江蘇激光聯盟陳長軍導讀: 本文總結了激光粉末定向能量沉積（LP-DED）工業應用。這篇文章是第二部分。 梯度材料 LP-DED該工藝的主要優點之一是通過改變沉積材料的成分來生產組件，從而獲得功能梯度材料（FGM）。構件材料可通過局部變化進行優化。因此，FGMs組件的特性是不均勻的，但它們會在組件中發生變化。例如，考慮到皮帶輪，更可取的方法是在輪轂和輪緣附近使用硬化耐磨材料，部使用更有韌性的材料(圖16)。純材料性能介于兩種材料界面區域之間。 圖16 皮帶輪上功能梯度材料的應用表示。 幾種常規技術已廣泛應用于工業中FGM物理氣相沉積等組件（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、粉末冶金（PM）和離心法（CM）。然而，與傳統工藝相比，使用LP-DED該工藝除了形狀復雜外，還能獲得更高的產量、更低的能耗和更大的材料利用率。此外，LP-DED該過程允許修改設計過程，并引入化學成分作為設計參數。 在下段落介紹了工業和學術領域更相關的研究成果，涉及宏觀領域，即航空航天、工具和前兩個領域未包括的所有其他部門。 航空航天用LP-DED FGM零件 航空航天部門是**個應用FGMs的部門。FGM該組件包括火箭發動機組件、航天器桁架結構和熱交換面板。但生產的零件具有高應力集中的特點，可分層。因此，在考慮工藝參數和成分的同時，對具有不同特性的材料組合進行了幾項可行性研究。此外，連接的幾何形狀和尺寸也會影響機械性能。 使用預混合粉混合物LMD沉積前后的組成比可能不同。 鈦合金廣泛應用于航空航天領域，因其耐腐蝕性高、重量比高、密度低、高溫高。但耐磨性差，硬度低。為此，為了克服這個問題，研究了不同的問題FGM材料。其中，TiC是生產鈦FGM組件研究更多的材料之一是與鈦合金具有冶金兼容性、密度低、硬度高、楊氏模量值高。 （a）制造良好的GRCop-84/鉻鎳鐵合金718雙金屬結構。（b） GRCop-84/鉻鎳鐵合金718雙金屬結構橫截面。（c） GRCop-鉻鎳鐵合金718 FGM，成分梯度層。 此外，需要注意的是，望遠鏡、高精度光學鏡基板等不同航空航天部件可能會導致熱沖擊和尺寸變形。通過使用具有低熱膨脹系數特性的材料來減少。 鉻鎳鐵合金是航空航天應用的另一種成功材料，因為它具有耐高溫腐蝕、成功材料。為提高鉻鎳鐵合金718的導熱性，Onuike等人生產了In718/GRCop-84 FGM。GRCop-銅基合金用于主燃燒室和噴嘴襯套。采用兩種方法，即在In718上直接沉積GRCop-沉積過程中的逐漸變化GRCop-84合金。結果表明，和IN與718相比，漸變法可以獲得更均勻的界面，提高約300%。但由于生產無缺陷樣品，GRcop-與能量相比，84的高反射率應增加約270%。 模具行業LP-DED FGM 表面涂層是海德激光服務公司獲得的**批工業應用之一。諸塞州公司總部位于馬薩諸塞州，主要用于工具和模具、核能和發電行業的耐磨涂層。**步是比較LP-DED傳統工藝的性能。使用LP-DED與傳統工藝(如熱噴涂或等離子體轉移工藝)相比，該工藝

