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1、定向能沉积(DED)增材制造:物理特性、缺陷、挑战和应用(一)
定向能沉积(DED)增材制造:物理特性、缺陷、挑战和应用(一)
上图显示了CNC控制器的线性轴的组成,在这种情况下,一个命令告诉驱动电机旋转精确的次数,驱动电机的转动带动滚珠丝杠转动,滚珠丝杠带动直线轴转动,反馈装置在滚珠丝杠的另一端,允许控制确认所要求的旋转数已经发生。
在介绍了DED及其优缺点之后,本节重点介绍了DED在合金设计和多材料结构、大型结,图3显示了用于定向热/结构应用的具有不同金属和陶瓷,这种方法可以生成只在需要的地方放置增强材料的复合材,因此具有特定的场地属性,图3e显示了LENS™沉积钢管的成分,从磁性铁素体不锈钢(SS) 430到非磁性奥氏体不,这些例子突出了一些独特的领域。
在这些领域,除了基于CAD文件打印一些3D形状外,DED技术平台在制造先进材料方面做出了显著的改变,然而,DED制备的钛-CaP涂层与传统的纯CaP涂层的生,图2f显示了用金刚石粉末加工的硬质金属碳化物涂层用,这些涂层无大面积开裂。
具有多重强化相,并被发现在铝和AM钛的机械加工中有用,所有上述涂层都已应用于通过传统方法制造的零件,然而,DED的新奇之处在于,它能够在抛光表面沉积。
从而通过涂层保持良好的冶金结合来提高现场的特定性能,DED是一组AM过程,在输入热量的同时添加材料,热输入可以是激光、电子束或等离子弧,原料为金属粉末或金属丝,与金属丝相比,粉末的沉积效率较低,因为只有一部分粉末会被熔化并粘接到基板上(Lee。
2008),与E-PBF一样,在DED中的电子束系统需要真空,不会有高的氧化问题和激光系统,另一方面,需要其他方法引入惰性气体,粉末喷涂设备通常有惰性气体与粉末一起从喷嘴吹出,从而覆盖熔化区域。
降低氧化速率(Gokuldoss等人,2017),Powder DED系统可以使用单个或多个喷嘴喷射,2017),使用多个喷嘴可以使不同材料混合得到功能梯度材料(F,2003。
Li等人,2017),DED系统的原理图如上图所示,数控机床从数控程序中获得指令位置,驱动电机旋转相应的量,反过来驱动滚珠丝杠,引起轴作直线运动,反馈装置确认滚珠丝杠转数已发生的适当数目。
DED工艺存在以下缺点:(1)局部温差会导致收缩、,(2)与采用激光的PBF相比,它们具有较低的维分辨率(有时是精度),具有较大的表面波纹度,(3)在吹粉系统中,获得了比激光PBF更高的表面粗糙度,(4)零件的复杂性可能会受到限制,尤其是那些只有三个自由度的机器。
(5)常需要后期加工,(6)与PBF相比,粉体效率和粉体可回收性较低,特别是在印刷混合粉体时,图1a显示了从材料设计到修复再到应用,DED相对于PBF的关键优势的原理图,研究领域涉及先进的材料设计应用在结构,功能。
和生物医学领域只能满足使用基于定向的金属和多材料A,自1990年中期DED技术商业化以来 ,除了打印3D结构外,其独特的功能还支持多个领域的应用,图2显示了DED技术在制造大型结构、维修和涂层方面,大型、高价值金属零件的维修在工业上是一种常见做法。
通常使用焊接,然后进行表面修整,然而,对于大型和/或昂贵的零件,DED技术可以修复结构,并在修复过程中添加材料,以尽量减少未来的侵蚀或损坏(图2b),这是通过在DED中使用计算机控制的沉积头来完成的。
以基于被修复零件的CAD文件沉积材料,尽管DED技术在全球范围内发展迅速,但要使该技术平台更加通用性,还需要关注许多科学技术挑战,PBF是一种更受欢迎的金属AM技术平台。
因为它能够比DED实现更好的公差,近年来,为了满足零件的严格公差要求,混合动力调幅(HAM)越来越受欢迎,在动态加工系统中,数字化加工头与计算机数控加工中心相结合。
在沉积几层后,进行车削或铣削操作以满足公差,最后的部分看起来更像机械加工的部分,而不是典型的AM加工部分,虽然HAM是令人兴奋的。
因为沉积和加工都是在同一操作中完成的,构建时间相对较长,此外,根据其几何形状和复杂性,需要对每个零件进行广泛的数控编程和工艺规划,以决定何时机床和何时沉积材料,这种复杂的操作可能需要更多的经验。
此外,在HAM系统中,机械加工产生的金属屑可能与沉积头的多余粉末混合,导致每次构建操作产生更多的材料损失,表1 不同热源下DED工艺的比较。
