本文講述了DED處理相關(guan) 的挑戰，並對該技術進行了關(guan) 鍵的展望。關(guan) 鍵詞：增材製造(AM)，定向能沉積(DED)，激光工程淨整形(LENS™)，激光-材料相互作用缺陷

摘要：定向能沉積（DED）是增材製造（AM）工藝的一個(ge) 分支，在該工藝中，粉末或金屬絲(si) 形式的原料被輸送到同時聚焦激光束、電子束或等離子體(ti) /電弧等能源的基板上，從(cong) 而形成一個(ge) 小的熔池，一層一層地連續沉積材料。與(yu) 其他AM工藝相比，DED具有一些獨特的優(you) 勢，例如特定位置的沉積和修複、合金設計以及複雜形狀的三維打印。本文綜述了激光-材料相互作用、熔池熱行為(wei) 、原位監測和相互作用機理等方麵的研究進展。最關(guan) 鍵的加工變量及其對沉積材料性能的影響，以及缺陷形成機製和表征技術，也被確定和討論。概述了高端應用，當前與(yu) DED處理相關(guan) 的挑戰，並對該技術進行了關(guan) 鍵的展望。

介紹

增材製造(AM)，也被稱為(wei) 三維(3D)打印，被認為(wei) 是構成第四次工業(ye) 革命(工業(ye) 4.0)的12個(ge) 顛覆性技術之一。2013年，GE航空公司的生產(chan) 線采用了金屬AM。2018年，GE航空已經生產(chan) 了超過23000個(ge) 飛行質量的增材部件，並計劃在2020年之前生產(chan) 10萬(wan) 個(ge) 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(ye) 可能會(hui) 占據金屬AM總收入的52%。隨著新的製造技術的出現，以AM為(wei) 基礎的維修技術有望成為(wei) 實際應用。

兩(liang) 種DED係統的原理圖(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(wei) 金屬粉末或金屬絲(si) 。與(yu) 金屬絲(si) 相比，粉末的沉積效率較低，因為(wei) 隻有一部分粉末會(hui) 被熔化並粘接到基板上(Lee, 2008)。與(yu) E-PBF一樣，在DED中的電子束係統需要真空，不會(hui) 有高的氧化問題和激光係統，另一方麵，需要其他方法引入惰性氣體(ti) 。粉末噴塗設備通常有惰性氣體(ti) 與(yu) 粉末一起從(cong) 噴嘴吹出，從(cong) 而覆蓋熔化區域，降低氧化速率(Gokuldoss等人，2017)。Powder DED係統可以使用單個(ge) 或多個(ge) 噴嘴噴射金屬粉末(Mazzucato等人，2017)。使用多個(ge) 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係統的原理圖如上圖所示。

粉末床熔合(PBF)和定向能沉積(DED)是兩(liang) 種重要的AM工藝，能夠生產(chan) 出完全致密的金屬零件，適用於(yu) 不同的工業(ye) 應用。它們(men) 不同的粉末輸送機製影響工件的複雜性、支撐要求、材料使用的靈活性和表麵粗糙度。2019年，PBF和DED係統在金屬AM市場的收入市場份額分別為(wei) 85%和8.3%。預計未來5年，DED技術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(yi) 美元。主要的粉末原料和激光能源DED係統製造商包括Optomec®，Inc.， Trumpf, BeAM, FormAlloy, DMG MORI, InssTek, Inc.和南京中科瑞昌激光技術有限公司。帶線材的DED係統製造商包括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(ya) 國家實驗室將激光工程淨整形(LENS™)技術授權給Optomec公司(Albuquerque, NM)，這是第一個(ge) 商業(ye) 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(wei) 吹製粉末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打印技術的專(zhuan) 利，之後在1997年Johns Hopkins大學開發了一種DED技術，並通過他的公司Aeromet將其商業(ye) 化。

