Mater. Sci. Eng. A先进材料激光定向能量沉积（DED-LB）全面综述

景点排名 2025年10月11日 15:41 0 admin

长三角G60激光联盟导读

以色列特拉维夫大学、美国加州大学、美国华盛顿州立大学的科研人员综述报道了基于激光定向能量沉积（DED-LB）先进材料研究。相关论文以“Laser-based directed energy deposition (DED-LB) of advanced materials”为题发表在《Materials Science and Engineering: A》上。

Mater. Sci. Eng. A先进材料激光定向能量沉积（DED-LB）全面综述

定向能量沉积（DED）已成熟发展为增材制造（AM）的一个重要分支。DED已被广泛应用于新型材料的设计与制造，包括金属、陶瓷和复合材料。成功的DED操作需要充分理解许多关键现象，包括激光-材料相互作用、合金凝固基础、焊接冶金与连接界面，以及微观结构-力学性能关系。同样关键的还包括粉末流动性、热传递和各种与机器相关的参数。近年来已有几篇关于通过粉末床熔融（PBF）和DED进行金属增材制造的综述文章发表，主要关注特定材料体系、映射AM最新技术或与沉积过程或材料性能相关的问题。然而，目前尚无综述专门全面介绍各种DED加工材料家族的体系、设计、制造、挑战以及微观结构与力学性能之间的关系。由于基于DED的方法在制造双金属和多材料结构、修复高价值结构以及合金设计方面越来越受欢迎，本综述重点关注通过DED进行材料设计，包括调查各种单一材料和多材料组合。最后，强调了该领域的关键挑战与机遇。

关键词：增材制造，定向能量沉积（DED），激光工程近净成形（LENS™），激光方法，粉末方法，微观结构，力学性能，合金设计，合金，陶瓷，复合材料，功能梯度材料（FGMs）

图1. 金属AM研究与专利趋势。

图2. 金属AM技术。（a）粉末床熔融（PBF）过程示意图。（b）定向能量沉积（DED）过程示意图。（c）DED在熔覆和修复中的应用。（d）DED制造的316L不锈钢涡轮叶片的修复。（e）通过DED制造的功能梯度磁性-非磁性双金属结构。（f）通过定制DED基工艺制造的大型航空航天部件。

图3. DED过程示意图。（a）带有同轴送粉设置粉末输送系统。插图显示了相互作用区，激光束和粉末粒子在惰性保护气氛下汇聚到熔池中。（b）送丝系统。沉积头类型定义了所应用的热能来源。采用保护气氛（屏蔽气体或高真空）来保护熔池。电弧可以是TIG（钨极惰性气体保护焊）、GMAW（气体保护金属极电弧焊）或等离子弧。

图4.（a）应用的激光能量密度对DED-LB 12CrNi2Y合金钢的微观结构、相对密度和力学性能的影响。EAD =能量面积密度，DED-LB =基于激光的DED。（b）用于修复应用的沉积态FeCrNiMnMoNbSi钢的沉淀演变和力学性能。（c）AerMet100钢熔覆在300M合金钢基底上不同区域的宏观结构和相变，以及形成的热影响区（HAZ），对应于沉积过程中的热历史。（d）DED-LB加工24CrNiMo钢过程中的微观结构演变和冷却速率分析。

图5.（a）DED-LB Fed bal-C-Cr-Mo-V（左上）和 Fed bal−x-C-Cr-Mo-V-Wx（右上）以及添加W对微观结构和耐磨性的影响。（b）沉积方法对热历史和力学性能的影响，DED-LB H13工具钢沿构建方向具有不均匀的微观结构和力学性能。样品1、2和3对应于应用的扫描策略。（c）沉积态M4和高耐磨钢（HWS）的磨损疤痕形态和特征。

图6.（a）DED-LB加工316L不锈钢过程中微观结构演变和熔池几何特性及其对所用激光能量的依赖性。（b）利用316L进行DED-LB修复应用。获得的晶粒尺寸与构建高度和产生的单轴应变之间具有良好的吻合度。（c）DED-电弧加工304L后，水平和垂直构建取向的晶粒形态和取向，以及相应的裂纹扩展机制。（d）DED-LB沉积模式对冷却速率以及垂直构建高度和PACS的影响，以及氧含量对DED-LB 316L不锈钢拉伸性能的影响。C-0090和C-0067分别对应于0–90°和0–67°沉积模式。

图7. DED加工的钛基合金。

图8.（a）DED-LB高密度（99%以上）Al5xxx合金显示Mg和Zn的选择性元素蒸发，力学性能与锻造Al 5754-O相当。LSS =低扫描速度，HSS =高扫描速度，ML =中等水平，LMF =低粉末质量流速，HMF =高粉末质量流速。（b）主动基底冷却（空气和水）对AlMgScZr合金微观结构和力学性能的影响。AC =空冷，WC =水冷。（c）使用田口方法优化DED-LB AlSi10Mg合金的工艺参数。

图9.（a）应用的沉积策略（单向、双向和增加激光功率的双向）对沉积态Inconel 718合金的晶粒形态和织构的影响。（b）锻造和沉积态Inconel 718合金在室温和高温（650°C）下的疲劳性能比较。（c）Inconel 718合金的高沉积速率（2.2 kg/h）和热历史对沿构建方向的沉淀强化和拉伸性能的影响。（d）各种热处理对DED-LB Inconel 718合金力学性能的影响。

图10.（a）沉积态NiTi显示相邻的熔合边界、典型的微观结构和相应的能量色散X射线光谱（EDS）图谱。（b）应用的激光扫描速度对600°C退火处理后DED-LB NiTi微观结构和相变温度的影响。（c）应用的热处理对DED-LB NiTi微观结构和压缩应力-应变响应的影响。（d）DED-LB NiTi的单周期和多周期压缩应力-应变-温度曲线。