在鎳基體中沉積碳化鎢，獲得了更好的冶金結合。Thivillon等人將LP-DED工藝與TIG對比鈷基鎢鉻鈷合金和鎳基高溫合金Inconel 625涂層質量。通過顯微組織、硬度和稀釋度來評價涂層質量。結果表明，采用LP-DED該工藝可獲得更高的硬度和更細的晶粒。此外，TIG焊接冶金表現出許多不規則。相比之下，LP-DED冶金結合效果好(圖17)。 圖17 鎢鉻鈷合金6涂層TIG和b DMD工藝比較。 硬度是影響模具壽命的更重要因素之一。事實上，模具壽命隨著硬度值的增加而增加。H-由于具有高淬透性和高耐熱性，13工具鋼是模具行業更常用的材料之一。Chen等人在718H鋼上沉積CoMoCr由于碳化物和馬氏體硬質相的形成，模具顯微硬度是初始結構的兩倍。 除機械特性外，FGM材料還成功應用于優化模具和模具的能耗、環境影響和材料使用。事實上，H-工具鋼的另一個缺點是導熱系數低，導致時間周期長。為了優化能耗、環境影響和材料使用，采用高導電材料作為散熱器，進一步縮短循環時間。包括這些材料Ampcoloy 940.銅合金和工具鋼。Morrow等人說，會H-如圖18所示，13工具鋼沉積在銅基板上，與傳統工具鋼模相比，注塑時間周期可減少約25%。然而，當銅沉積在鋼基體上時，由于這兩種材料的異質性，可能會有一些困難。例如，在AISI H-13鋼上沉積純銅，Noecker和DuPont表明銅濃度取決于三種開裂敏感性。這些裂紋是由于凝固溫度范圍大、不期望相的形成和熱膨脹系數的差異。 圖18 功能梯度工具的鋼銅模具。 Ahn和Kim熱管理模具由三種不同的材料制成，如圖19所示：Ampcoloy 940作為基本部件，P21工具鋼用作模塑部件，Monel 400用于中間層，以減少連接區域的熱應力。結果表明，使用FGM模具的循環時間和冷卻時間分別減少了約30%和80%。 圖19 功能梯度熱管理模具。 Fessler等人從不銹鋼生產到FGM樣品。由于其優異的性能，

選用了這種功能梯度材料。事實上，由于瓦的熱膨脹系數很低，不銹鋼具有較高的耐腐蝕性，因此用于減少殘余應力引起的變形。美國鋁業公司使用這種功能梯度材料生產先進的注射模具。采用銅芯，減少循環時間，采用瓦體，減少熱應力引起的變形，采用不銹鋼外表面，防止腐蝕。 LP-DED FGM的其他應用 梯度金屬材料采用鋼、鉻鎳鐵合金生產，成功應用于提高汽車工業的耐磨性和耐腐蝕性。閥桿、活塞、傳動軸組件包括閥桿、活塞、傳動軸和減震器。鉻鎳鐵合金在高溫下具有良好的機械性能和耐腐蝕性。Carroll等人成功使用LP-DEDL樣品從不銹鋼到625鉻鎳鐵合金(圖20)從304開始生產。通過改變沉積IN625粉質量，獲得FGM組分。顯微觀察結果表明顯微結構逐漸變化，無明顯差異。成分約82 wt%的SS304L，二次相顆粒的尺寸約為幾微米。這些二相顆粒在沉積過程中產生約100個μm的裂紋。 圖20 a 理論上的和b - DED功能梯度材料樣品。 生產 不使用工具和模具生產近凈形部件AM工藝的主要優點之一。這樣可以節省材料，縮短交付周期。在大多數情況下，LP-DED生產應用是指大型零件和高熔點合金的生產。另外，要注意使用LP-DED工藝的平均生產速度是L-PBF十倍工藝。此外，LP-DED樣品的機械特性與傳統工藝相當。本節介紹了LP-DED工藝生產的零件示例，重點介紹其應用部門，即航空航天部的應用。 LP-DED生產航空航天零件 航空航天部門是LP-DED工藝是生產中更重要的部門之一。促進行業的使用LP-DED工藝的主要原因是使用L-PBF與工藝生產的零件相比，尺寸更大的零件可以生產。 圖21 中國商飛C長鈦翼梁9195米。 DMG Mori使用LASERTEC 65 3D不銹鋼渦輪殼(圖22)由混合機生產。渦輪殼的特點是直徑180 mm，高度為150 mm。生產成分大約需要230分鐘。