构建量是指主体流程可以处理的组件的相对大小,细节分辨率指的是流程创建小特征的能力,沉积速率是指生产一定质量的产品的速率,耦合效率是指能量从能量源转移到基材的效率,潜在污染是指在部件内夹带污垢、气体和其他可能污染物,使用任何其他AM技术制造此类大型金属零件都具有挑战,并且在传统制造中通常是大规模的多步骤过程。
图2a显示了该透镜™可用于修复Inconel 71,据报道,与矩形槽相比,铣削梯形槽可为修复提供更好的缺陷区准备,同时发现对角构建方向和热处理更适合将修复样品的磨损,通过自动控制的自由轴旋转臂,修复难以触及的结构,如管道内部。
也可以在360度方向上沉积材料,定向能沉积(DED) -原理、优点和缺点,DED是一种AM工艺,它高度适应于高性能材料的沉积,如不锈钢、工具钢、合金钢、钛基合金、钴基合金、镍基,DED使用高能量密度的热源(激光、电子束或等离子/,形成一个小型熔池。
并同时熔化以粉末或金属丝形式输送到熔池中的原料材料,当热源向前移动时,沉积的金属在基板上凝固,形成金属轨迹,金属轨道基于预先定义的舱口间距(即连续金属轨道之间,在完成一层后,沉积头和原料输送系统向上移动一小段距离(切片厚度),沉积下一层(图1b)。
因此,所有层的沉积产生了一个三维近净形状的组件,类似于计算机辅助设计(CAD)模型,在沉积前,利用软件对三维数字模型进行切片,以指定切片厚度、舱口间距和每一层的沉积路径,表1根据一些选择标准比较了不同热源下的DED过程。
表2比较了粉状原料和线状原料的一些特性,来源:Directed energy deposi,defects,challenges and applicatio,MaterialsToday,https://doi.org/10.1016/j。
基于能量来源和原料类型,商业上可用的技术被称为激光金属沉积(LMD),直接金属沉积(DMD),激光固体成形(LSF),LENS™,定向光制造(DLF),电子束增材制造(EBAM®),或线材加电弧增材制造(WAAM)。
一些DED技术,如LENS、DLF和EBAM,将金属沉积在一个封闭的腔室中,或者在一个可控的气氛手套箱中,或者在真空下,而DMD和WAAM则使用受控的惰性气体罩来防止沉积。
一些DED系统可以同时沉积多种材料,并允许多轴沉积处理合理复杂的几何形状,DED也是一种有用的技术,用于填充裂缝,改造制造部件,修复高价值的金属部件,DED能够快速储存大量资料(一般情况下。
LENS可储存0.5 kg/h,WAAM可储存10 kg/h),并可储存巨型工作包封(如: 6 × 1.4 × 1,图A冷轧润滑机理示意图及接触细节,一些关于AM调幅技术、应用和/或材料的广谱综述已经,而只有少数专注于DED技术,这些集中在热和流体现象,过程参数图。
优化和控制,机械行为和应用,近年来,DED技术在合金设计、关键结构修复和双金属/多材料,目前的综述集中在激光-材料的相互作用。
DED的最关键的加工变量,缺陷的形成和表征在沉积材料,本文还对DED的原理、优点、缺点和应用进行了更简明,并简要讨论了当前的挑战和未来的方向,图A示意地说明了轧辊与被轧辊材料之间的接触区域以及。
图B为轧制后的薄片表面的显微图,其中沿轧制方向有许多显著的轧制痕迹,本节简要总结了DED的一般原理及其优缺点,主要是与PBF相比,这两种工艺具有互补性而非竞争性,其中DED一方面在新材料的高通量开发和多种材料的加,另一方面在机械性能良好的大型近净形零件的快速制造方,对不同热源或不同原料的DED工艺也作了简要的比较。
未完待续,由DED制造的零件的质量和性能取决于(i) DED,(ii)建造环境(真空、惰性气体或环境),(3)beam-material交互,(4)沉积参数(主要是激光粉末、激光扫描速度、舱口。
(v)原料属性,此外,在逐层沉积过程中,DED沉积零件暴露在快速、重复的加热-冷却循环中,会产生独特的微观结构特征、非平衡相、凝固开裂、定向,一般来说,由于沉积的方向性。
DED样品在机械性能和微观结构上往往表现出各向异性,因此,热熔成形过程的热历史同时控制着铸态零件的宏观组织和,这可能会影响铸态零件的机械性能,通过工艺优化、现场监测和反馈控制,可以消除或至少显著减少与金属AM相关的一些缺陷,从而实现卓越的组件质量。
江苏激光联盟导读:,图B 轧制后的铝箔表面显微图:(A)润滑压力(B),DED,也被称为吹制粉末AM或激光熔覆,涉及到将金属粉末引入热源(如激光)。