图11.（a）加工后的CrMnFeCoNi HEA的微观结构，显示逐层形态和外延晶粒生长。（b）高分辨率DIC结合背散射电子（BSE）和EBSD分析，在增加的离散应变（3.5%、7.5%和35%）下对DED-LB FeCoCrNiMn HEA进行分析。（c）在600°C老化168小时后，DED-LB AlCoCrFeNi HEA的微观结构，相应的APT图像显示Al、Ni和Cr的异质散射和严重偏析。（d）透射电子显微镜（TEM）图像及相应的示意图，显示激光冲击喷丸处理对沉积态CrMnFeCoNi HEA沿z方向微观结构的影响。（e）具有不同Al浓度（0、6.5、13.7和16.7 at%）的DED-LB (AlxCoCrFe)50Ni HEA的微观结构。

图12.（a）超声辅助DED-LB Al2O3–ZrO2共晶陶瓷，显示纳米尺度的共晶间距和高密度。（b）DED-LB铝酸镁（MgAl2O4）尖晶石透明陶瓷在后处理前后的宏观结构，显示横向和纵向裂纹。使用和不使用超声振动的DED-LB Al2O3–ZrO2共晶陶瓷的微观结构（c）和力学性能（d）。UV = 超声振动。

图13.（a）沉积态Ti6Al4V基MMC（含10 vol% TiC）的微观结构，应力-应变曲线显示TiC体积分数和各种热处理对MMC拉伸性能的影响。（b）DED TiB增强CP-Ti MMC的微观结构，以及准连续网络结构形成机制的示意图。（c）DED-LB Ti6Al4V–Si–HAp MMC显示通过形成Ti5Si3、V5Si3和TiSi2相，增强了硬度、耐磨性和生物摩擦腐蚀性能。（d）应用的激光扫描速度对使用DED-LB制造的氧化铝/钛酸铝CMC的微观结构、硬度、弯曲强度和孔隙率的影响。

图14.（a）DED-LB功能梯度Ti6Al4V/TiC复合材料的微观结构和力学性能，沿构建方向TiC增强颗粒的比例增加（0–50 vol%）。（b）Ti6Al4V到316 SS FGM（具有中间过渡层V→Cr→Fe）沿构建方向的EDS线扫描成分分析和显微硬度。（c）DED-LB单壁316L/Inconel 625 FGM的拉伸和耐磨性能。（d）DED-LB奥氏体（非磁性）到铁素体（磁性）不锈钢FGM，具有定制的磁性功能。

图15. Ashby式图，揭示了几种DED合金钢的相对密度对比较参数的依赖性。

图16. 基于DED的熔覆。

图17.（a）损坏的防旋转支架，（b）激光熔覆，和（c）后处理后的部件。

图18.（a）通过DED进行零件修复的工艺链。（b）刀具路径生成的工艺流程图。

图19. 修复前加工，修复工艺链的一部分。（a）开裂的涡轮叶片。（b）开裂叶片区域的3D CAD模型。（c）加工轮廓路径。（d）加工后的叶片。

随着在修复、合金设计、表面改性和功能梯度结构方面的应用实现，基于DED的AM在各种工业应用中越来越受欢迎。DED已成为打印大型独立零件的主要金属AM技术平台，这对于PBF系统来说是一项挑战性应用。在与NASA进行的一项研究中，DM3D制造了一个10英尺高的全尺寸RS25喷嘴衬套。任何其他AM方法都无法制造这种独特的金属结构。虽然大型独立零件特别适合DED，但对于研究机器来说，需要少量粉末或能够沉积多材料结构一直是最吸引人的特点。全球有多家供应商销售商用DED系统，用于反应性和非反应性粉末，带或不带混合CNC选项。基于DED的金属AM系统主要不与PBF系统竞争，而是提供互补的制造能力。研究和工业DED系统广泛用于修复高价值或遗留部件、合金设计以优化AM使用的材料化学或创新新化学、制造大型零件、在现有零件上添加涂层，或创建双金属或功能梯度结构。DED技术平台在所有挑战性应用方面比其他金属AM系统具有独特的优势。自然，商用DED系统的销售额正在增长，并预计未来将继续增长。除了基于激光粉末的DED，基于焊接的系统，如WAAM，也越来越受欢迎，特别是对于大型零件的快速沉积速率。

DED在不同材料系统中的应用已在本文中讨论，并特别参考了独特的成分、加工历史和相关性能。在剩余的挑战中，机器成本始终是任何新技术（包括DED）在大规模制造实践中接受的一个问题。近年来，用于非反应性材料的基于激光的DED系统价格已显著下降，并且这一趋势未来可能会持续。同轴沉积头已成为最新DED系统的标准特征，提高了沉积效率和零件质量。在未来机器中，结合基于机器学习的方法可以最大限度地减少工艺优化需求。尽管本文的重点仍然是DED和用于DED的材料，但预处理和后处理问题也很关键。金属粉末的可重复使用性或避免在多材料构建过程中将金属粉末与加工碎屑或其他粉末成分混合仍然是需要进一步研发的问题。对于任何需要更好理解工艺-性能关系的关键应用，后处理处理也至关重要。先进表征技术引入AM领域也在不断发展。诸如动态脉冲回波技术（用于测量弹性常数）等技术提供了更高的准确性、灵敏度和可重复性，并且与传统技术相比，可以使用相对较小的样品。预计此类技术将在材料设计、研发和AM零件质量控制中变得更加普遍。本文提供了关于先进材料DED的全面综述，有助于继续创新下一代材料和结构，用于各种应用。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.142967

长三角G60激光联盟陈长军转载

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