TWI給出了LP-DED另一個過程應用示例。使用五軸LP-DED機器制造成功Inconel 718直升機發動機燃燒室(圖23)。腔室直徑3000 mm，高度為90 mm。與竣工構件相比CAD幾何圖形的平均公差約為0.25 mm。另外，獲得了約0.09 mm薄壁尺寸精度。此外，TWI表明施工時間從傳統制造工藝的兩個月縮短到使用LP-DED工藝生產7.2小時。 圖22生產不銹鋼渦輪外殼(尺寸)Ф180 mm?×?150 mm）：a實現主缸，b斜面通過旋轉建筑工作臺產生，c產生12個橫向連接，d操作完成后的部件(由操作完成后的部件)DMG Mori提供） 圖23 實現尺寸為300 mm的IN718直升機發動機燃燒室(TWI提供）。 除生產大型零件外，不同的研究表明，與傳統的制造工藝相比，LP-DED該工藝允許零件在短時間內交付。Hedges和Calder由于其靈活性，LP-DED無需重新設備，即可管理快速設計和修改的過程。圖24顯示了LP-DED外殼用于國防應用。對于傳統的制造系統，生產外殼大約需要6個月。相反，使用LP-DED工藝，零件在3天內制造。 圖24 用于國防應用的316L外殼（由Optomec?提供）。 NCMS另一項研究表明，LP-DED該工藝將生產模具所需的時間減少了約40%。2004年，貝爾直升機公司在航空航天領域工作LP-DED另一個應用程序。要求高材料的完整性和快速交付LP-DED使用工藝。LENS 850-R該系統用于為軍用直升機燃氣輪機制造鈦1/6比例混合噴嘴(圖25)。生產所需時間從傳統鑄造工藝的9周減少到3周。 圖25 Ti貝爾直升機公司生產的燃氣輪機混合噴嘴的1/16比例模型(由貝爾直升機公司生產Optomec?提供）。 沉積速度可以提高沉積速率值。但由于沉積頭電機加速有限，速度無法顯著提高。此外，隨著沉積速度的增加，沉積材料呈現出與標稱尺寸相差很大的凸面形狀。因此，Ma以高沉積速度生產大型組件，優化沉積策略，減少幾何偏差。該優化是在支架上進行的，其設計類似于機翼組件在飛機應用中的塔肋。在他們的實驗中，開發了一種變向光柵掃描（VORS）沉積策略。結果表明，偏差從4開始 mm減小到1 mm。圖26描述了沉積策略實驗驗證中產生的支架。 圖26 激光粉末定向能量沉積工藝生產316L大型支架：a沉積過程中，b更終結果。 LP-DED生產工具和模具 傳統生產工藝生產模具的問題與制造模具所需的交付周期有關，在某些情況下，交付周期可能長達一年。要解決這個問題，LP-DED工藝在不同的研究中成功應用，以減少制造時間。Morrow等人和POM該集團的研究表明，使用LP-DED與常規工藝相比，工藝提前期縮短了70%左右。 此外，AM該工藝在制造業中的應用使得生產具有保形冷卻通道的模具成為可能。為了驗證LP-DED工藝生產保形冷卻通道的能力，并評估由此產生的效益，J.S.模具與POM集團公司合作生產輪式零件模具。結果表明，冷卻通道成功制造。此外，共形冷卻通道的使用縮短了20個成型周期–50%反映在經濟效益上。 LP-DED在其他部門生產 在生物醫學領域也有不同的應用。醫學領域金屬植入物的主要問題是金屬部分與骨骼的機械特性不匹配，可能導致骨折等問題。因此，一些研究側重于減少這種不匹配。例如，Dinda等人使用LP-DED工藝生產Ti6Al4V支 用于患者特定骨組織工程(圖27)。氬和氦的混合物用于控制室。這樣，與氧化有關的問題就減少了。竣工支架的平均表面粗糙度為25μm。噴砂后，表面粗糙度降低