由DED製造的零件的質量和性能取決(jue) 於(yu) (i) DED技術的類型(包括原料和熱源的類型);(ii)建造環境(真空、惰性氣體(ti) 或環境);(3)beam-material交互;(4)沉積參數(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、重複的加熱-冷卻循環中，會(hui) 產(chan) 生獨特的微觀結構特征、非平衡相、凝固開裂、定向凝固、殘餘(yu) 應力、氣孔、分層和翹曲。一般來說，由於(yu) 沉積的方向性，DED樣品在機械性能和微觀結構上往往表現出各向異性。因此，熱熔成形過程的熱曆史同時控製著鑄態零件的宏觀組織和微觀組織，這可能會(hui) 影響鑄態零件的機械性能。通過工藝優(you) 化、現場監測和反饋控製，可以消除或至少顯著減少與(yu) 金屬AM相關(guan) 的一些缺陷，從(cong) 而實現卓越的組件質量。

一些關(guan) 於(yu) AM調幅技術、應用和/或材料的廣譜綜述已經發表，而隻有少數專(zhuan) 注於(yu) DED技術。這些集中在熱和流體(ti) 現象，過程參數圖，優(you) 化和控製，機械行為(wei) 和應用。近年來，DED技術在合金設計、關(guan) 鍵結構修複和雙金屬/多材料結構方麵取得了顯著的發展。目前的綜述集中在激光-材料的相互作用，DED的最關(guan) 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(you) 點、缺點和應用進行了更簡明的總結，並簡要討論了當前的挑戰和未來的方向。

定向能沉積(DED) -原理、優(you) 點和缺點

本節簡要總結了DED的一般原理及其優(you) 缺點，主要是與(yu) PBF相比。這兩(liang) 種工藝具有互補性而非競爭(zheng) 性，其中DED一方麵在新材料的高通量開發和多種材料的加工方麵具有重大優(you) 勢，另一方麵在機械性能良好的大型近淨形零件的快速製造方麵具有重大優(you) 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，它高度適應於(yu) 高性能材料的沉積，如不鏽鋼、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、複合材料、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(ge) 小型熔池，並同時熔化以粉末或金屬絲(si) 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。金屬軌道基於(yu) 預先定義(yi) 的艙口間距(即連續金屬軌道之間的距離)相互重疊。在完成一層後，沉積頭和原料輸送係統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(chan) 生了一個(ge) 三維近淨形狀的組件，類似於(yu) 計算機輔助設計(CAD)模型。在沉積前，利用軟件對三維數字模型進行切片，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(cong) 材料設計到修複再到應用，DED相對於(yu) PBF的關(guan) 鍵優(you) 勢示意圖。(b) DED中微觀結構、多界麵、熱循環、缺陷和殘餘(yu) 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。構建量是指主體(ti) 流程可以處理的組件的相對大小。細節分辨率指的是流程創建小特征的能力。沉積速率是指生產(chan) 一定質量的產(chan) 品的速率。耦合效率是指能量從(cong) 能量源轉移到基材的效率，潛在汙染是指在部件內(nei) 夾帶汙垢、氣體(ti) 和其他可能汙染物的可能性。

表2 粉末原料與(yu) 線材原料的DED過程。

基於(yu) 能量來源和原料類型，商業(ye) 上可用的技術被稱為(wei) 激光金屬沉積(LMD)，直接金屬沉積(DMD)，激光固體(ti) 成形(LSF)， LENS™，定向光製造(DLF)，電子束增材製造(EBAM®)，或線材加電弧增材製造(WAAM)。一些DED技術，如LENS、DLF和EBAM，將金屬沉積在一個(ge) 封閉的腔室中，或者在一個(ge) 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(ti) 罩來防止沉積物的氧化。一些DED係統可以同時沉積多種材料，並允許多軸沉積處理合理複雜的幾何形狀。DED也是一種有用的技術，用於(yu) 填充裂縫，改造製造部件，修複高價(jia) 值的金屬部件。DED能夠快速儲(chu) 存大量資料(一般情況下，LENS可儲(chu) 存0.5 kg/h, WAAM可儲(chu) 存10 kg/h)，並可儲(chu) 存巨型工作包封(如: 6 × 1.4 × 1.4 用於(yu) 現有商用打印機)。

