激光粉末定向能量沉积的研究现状及工业应用（2）

江苏激光联盟导读：

据悉，本文综述了激光粉末定向能量沉积（LP-DED）的工业应用。本文为第二部分。

梯度材料

LP-DED工艺的一个主要优点是可以通过改变沉积材料的成分来生产组件，从而获得功能梯度材料（FGM）。通过局部更改构成零件的材料，可以优化零件的功能。因此，FGMs组件的特性是不均匀的，但它们在组件内会发生变化。例如，考虑到皮带轮，更可取的做法是在轮毂和轮缘附近使用硬化耐磨材料，在芯部使用更具韧性的材料（图16）。两种材料之间界面区的机械性能介于纯材料性能之间。

图16 功能梯度材料在皮带轮上的应用表示。

工业中广泛使用了几种常规技术，可以获得FGM组件，如物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、粉末冶金（PM）和离心法（CM）。然而，与传统工艺相比，使用LP-DED工艺，除了可以生产复杂形状外，还可以获得更高的产量、更低的能耗和最大的材料利用率。此外，LP-DED过程允许修改设计过程，引入化学成分作为设计参数。

在以下段落中，介绍了工业和学术领域中获得的最相关的研究结果，涉及应用的宏观领域，即航空航天、工具和前两个领域中未包括的所有其他部门。

航空航天用LP-DED FGM零件

航空航天部门是第一个应用FGMs的部门。FGM组件包括火箭发动机组件、航天器桁架结构和热交换面板。然而，生产的零件具有高应力集中的特点，可能会发生分层。因此，进行了几项可行性研究，以优化具有不同特性的材料组合，同时考虑工艺参数和成分。此外，连接的几何形状和尺寸也会影响机械性能。

在使用预混合粉末混合物的LMD过程中，沉积前后的组成比可能不同。

钛合金因其高耐蚀性、高强度重量比、低密度和高温下的高强度而在航空航天领域得到广泛应用。然而，它们的耐磨性差，硬度低。为此，为了克服这一问题，研究了不同的FGM材料。其中，TiC是生产钛FGM组件研究最多的材料之一，因为它与钛合金具有冶金兼容性，密度低，硬度和杨氏模量值高。

（a）制造良好的GRCop-84/铬镍铁合金718双金属结构。（b） GRCop-84/铬镍铁合金718双金属结构的横截面。（c） GRCop-84/铬镍铁合金718 FGM，具有成分梯度层。

此外，应注意的是，不同的航空航天组件，如望远镜和高精度光学镜基板，受到可能导致热冲击和尺寸变形的大温度变化。这可以通过使用具有低热膨胀系数特征的材料来减少。

铬镍铁合金是另一种成功用于航空航天应用的材料，因为它具有耐高温腐蚀、抗疲劳和抗蠕变的性能。为了提高铬镍铁合金718的导热性，Onuike等人生产了In718/GRCop-84 FGM。GRCop-84是一种铜基合金，用于主燃烧室和喷嘴衬套。采用了两种方法，即在In718上直接沉积GRCop-84和在沉积过程中逐渐变化GRCop-84合金。结果表明，与IN718相比，采用渐变法可以获得更均匀的界面，热导率提高约300%。然而，为了生产无缺陷样品，由于GRcop-84的高反射率，比能量应增加约270%。

模具行业中的LP-DED FGM

功能梯度材料的首批工业应用之一涉及表面涂层，由海德激光服务公司获得。这是一家总部位于马萨诸塞州的公司，其应用主要集中在工具和模具、核能和发电行业的耐磨涂层上。第一步是比较LP-DED工艺与传统工艺的性能。使用LP-DED工艺在镍基体中沉积碳化钨，与传统工艺（如热喷涂或等离子转移工艺）相比，他们获得了更好的冶金结合。Thivillon等人将LP-DED工艺与TIG焊接进行了比较，分析了钴基钨铬钴合金和镍基高温合金Inconel 625的涂层质量。通过显微组织、硬度和稀释度等不同特性来评估涂层质量。结果表明，采用LP-DED工艺可获得更高的硬度和更细的晶粒。此外，TIG焊接获得的冶金结合显示出许多不规则性。相比之下，LP-DED得到的冶金结合效果较好（图17）。

图17 钨铬钴合金6涂层TIG和b DMD工艺的比较。

硬度是影响模具寿命的最重要因素之一。事实上，模具寿命随着硬度值的增加而增加。H-13工具钢由于其高淬透性和高抗热疲劳性，是模具行业最常用的材料之一。Chen等人在718H钢上沉积CoMoCr合金表明，由于碳化物和马氏体硬质相的形成，模具显微硬度比初始结构增加了两倍。