在沉积过程中熔化金属颗粒(如上图),Wes钛nghouse电气公司的Frank Arc,之后在1997年Johns Hopkins大学开发,并通过他的公司Aeromet将其商业化,图3显示了DED工艺的另外两个关键应用领域——合金,采用传统方法设计的合金需要广泛的高温性能和大量的原,使用DED。
可以在受控的环境下以组合的方式沉积大量合金,在短时间内向下选择有希望的成分进行进一步分析,使用多料斗DED系统和程序化送粉系统,即使是一个单一的部件,也可以由不同的成分从一端到另一端制成,这是一个经典的多材料组成的分级结构。
这些选项使得DED机床几乎成为冶金学家的理想工具,可以提供现场特定性能的结构,DED的应用,江苏激光联盟欢迎您的关注,利用计算材料科学、先进的机器学习方法和现场监测和自,包括物理、化学。
在未来几年,不同合金的热性能将有利于建立冶金兼容性,以制造整体和多材料零件,其他一些问题与DED机器更相关,例如,大多数DED沉积头有三个自由轴,然而,具有5轴或自由轴沉积头的机器打开了制造更多种类的附。
类似地,大多数DED系统采用500 W或1000 W的激光,虽然高功率激光可以提高印刷速度,但在高功率激光机器中,可能会有部分分辨率的妥协,最后。
虽然大多数的DED操作使用金属粉末作为原料材料,更便宜的线馈送的DED也可用,金属线比金属粉末便宜得多,而且金属线比粉末更安全,更容易储存。
然而,熔化金属丝需要更高的激光功率,这使得送丝DED系统更昂贵,增材制造(AM),也被称为三维(3D)打印。
被认为是构成第四次工业革命(工业4.0)的12个颠,2013年,GE航空公司的生产线采用了金属AM,2018年,GE航空已经生产了超过23000个飞行质量的增材部。
并计划在2020年之前生产10万个部件,金属AM市场近年来的增长比聚合物或陶瓷市场快得多,到2027年,航空航天、汽车和能源行业可能会占据金属AM总收入的,随着新的制造技术的出现,以AM为基础的维修技术有望成为实际应用,表2 粉末原料与线材原料的DED过程。
摘要:定向能沉积(DED)是增材制造(AM)工艺的,在该工艺中,粉末或金属丝形式的原料被输送到同时聚焦激光束、电子,从而形成一个小的熔池,一层一层地连续沉积材料。
与其他AM工艺相比,DED具有一些独特的优势,例如特定位置的沉积和修复、合金设计以及复杂形状的三,本文综述了激光-材料相互作用、熔池热行为、原位监测,最关键的加工变量及其对沉积材料性能的影响,以及缺陷形成机制和表征技术。
也被确定和讨论,概述了高端应用,当前与DED处理相关的挑战,并对该技术进行了关键的展望,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,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,首先,分析零件的常见损坏区域,例如热降解或磨损,然后在目标位置沉积与基础合金相容的更高硬度或耐高温,由于DED是一种熔融铸造工艺,因此通过扩散界面可获得良好的冶金结合。
由于冷却速度快和热梯度高,有时使用后热处理来降低残余应力,最后,完成表面修整以满足必要的公差,图2e显示了美国宇航局的半比例尺1.016 米高。
RS25火箭喷管内衬,内置30英寸内部功能使用激光粉末可减少航空航天应用,参考文献:J,Manyika,M。
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https://www.efficientplan,粉末床熔合(PBF)和定向能沉积(DED)是两种重,能够生产出完全致密的金属零件,适用于不同的工业应用,它们不同的粉末输送机制影响工件的复杂性、支撑要求、,2019年,PBF和DED系统在金属AM市场的收入市场份额分别,预计未来5年。
DED技术的收入份额将增加到11.1%,PBF将下降到63%,在另一份报告中,预计到2025年,DED市场将达到近7.55亿美元,主要的粉末原料和激光能源DED系统制造商包括Opt。
Inc.,Trumpf,BeAM,FormAlloy,DMG MORI,InssTek。
Inc.和南京中科瑞昌激光技术有限公司,带线材的DED系统制造商包括GKN添加剂和Maza,WAAM、Norsk Ti Ta nium AS、,Sciaky,Inc.和EvobeAM GmbH,1997年。