一些國際標準已經適用於(yu) DED過程。ASTM 3413列出了DED工藝的以下優(you) 點:(1)原料範圍廣泛;(2)可加工多種材料、複合材料和FGMs;(3)在沉積狀態下的靜態和動態力學性能往往優(you) 於(yu) pfc沉積的零件;(4)局部特性可就地調整;(5)在一台機器上打印全部零件或局部特征、塗層或修複;(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(chuan) 統製造工藝高;(8)與(yu) 其他AM過程相比，高技術成熟水平(TRL)或製造成熟水平(MRL);(9)部分DED機為(wei) 混合式，即允許加減法生產(chan) ；(10)可以在非水平表麵上使用AM;(11)與(yu) PBF相比，在激光驅動下使用的粉末粒度更大(成本和安全方麵都有優(you) 勢);(12)利用帶送絲(si) 、電子束能量源和真空室的DED係統，可以實現零重力環境下的空間打印。

DED工藝存在以下缺點:(1)局部溫差會(hui) 導致收縮、殘餘(yu) 應力和變形;(2)與(yu) 采用激光的PBF相比，它們(men) 具有較低的維分辨率(有時是精度)，具有較大的表麵波紋度;(3)在吹粉係統中，獲得了比激光PBF更高的表麵粗糙度;(4)零件的複雜性可能會(hui) 受到限製，尤其是那些隻有三個(ge) 自由度的機器;(5)常需要後期加工;(6)與(yu) PBF相比，粉體(ti) 效率和粉體(ti) 可回收性較低，特別是在印刷混合粉體(ti) 時。圖1a顯示了從(cong) 材料設計到修複再到應用，DED相對於(yu) PBF的關(guan) 鍵優(you) 勢的原理圖。研究領域涉及先進的材料設計應用在結構，功能，和生物醫學領域隻能滿足使用基於(yu) 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。

圖B 軋製後的鋁箔表麵顯微圖:(A)潤滑壓力(B)接觸麵積比(%)。

圖A示意地說明了軋輥與(yu) 被軋輥材料之間的接觸區域以及被油膜層隔開的區域。圖B為(wei) 軋製後的薄片表麵的顯微圖，其中沿軋製方向有許多顯著的軋製痕跡。

DED的應用

在介紹了DED及其優(you) 缺點之後，本節重點介紹了DED在合金設計和多材料結構、大型結構製造、維修和塗層方麵的一些現有和新興(xing) 獨特應用。

自1990年中期DED技術商業(ye) 化以來 , 除了打印3D結構外，其獨特的功能還支持多個(ge) 領域的應用。圖2顯示了DED技術在製造大型結構、維修和塗層方麵的一些獨特應用。大型、高價(jia) 值金屬零件的維修在工業(ye) 上是一種常見做法，通常使用焊接，然後進行表麵修整。然而，對於(yu) 大型和/或昂貴的零件，DED技術可以修複結構，並在修複過程中添加材料，以盡量減少未來的侵蝕或損壞（圖2b）。這是通過在DED中使用計算機控製的沉積頭來完成的，以基於(yu) 被修複零件的CAD文件沉積材料。

圖2 應用於(yu) 大型零件的製造、維修和塗層。(a)多次修複和沉積策略。(b)修複大型管狀結構。(c)鈦上的鉭塗層在體(ti) 外顯示出強大的結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(wei) 航空航天用途製造的大型火箭噴管。(f)用於(yu) 刀具的硬質金屬碳化物塗層和金剛石增強層。