除了机械特性外，FGM材料还成功应用于优化模具和模具的能耗、环境影响和材料使用。事实上，H-13工具钢的另一个缺点是导热系数低，这会导致更长的时间周期。为了优化能耗、环境影响和材料使用，并进一步缩短循环时间，高导电材料被用作体积散热器。这些材料包括Ampcoloy 940、铜合金和工具钢。Morrow等人表明，将H-13工具钢沉积在铜基板上，如图18所示，与传统工具钢模具相比，注塑时间周期可减少约25%。然而，当在钢基体上沉积铜时，由于这两种材料的异质性，可能会出现一些困难。例如，在AISI H-13钢上沉积纯铜期间，Noecker和DuPont表明存在三种取决于铜浓度的开裂敏感性水平。这些裂纹归因于较大的凝固温度范围、不期望相的形成以及热膨胀系数的差异。

图18 功能梯度工具钢铜模。

Ahn和Kim使用三种不同的材料制作了一个热管理模具，如图19所示：Ampcoloy 940用作基础部件，P21工具钢用作模塑部件，Monel 400用于中间层，以减少连接区域的热应力。结果表明，使用FGM模具的循环时间和冷却时间分别减少了约30%和80%。

图19 功能梯度热管理模具。

Fessler等人生产了从100%不锈钢到100%因瓦的FGM样品。这种功能梯度材料因其优异的性能而被选用。事实上，不锈钢具有较高的耐腐蚀性能，而因瓦的热膨胀系数很低，因此用于减少因残余应力引起的变形。美国铝业公司将这种功能梯度材料用于生产一种先进的注射模具。该模具的特点是采用铜芯，以减少循环时间，采用因瓦体，以减少因热应力引起的变形，并采用不锈钢外表面，以防止腐蚀。

LP-DED FGM的其他应用

为了提高汽车行业的耐磨性和耐腐蚀性，使用钢和铬镍铁合金生产的梯度金属材料得到了成功的应用。汽车用的功能梯度材料组件包括阀杆、活塞、传动轴和减震器。铬镍铁合金由于在高温下具有良好的机械性能和耐腐蚀性能而被成功应用。Carroll等人成功地使用LP-DED工艺生产了从304L不锈钢到625铬镍铁合金分级结构的样品(图20)。通过改变沉积IN625粉末的质量量，获得FGM组分。显微观察结果显示显微结构逐渐改变，没有明显差异。对于成分约为82 wt%的SS304L，可以观察到尺寸约为几微米的二次相颗粒。这些第二相颗粒在沉积过程中产生了约100μm的裂纹。

图20 a 理论上的和b - DED生产的功能梯度材料样品。

生产

不使用工具和模具生产近净形状部件是AM工艺的主要优点之一。这样可以节省材料并缩短交付周期。在大多数情况下，LP-DED的生产应用指的是大型部件的生产和使用高熔点合金的生产。此外，应注意的是，使用LP-DED工艺的生产速度平均是L-PBF工艺的十倍。此外，LP-DED生产的样品的机械特性与使用常规工艺获得的性能相当。本节介绍了LP-DED工艺生产的部件示例，重点介绍了其应用的部门，即航空航天部门、工具部门和所有其他部门。

LP-DED生产航空航天零件

航空航天部门是LP-DED工艺被广泛用于生产的最重要部门之一。推动该行业使用LP-DED工艺的主要原因是，与使用L-PBF工艺生产的部件相比，可以生产尺寸更大的部件。

图21 中国商飞C919的5米长钛翼梁。

DMG Mori使用LASERTEC 65 3D混合机器生产了一个不锈钢涡轮壳体（图22）。涡轮机壳体的特点是直径为180 mm，高度为150 mm。生产该成分所需的时间约为230分钟。TWI给出了LP-DED过程应用的另一个示例。使用一台五轴LP-DED机器，成功地制造出了Inconel 718直升机发动机燃烧室（图23）。生产的腔室直径为300 mm，高度为90 mm。竣工构件相对于CAD几何图形的平均公差约为0.25 mm。此外，获得了约0.09 mm的薄壁尺寸精度。此外，TWI表明，建造时间从传统制造工艺的2个月缩短到使用LP-DED工艺生产的7.2小时。

