定向能沉积(DED)增材制造:物理特性、缺陷、挑战和应用（三）-3D打印-资讯-智能装备网

【智能装备网讯】导读：本文讲述了DED处理相关的挑战，并对该技术进行了关键的展望。本文为第三部分。关键词：增材制造(AM)，定向能沉积(DED)，激光工程净整形(LENS)，激光-材料相互作用缺陷
沉积材料中的缺陷及其表征
DED是一种冷速快、热梯度大的非平衡加工技术。这些热条件会导致复杂的相变和微观结构变化、不均匀的残余应力、变形、孔隙、开裂，并因此导致耐蚀性退化、机械行为(如延展性和疲劳强度)和过早失效。这些是本节的主题。讨论了这些缺陷的形成机制、测量、建模和缓解。表3总结了一些主要缺陷，它们的来源，对材料性能和部件的选择影响，以及它们的表征技术。下面的小节将更详细地讨论它们。

表3 定向加工材料中主要缺陷的特征及其表征技术。

残余应力和变形

残余应力的来源:所有的热机械制造过程都不可避免地导致残余应力的形成。由于DED工艺的逐层性质，零件经历了一个非常复杂的热历史，包括熔化、重熔和再加热。图11a为加热和冷却循环过程中残余应力的形成模型。图11b显示了H13钢盒LENS沉积期间的原位热电偶读数。每个峰值表示当激光经过热电偶[57]时的热电偶响应。DED是一种非平衡处理技术，其快速冷却速率为102–104 K/s，热梯度为104–105 K/m（图11c和d）。这可能导致复杂的相变和微观结构变化。AM引入的残余应力可能在空间和构建方向上高度不均匀，并且通常具有高达～102兆帕/毫米。总的来说，控制DED中残余应力和变形演变的关键物理因素与熔焊中的类似。残余应力根据其影响的大小分为三种类型，从宏观应力（I型）到原子级应力（III型）。

图11 DED中残余应力的来源。(a)残余应力形成模型:加热阶段(左)和冷却阶段(右)。(b)透镜制造过程中的响应，显示打印部件的复杂热历史。(c) 316ss激光发射过程中熔池的数字图像，(d)沿梯度线的温度梯度，显示激光发射过程中温度梯度很大。(e) Ti-6Al-4V激光DED过程中产生的计算畸变。预热的构建室减少积累的变形。(f)零件和底板预热对热梯度和产生的残余应力的影响。较高的预热温度导致较低的热梯度，从而降低残余应力。

残余应力对沉积材料和零件的影响: AM零件的残余应力可能会产生多种后果，包括残余应力驱动的相变，变形，几何公差损失，开裂，零件从基体上的分层，循环加载下的早期裂纹扩展，因此，结构部件的过早失效。

残余应力测量:残余应力测量是一项重要的任务。残余应力的计算需要获取一些其他可测量的量，例如位移/畸变、格间距或声速。残余应力测量技术通常分为破坏性和非破坏性。破坏技术基于机械应力松弛，包括钻孔、连续切片和环芯钻进。非破坏性技术是基于测量格间距(衍射技术)，声速，或Barkhausen噪声(铁磁材料在外部磁场下发出的声音)。大多数方法都是以假设为基础的，因此需要小心确保这些假设对有关的特定部分是有效的。残余应力测量技术的详细综述可在中找到。在三维模型中，基于热应力平衡方程的数值解的计算模型也经常被用来描述应力和位移随时间的演化。

一个电磁铁产生一个交变磁场，可以选择0.1到几百赫兹之间，这取决于测试问题。感应式传感器与霍尔探头位于磁极之间，用于测量切向磁场强度。

缓解: 减少残余应力最常用的方法之一是在沉积过程中对基板、建筑腔室和打印部件进行预热。这允许在部分印刷过程中减少整体的热梯度，最大限度地减少累积的残余应力。Corbin等人证明将基材预热到~ 400°C可以将基材在打印第一层时累积的变形减少27.4%。Lu等人开发了一种三维热机械有限元方法来研究由DED引起的变形和残余应力。