首先，分析零件的常見損壞區域，例如熱降解或磨損，然後在目標位置沉積與(yu) 基礎合金相容的更高硬度或耐高溫材料。由於(yu) DED是一種熔融鑄造工藝，因此通過擴散界麵可獲得良好的冶金結合。由於(yu) 冷卻速度快和熱梯度高，有時使用後熱處理來降低殘餘(yu) 應力。最後，完成表麵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(nei) 襯，內(nei) 置30英寸內(nei) 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技術製造此類大型金屬零件都具有挑戰性，並且在傳(chuan) 統製造中通常是大規模的多步驟過程。圖2a顯示了該透鏡™可用於(yu) 修複Inconel 718和其他金屬的內(nei) 部缺陷。據報道，與(yu) 矩形槽相比，銑削梯形槽可為(wei) 修複提供更好的缺陷區準備，同時發現對角構建方向和熱處理更適合將修複樣品的磨損降至最低。通過自動控製的自由軸旋轉臂，修複難以觸及的結構，如管道內(nei) 部，也可以在360度方向上沉積材料。

圖2c、d、f顯示了應用於(yu) 基材以提高性能的不同功能塗層。在圖2c中，鉭塗層通過DED塗覆在鈦上。鉭的熔點非常高（>3000 °C），導致傳(chuan) 統加工具有挑戰性，因為(wei) 鉭不可能采用常規熔融鑄造加工路線。然而，鉭吸收激光能量，導熱係數低，因此使用基於(yu) 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，鈦上的鉭塗層是通過具有良好冶金結合的DED實現的。在圖2d中，CaP塗層通過鈦上的DED塗覆，以增強植入物在體(ti) 內(nei) 的骨整合。由於(yu) 鈦帽塗層材料是一種金屬-陶瓷複合材料，因此與(yu) 鈦上的純鈦帽陶瓷塗層相比，界麵強度非常高，鈦帽陶瓷塗層是目前矯形外科和牙科植入物的金標準。

然而，DED製備的鈦-CaP塗層與(yu) 傳(chuan) 統的純CaP塗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金屬碳化物塗層用於(yu) 刀具的應用。這些塗層無大麵積開裂，具有多重強化相，並被發現在鋁和AM鈦的機械加工中有用。所有上述塗層都已應用於(yu) 通過傳(chuan) 統方法製造的零件。然而，DED的新奇之處在於(yu) ，它能夠在拋光表麵沉積，從(cong) 而通過塗層保持良好的冶金結合來提高現場的特定性能。

圖3 激光測距在合金設計和多材料結構中的應用。(a)利用DED加工多材料結構的概念。(b)相對密度為(wei) 99%的複合設計鋁合金塊體(ti) 。(c)由Inconel 718和GR-Cop84(銅合金)經LENS™處理的雙金屬結構顯示火箭噴嘴壁的導熱係數增加。(d)具有不同金屬和陶瓷區域的鈦-铌碳化物交替結構，用於(yu) 定向熱/結構應用。(e)使用LENS™處理的雙金屬不鏽鋼結構，顯示出磁性(430SS)和非磁性(316SS)鋼的明顯區域。

圖3顯示了DED工藝的另外兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵應用領域——合金設計和多材料結構。采用傳(chuan) 統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，可以在受控的環境下以組合的方式沉積大量合金，在短時間內(nei) 向下選擇有希望的成分進行進一步分析。使用多料鬥DED係統和程序化送粉係統，即使是一個(ge) 單一的部件，也可以由不同的成分從(cong) 一端到另一端製成，這是一個(ge) 經典的多材料組成的分級結構。這些選項使得DED機床幾乎成為(wei) 冶金學家的理想工具，可以提供現場特定性能的結構。

圖3a顯示了Cr-Mo-V熱加工工具鋼和Ni基馬氏體(ti) 時效鋼中由約500 μm厚的FGM結構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，由於(yu) Mg的選擇性蒸發，Al 5xxx合金在印刷狀態下的化學成分從(cong) Al 5083轉變為(wei) Al 5754，這是一個(ge) 典型的挑戰，需要在許多具有不同熔點的合金元素的係統中加以考慮。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麵，從(cong) 而提高了高溫合金的導熱性。718合金表麵的GRCop-84層使其導熱係數提高了300%以上。