图22不锈钢涡轮机壳的生产（尺寸Ф180 mm × 150 mm）：a实现主缸，b通过旋转建筑工作台产生斜面，c产生12个横向连接，d完成操作后的部件（由DMG Mori提供）

图23 实现尺寸为300 mm的IN718直升机发动机燃烧室（由TWI提供）。

除了生产大型部件外，不同的研究表明，与传统制造工艺相比，LP-DED工艺允许短时间交付部件。Hedges和Calder表明，由于其灵活性，LP-DED流程可用于管理快速设计修改，而无需重新装备。图24显示了LP-DED生产的国防应用中使用的外壳。对于传统制造系统，生产外壳所需的时间约为6个月。相反，使用LP-DED工艺，零件在3天内制造。

图24 用于国防应用的316L外壳（由Optomec®提供）。

NCMS进行的另一项研究表明，LP-DED工艺将生产模具所需的时间减少了约40%。2004年，贝尔直升机公司在航空航天领域进行了LP-DED的另一项应用。高材料完整性和快速交付的要求导致了LP-DED工艺的使用。LENS 850-R系统用于为军用直升机的燃气轮机制造钛1/6比例混合喷嘴（图25）。生产所需的时间从使用传统铸造工艺的9周减少到3周。

图25 Ti64贝尔直升机公司生产的燃气轮机混合喷嘴的1/16比例模型（由Optomec®提供）。

提高沉积速度可以提高沉积速率值。然而，由于沉积头电机的有限加速度，不可能大幅提高速度。此外，随着沉积速度的增加，沉积材料呈现出与标称尺寸相差很大的凸面形状。因此，Ma等人为了以高沉积速度生产大型组件，优化了沉积策略，以最小化几何偏差。该优化是在一个支架上进行的，该支架的设计与飞机应用中机翼组件的塔架肋类似。在他们的实验中，开发了一种变方位光栅扫描（VORS）沉积策略。结果表明，使用开发的沉积策略，偏差从4 mm减小到1 mm。图26描述了在沉积策略的实验验证中产生的支架。

图26 激光粉末定向能量沉积工艺生产316L大型支架：a在沉积过程中，b最终结果。

LP-DED生产工具和模具

使用传统生产工艺生产模具的问题与制造模具所需的交付周期有关，在某些情况下，交付周期可能长达一年。为了解决这个问题，LP-DED工艺成功地应用于不同的研究中，以减少制造时间。Morrow等人和POM集团进行的研究表明，使用LP-DED工艺的提前期比使用常规工艺的提前期缩短了约70%。

此外，AM工艺在制造业中的应用使生产具有保形冷却通道的模具成为可能。为了验证LP-DED工艺生产保形冷却通道的能力，并评估由此产生的效益，J.S.模具与POM集团公司合作生产了一种用于生产轮式部件的模具。结果表明，该模具和保形冷却通道成功制造。此外，共形冷却通道的使用使成型周期缩短了20–50%，这体现在经济效益上。

LP-DED在其他部门的生产

生物医学领域也有不同的应用。医学领域使用的金属植入物的主要问题是金属部分和骨骼的机械特性不匹配，这可能导致骨折和其他问题。因此，一些研究侧重于减少这种不匹配。例如，Dinda等人使用LP-DED工艺生产Ti6Al4V支架，用于患者特定的骨组织工程（图27）。该过程是在控制室中使用氩和氦的混合物进行的。这样，与氧化有关的问题就减少了。竣工支架的平均表面粗糙度为25μm。喷砂操作后，表面粗糙度降低至12μm，达到骨组织工程的推荐标准。竣工部分具有非常高的拉伸强度和屈服强度，分别为1163 MPa和1105 MPa；然而，延展性低于ASTM F136-79规定的极限。因此，进行热处理以增加延展性值。他们的工作表明，LP-DED是生产硬组织生物材料的合适工艺。

图27 DMD工艺生产的STL文件和b Ti6Al4V支架。

Krishna等人提出了一种方法，允许使用LP-DED工艺生产功能性髋关节干（图28）。在他们的研究中，为了获得内部孔隙度，改变了工艺参数和设计方法。这种诱导的内部孔隙可以降低组件的体积密度，并减少骨的刚度和植入材料的刚度之间的差异。结果表明，体积密度从4.5 g/cm3降低到3.6 g/cm3，LP-DED工艺可成功用于生产定制植入物，并根据患者的需要提供个性化的特性。

