson, A. Marrs,Disruptive，Technologies: Advances that will Transform Life, Business, and theGlobal，Economy, McKinsey & Company, Washington DC, 2013.，G. Warwick,Aviat. Week Space Technol. 176 (11) (2014) 43–44.，M. Segrest, Printbetter parts, Efficient Plant, 17 September 2018，https://www.efficientplantmag.com/2018/09/print-better-parts/(accessed 14December 2020).