圖3顯示了用於(yu) 定向熱/結構應用的具有不同金屬和陶瓷相的鈦-铌碳化物交替結構。這種方法可以生成隻在需要的地方放置增強材料的複合材料，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(cong) 磁性鐵素體(ti) 不鏽鋼(SS) 430到非磁性奧氏體(ti) 不鏽鋼316。這些例子突出了一些獨特的領域，在這些領域，除了基於(yu) CAD文件打印一些3D形狀外，DED技術平台在製造先進材料方麵做出了顯著的改變。

當前的挑戰

盡管DED技術在全球範圍內(nei) 發展迅速，但要使該技術平台更加通用性，還需要關(guan) 注許多科學技術挑戰。PBF是一種更受歡迎的金屬AM技術平台，因為(wei) 它能夠比DED實現更好的公差。近年來，為(wei) 了滿足零件的嚴(yan) 格公差要求，混合動力調幅(HAM)越來越受歡迎。在動態加工係統中，數字化加工頭與(yu) 計算機數控加工中心相結合。在沉積幾層後，進行車削或銑削操作以滿足公差。最後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(xing) 奮的，因為(wei) 沉積和加工都是在同一操作中完成的，構建時間相對較長。此外，根據其幾何形狀和複雜性，需要對每個(ge) 零件進行廣泛的數控編程和工藝規劃，以決(jue) 定何時機床和何時沉積材料。這種複雜的操作可能需要更多的經驗。此外，在HAM係統中，機械加工產(chan) 生的金屬屑可能與(yu) 沉積頭的多餘(yu) 粉末混合，導致每次構建操作產(chan) 生更多的材料損失。

數控機床從(cong) 數控程序中獲得指令位置。驅動電機旋轉相應的量，反過來驅動滾珠絲(si) 杠，引起軸作直線運動。反饋裝置確認滾珠絲(si) 杠轉數已發生的適當數目。

上圖顯示了CNC控製器的線性軸的組成。在這種情況下，一個(ge) 命令告訴驅動電機旋轉精確的次數。驅動電機的轉動帶動滾珠絲(si) 杠轉動，滾珠絲(si) 杠帶動直線軸轉動。反饋裝置在滾珠絲(si) 杠的另一端，允許控製確認所要求的旋轉數已經發生。

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

在這方麵，必須注意到粉末的可回收性也是DED的一個(ge) 問題。起始粉可以重複使用多少次，或與(yu) 新鮮粉混合多少次，或經過DED操作後，粉的流動性發生了什麽(me) ，都是需要詳細說明的關(guan) 鍵問題。冶金兼容性是另一個(ge) 需要更深入理解的關(guan) 鍵因素，以推動多材料零件的製造。與(yu) 其他金屬AM過程一樣，DED涉及快速冷卻速率，並受非平衡熱力學和相關(guan) 動力學控製。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，打印多材料結構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(xi) 方法和現場監測和自適應控製技術，包括物理、化學，在未來幾年，不同合金的熱性能將有利於(yu) 建立冶金兼容性，以製造整體(ti) 和多材料零件。其他一些問題與(yu) DED機器更相關(guan) 。例如，大多數DED沉積頭有三個(ge) 自由軸。然而，具有5軸或自由軸沉積頭的機器打開了製造更多種類的附加結構或更複雜幾何形狀的可修複性的可能性。類似地，大多數DED係統采用500 W或1000 W的激光器作為(wei) 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(hui) 有部分分辨率的妥協。最後，雖然大多數的DED操作使用金屬粉末作為(wei) 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(chu) 存。然而，熔化金屬絲(si) 需要更高的激光功率，這使得送絲(si) DED係統更昂貴。

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).