图28 在LP-DED工艺中通过改变工艺参数获得具有不同孔隙度水平的功能性髋关节柄。

此外，Palčič等人表明，使用LP-DED工艺可以减少复杂的操作程序。他们制作了一种空心薄壁髓内钉（IM钉），用于固定桡骨头部（图29）。由于钛合金Ti6Al4V的生物相容性、耐腐蚀性和骨整合性，本实验选择的材料为钛合金Ti6Al4V。使用LP-DED工艺生产的部件与使用常规技术（车削和钻孔）生产的部件进行了比较。结果表明，由于中空结构，LP-DED工艺生产的组件更轻。

图29 完成操作前后的IM钉的CAD截面和Ti6Al4V原型。

应用LP-DED工艺的其他部门包括汽车、工具生产、军事和航天部门，强调了使用LP-DED工艺可获得的成本和时间效益。例如，奥托梅克公司使用LP-DED工艺成功生产了红牛赛车的驱动轴十字轴和悬挂山支架。生产的部件如图30所示。使用LP-DED工艺，可显著减少约50%的时间和成本。此外，悬架安装支架的废料减少约92%，驱动轴十字轴的废料减少约97%。

图30 a Ti64悬架安装支架和b Ti64齿轮箱卡盘采用透镜工艺制造，可节省90%以上的材料损失（由Optomec®提供）。

在Advanced Robotics Mechantronics System（ARMS）项目中，评估了使用LP-DED工艺生产空间机器人机械手集成臂/外壳的好处。所生产的零件如图31所示。结果表明，对于复杂零件，LP-DED工艺经济方便。相反，对于几何形状简单的小零件，使用常规制造工艺可以获得经济效益。此外，考虑到将不同组件集成到一个最终零件中所产生的经济优势，还证明了LP-DED工艺的潜力，尤其是远程自主操作的潜力。

图31 LP-DED集成动臂/壳体。

Xue等人使用LP-DED工艺生产CPM-9 V工具钢的旋转切割模具（图32）。他们成功地生产了多个旋转模具，证明了LP-DED工艺相对于传统制造工艺的优势。特别是，他们证明，LP-DED工艺生产的模具可以切割超过180000米的标签，而无需重新塑形。使用LP-DED工艺，与传统生产工艺相比，生产时间缩短了三分之一。此外，材料成本降低了约50%，模具寿命提高了约100%。

图32 精加工后的LP-DED CPM-9 V旋转切割模。

最后，LP-DED工艺也成功应用于声纳应用中，用于生产文件夹式壳体投影仪（FPS）。该部件的特点是具有复杂的薄壁结构，内部尖角无法使用传统制造工艺实现。NCR-IMI与加拿大国防研发部（DRDC）合作证明，LP-DED工艺可用于生产无裂纹或缺陷的FPS。

结论和未来展望

本综述的目的是对LP-DED工艺的当前工业应用进行总结。与其他AM工艺相比，LP-DED工艺的主要优点是生产大型部件的可能性，将材料沉积到现有表面的可能性，以及在制造过程中直接改变沉积材料的可能性。

观察到，主要应用于涡轮叶片等形状复杂的高价值部件的维修作业。与其他修复工艺(如TIG或等离子转移弧焊)相比，鼓励使用LP-DED工艺的原因是更低的热量输入，更低的翘曲和变形，以及更高的精度。此外，采用LP-DED工艺可以节省大量的成本和时间。提高表面质量是目前LP-DED工艺的主要问题之一，需要进一步的研究工作来优化工艺参数。此外，为了改进工艺，获得更高的重复性也是必要的，以了解基板的形状和尺寸的影响，在修复操作的情况下，这与受损的部分重合。

由于可以在现有表面上沉积，并且在制造过程中可以使用不同的材料，LP-DED工艺被广泛用于生产设计材料。这种能力被应用在不同的部门，以提高机械性能，如耐磨和耐腐蚀，硬度，和热性能，如模具中的导热系数，以改善热交换。现阶段，由于两种不同材料的熔合会产生复杂的现象，功能梯度分析的应用主要局限于研究界面区域的可行性案例。主要问题是对每一对废旧材料的工艺参数的选择。仿真模型可以通过定义和限制工艺参数窗口，从而限制优化工艺参数所需的实验测试来克服这一问题。从文献综述中发现，到目前为止，LP-DED工艺用于生产数量有限的、具有相对简单的几何形状和高维特征的零件。这与LP-DED工艺无法管理具有悬垂特性的组件有关。倾斜基底之间的整合和沉积头的运动允许克服这一限制。然而，有必要分析倾斜衬底对沉积参数特性的影响，如粉末流动和功率吸收。

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

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