研究结果表明，当基体预热与构建室加热相结合时，残余应力和变形分别可以降低80.2%和90.1%(图11e)。Vasinonta等也建立了热-机械模型，研究了温度梯度、零件预热和底板预热对LENS制作不锈钢零件残余应力的影响。结果表明，均匀零件和底板预热可显著降低残余应力。通过将零件和底板预热至400°C(图11f)，可以最大限度地降低残余应力~ 40%。这些研究表明，对基材、构建腔体和印刷部件进行预热，为残余应力的缓解提供了一种实用的方法;然而，预热并不能消除残余应力。可能需要进一步的后处理。

另一种减少打印过程中残余应力的方法是优化扫描策略。较短的沉积长度、较小的岛屿扫描、螺旋入层(而不是螺旋出层)、提高扫描速度、将层厚减小到熔池深度以下均有利于残余应力和变形的缓解。轨道宽度和舱口间距的设置应使串珠重叠为。Denlinger等人对激光DED加工的Ti-6Al-4V和Inconel 625零件进行了一系列原位和后加工变形测量，研究了层间驻留时间对零件变形的影响。他们证明，在Inconel 625沉积过程中，将层间停留时间从0增加到40s，可以在沉积过程中增加冷却时间，并将残余应力从~ 710MPa降低到~566MPa。

图12 基于扫描策略优化的残余应力缓解。(a)层间驻留时间对Inconel 625和Ti-6Al-4V合金残余应力的影响。(b) LSF沉积图，(c) FE建模结果显示了扫描策略对激光发射过程温度梯度的影响。采用基于希尔伯特曲线的分形扫描策略，得到最小梯度。

另一方面，在Ti-6Al-4V打印过程中，停留时间从0增加到40s，导致残余应力从~ 98MPa增加到~ 218MPa(图12a)。这些结果表明，残余应力的发展和演化具有高度的材料依赖性。具体来说，Inconel 625和Ti-6Al-4V行为的差异可能归因于印刷过程中相变的差异。Woo等人研究了扫描策略对激光DED制备的FGM残余应力的影响。研究结果表明，应力范围Δσ可从0°旋转时的~ 950MPa降至90°旋转时的~ 680MPa，而岛式或“棋盘式”策略则可进一步降至~ 430MPa。Yu等采用分形扫描策略，按照希尔伯特曲线(图12b)进行扫描，即连续的分形空间填充曲线。他们证明，由于沉积过程结束时的准对称温度分布和分形扫描策略引入的较低的温度梯度，使用该策略打印的零件比传统扫描策略显示出更低的衬底变形(图12c)。这些研究表明，扫描策略对DED的残余应力和变形有很大的影响。

通过印后热处理可以进一步降低残余应力。为了通过中子衍射研究Inconel 625零件热处理引起的应力松弛，进行了原位压缩试验。定量分析了增材加工和常规加工零件内部的应力演化，分析了宏观应力和不同晶态晶粒内部的应力。在相同的温度和应变条件下，am加工的零件比常规加工的零件表现出更高的应力松弛速率，而与晶粒取向无关。此外，与常规加工的零件相比，am加工的零件表现出更低的峰值和平台应力。这种差异是由于两种材料的结构和晶粒尺寸的差异造成的。

利用中子衍射，研究表明激光打印的Inconel 625零件的残余应力可以通过在氩气中以870°C热处理1h来消除。然而，热处理还会导致碳化物的析出，从而降低了参考无应变点阵间距，导致残余应力的计算存在潜在误差。Zhang等人进一步分析了与应力消除热处理相关的温度下Inconel 625的相组成和析出动机械。结果表明，AM处理引起的元素偏析是导致Inconel 625热处理后析出行为异常的根本原因。这些研究表明，印后热处理是消除残余应力的有效策略，但必须制定特定的策略以避免不良相的形成。