桑迪亚国家实验室将激光工程净整形(LENS™)技术,NM),这是第一个商业化的DED工艺之一,类似地,对于多材料部件,根据沉积头的不同,通常20-75%的吹散粉末被捕获在实际部件中,而剩余的粉末则分散在沉积托盘上。
这种混合粉体的分离可能是相当具有挑战性的,增加了粉体浪费和DED操作成本,为了避免这个问题,有时首选预混合的粉末,而不是在动态混合的DED操作,可以收集未使用的粉末,以减少起始粉末的浪费,介绍。
两种DED系统的原理图(A)使用激光和粉末原料,(B)使用电子束和线材原料,一些国际标准已经适用于DED过程,ASTM 3413列出了DED工艺的以下优点:(1,(2)可加工多种材料、复合材料和FGMs,(3)在沉积状态下的静态和动态力学性能往往优于pf,(4)局部特性可就地调整,(5)在一台机器上打印全部零件或局部特征、涂层或修。
(6)高沉积速率,(7)可能比PBF更大的部分,(7)设计自由度通常比传统制造工艺高,(8)与其他AM过程相比,高技术成熟水平(TRL)或制造成熟水平(MRL)。
(9)部分DED机为混合式,即允许加减法生产,(10)可以在非水平表面上使用AM,(11)与PBF相比,在激光驱动下使用的粉末粒度更大(成本和安全方面都有,(12)利用带送丝、电子束能量源和真空室的DED系,可以实现零重力环境下的空间打印。
在这方面,必须注意到粉末的可回收性也是DED的一个问题,起始粉可以重复使用多少次,或与新鲜粉混合多少次,或经过DED操作后。
粉的流动性发生了什么,都是需要详细说明的关键问题,冶金兼容性是另一个需要更深入理解的关键因素,以推动多材料零件的制造,与其他金属AM过程一样,DED涉及快速冷却速率,并受非平衡热力学和相关动力学控制。
因此,用平衡热力学推导出的标准相图在DED中的适用性有限,自然地,打印多材料结构可能需要大量的试错试验,以确定所有成分可以在没有开裂和其他缺陷的情况下沉积,图1 (a)从材料设计到修复再到应用,DED相对于PBF的关键优势示意图。
(b) DED中微观结构、多界面、热循环、缺陷和残,(c)注入粉末、激光束和熔池之间的相互作用,在某些情况下导致熔池中形成小孔,江苏激光联盟陈长军原创作品,图2 应用于大型零件的制造、维修和涂层,(a)多次修复和沉积策略,(b)修复大型管状结构,(c)钛上的钽涂层在体外显示出强大的结合以及增加的。
(d)在钛上包覆磷酸钙,提高生物活性,(e)为航空航天用途制造的大型火箭喷管,(f)用于刀具的硬质金属碳化物涂层和金刚石增强层,图2c、d、f显示了应用于基材以提高性能的不同功能,在图2c中,钽涂层通过DED涂覆在钛上,钽的熔点非常高(>3000 °C)。
导致传统加工具有挑战性,因为钽不可能采用常规熔融铸造加工路线,然而,钽吸收激光能量,导热系数低,因此使用基于激光的DED很容易熔化,此外。
钛和钽在高温下具有完全的固溶性,因此,钛上的钽涂层是通过具有良好冶金结合的DED实现的,在图2d中,CaP涂层通过钛上的DED涂覆。
以增强植入物在体内的骨整合,由于钛帽涂层材料是一种金属-陶瓷复合材料,因此与钛上的纯钛帽陶瓷涂层相比,界面强度非常高,钛帽陶瓷涂层是目前矫形外科和牙科植入物的金标准,图3 激光测距在合金设计和多材料结构中的应用,(a)利用DED加工多材料结构的概念。
(b)相对密度为99%的复合设计铝合金块体,(c)由Inconel 718和GR-Cop84(,(d)具有不同金属和陶瓷区域的钛-铌碳化物交替结构,用于定向热/结构应用,(e)使用LENS™处理的双金属不锈钢结构,显示出磁性(430SS)和非磁性(316SS)钢的,当前的挑战。
在定向能沉积中,将金属原料以导线(a)或粉末(B)的形式引入到能量,图3a显示了Cr-Mo-V热加工工具钢和Ni基马氏,图3b显示了铝合金块的LENS™沉积,最近的一项研究表明,由于Mg的选择性蒸发,Al 5xxx合金在印刷状态下的化学成分从Al 5。
这是一个典型的挑战,需要在许多具有不同熔点的合金元素的系统中加以考虑,图3c显示了在Inconel 718上沉积的高温C,该合金具有较强的冶金界面,从而提高了高温合金的导热性,718合金表面的GRCop-84层使其导热系数提高。
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