热点综述｜定向能量沉积过程的增材/减材复合制造

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背景

增材制造是一种制造高度复杂金属部件的技术。定向能量沉积（DED）是三维打印金属合金最常用的技术之一。尽管有大量文献讨论了定向能量沉积在金属打印中的能力，但最终产品仍存在粘结弱、精度差、表面粗糙的问题。金属粉末和线材3D打印的局限性表明，需要后处理工艺来实现高的机械性能和表面质量。因此，有人提出复合制造尤其是定向能量沉积的增材/减材复合制造（ASHM）的概念，用以提高产品质量。增材/减材复合制造是一种功能强大的工艺，它将两种技术与三轴或多轴机器相结合。相比之下，增材/减材复合制造的缺点仍然存在，例如现有可靠材料的局限性以及在多轴机器中避免碰撞的机器协调精度差。需要注意的是，目前还没有针对DED和ASHM的综述研究。

因此，本文综述了金属基材料在定向能量沉积和复合制造工艺中的主要研究进展。综述中讨论了DED与ASHM相比的独特研究以及新技术，目的是展示定向能量沉积工艺中定向能量沉积和增材/减材复合制造在不同应用中的优缺点。

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创新点（1）详细研究DED和ASHM工艺如何制造产品，并对微观结构和表面粗糙度进行了广泛的讨论，并且讨论了ASHM过程如何在生产金属成分方面的变化。所获得的结果为研究人员和行业了解DED过程中的DED和ASHM如何工作以及ASHM的优越性提供了细节。

（2）提供了关于DED和ASHM在微观结构特征、成本效益、工艺参数和技术方面差异的见解，讨论这两个过程的主要特性及其对质量的影响。

（3）一些研究表明了DED的缺陷和局限性，而本研究则阐述了ASHM在消除DED缺陷中的作用。表1  DED中的DED和ASHM的比较03
研究内容

（1）着重于对DED工艺的全面回顾，包含对DED工艺的基本原理、线材制造工艺和激光直接金属沉积技术的详细介绍。然后，对DED过程中不同工艺及其优点与应用进行了更详细的讨论。

DED工艺日益改进，在不同领域更容易、更快地制造新的金属组件。该技术能够打印不同的产品，材料的精度、质量和均匀性都较好。打印不同尺寸的高度复杂特征的能力是DED过程的关键。快速凝固、定向冷却和相变是影响DED过程中金属微观结构的主要因素。流量、机器进料速率和激光功率是影响构建复杂几何产物的表面质量和力学性能的关键参数。

图1  DED的基本工艺原理（2）简要描述了每个DED工艺流程的功能。注重讨论了各工艺的工艺参数和及其对微观结构的影响，并且阐述了在DED过程中可能发生的问题和缺陷。DED工艺的一个优点是可以同时打印多种材料。Carroll等制备并评价了SS304L不锈钢和Inconel625的元素组成、微观结构、相组成和力学性能，如图2所示。样品打印成功，但在由79wt.%SS304L和21wt.%Inconel625组成的区域发现了裂纹。图2  FGM的样品图Mathoho等人研究了不锈钢粉末在DED过程中的特性。研究了各种参数对孔隙率、微观结构演化、显微硬度和腐蚀行为的影响。由于工艺参数的不同，每个样品都显示出特定的特征。10.16 mm/s扫描速度和300 W激光功率的密度为99.9%，对耐腐蚀性有积极影响。如图3所示，均可见马氏体和保留的奥氏体。然而，该研究在1100℃的均匀化过程中，铌沉淀物并没有完全溶解。

图3 不同参数的17-4PH样品的显微结构

力学性能的各向异性是一个值得分析的问题。晶粒形态、晶体结构、无聚变缺陷、相变、非均相再结晶是影响DED过程各向异性的主要因素。当DED产品的结构大致均匀时，其构建取向的晶粒伸长率较高。当晶粒结构的各向异性对应于颗粒分布较差时，拉伸下的刚度、强度和延性均降低。然而，后续加工如机械加工和热等静压技术，可以用来减少产品的各向异性。

图4  DED过程中的缺陷（3）介绍了增材/减材复合制造与DED中的增材/减材复合制造。由于更多的自由度和更宽的路径规划，ASHM可以消除增材制造过程中所需要的支撑结构。计算每个表面的特定设置角度、工具深度和工具包含边界的能力，可以相应地最小化缺陷。微观结构的限制以及材料的精度是主要问题。这种集成是一项超越的先进技术，可以更快地构建产品。

对DED和ASHM进行了比较，具体包含了机械加工后的工艺参数和表面质量、力学性能和微观结构和成本和时间等方面。ASHM比DED工艺具有灵活性高、成本低、零件可靠性和节能的主要优点。最后讨论了增材制造和增材/减材复合制造在金属零件生产中的优缺点，并总结了这些技术面临的挑战和差距。例如，与粉末材料接触的切削液可能具有爆炸性。ASHM制备的产品的表面光滑度仍需要进一步改善。在ASHM中，切割液与粉末材料的混合物由于其对加热的影响，导致切割条件的改变。这意味着流体使加热区域变冷，并影响加工参数。此外，在软件和硬件集成中，如实时控制和云制造等，仍需要进一步的研究，以获得更好和更准确的结果。控制残余应力也应进行研究，以实现微观结构特征的高完整性。除此之外，机械加工过程中还存在刀具支架平衡、刀具过度磨损、表面质量划伤等缺陷。

 图5  DED工艺与(a)车削、(b)多轴铣削、(c)集成铣削系统和(d)分离的多轴铣削系统的结合；(e)轴承部件混合DED工艺的工艺链；(f)混合DED系统生产产品示例。

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作者简介Mohammadreza Lalegani Dezaki，英国Nottingham Trent University在读博士。目前致力于研究3D打印和软体机器人的柔性驱动。Ahmad Serjouei：2014年博士毕业于南洋理工大学，曾任英国Nottingham Trent University高级讲师。研究领域包括材料力学、3D /4D 打印、金属增材制造、智能材料和结构以及软驱动。Mahdi Bodaghi，博士，英国Nottingham Trent University的助理教授。他领导的 4D 材料与打印实验室专注于智能材料、软体机器人和 3D/4D 打印技术的电热机械多尺度行为，拥有广泛的项目组合。近十二年来，他致力于推动最先进的智能材料和增材制造，与他人共同创立了4D打印协会，并共同编辑了Elsevier2021年和 2022年出版的《增材制造中的智能材料》系列丛书。在机械、制造和材料科学领域的主要期刊上发表了120余多篇科学论文，并在主要国际会议上介绍了他的工作。Mahdi 还担任过10次国际会议的科学委员会主席和成员、8种科学期刊的客座编辑、8种期刊的编委以及130多种期刊的审稿人。05
文章信息

Mohammadreza Lalegani Dezaki, Ahmad Serjouei, Ali Zolfagharian, Mohammad Fotouhi, Mahmoud Moradi, M. K. A. Ariffin，Mahdi Bodaghi.  A review on additive/subtractive hybrid manufacturing of directed energy deposition (DED) process. Adv. Powder Mater.，https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100054

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