定向能沉积(DED)增材制造: 物理特性、缺陷、挑战和应用（二） _机械

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江苏激光联盟导读：
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。本文为第二部分。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
激光材料的相互作用
为了更好地理解和最终控制DED的热环境，有必要了解底层激光-粉末-熔体池(LB-P-MP)的相互作用。对控制DED的潜在机制的基本理解将有助于对随之而来的微观结构、残余应力和缺陷进行适当的自适应控制，最终目标是优化材料的性能和性能。本节回顾了相关方面，如飞行中粉末颗粒加热、熔体池中存在的时空热场、颗粒-熔体池相互作用以及它们的现场监测。简要讨论了热源-导线的相互作用，尽管这一领域落后于粉末的等效。

【定向能沉积(DED)增材制造: 物理特性、缺陷、挑战和应用（二）】(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、缺陷和残余应力;(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。
基于激光粉末的DED涉及粉末输送在预先选择和控制的速度使用惰性气体作为载体媒体。粉末通过一系列喷嘴指向熔池。当粉末流从喷嘴流出并向熔池流动时，粉末流呈圆锥状。同心的粉末流在接近熔池时汇聚，导致粒子间碰撞以及LB-P-MP相互作用。加热、熔化、汽化和凝固都发生在DED期间。因此，沉积材料的典型特征是层状结构，经历多次热循环，通常包含气孔和残余应力，如图1b所示。在熔体池附近的区域，注入的粉末颗粒与激光束和熔体池相互作用，如图1c所示。对流紊流与熔体池有关，在某些情况下，沉积条件导致“钥匙孔”的形成，这源自金属蒸气，有时是在使用非常高的激光束强度的条件下加工材料时产生的。

在EFTEM中， 10 eV的窗口分别位于0、10、15和25 eV的能量损失中心。在0 ~ 25 eV范围内，能量滤波下的对比度调整揭示了熔融单晶α-Al基体的结构细节，其中包含多个10 ~ 20nm的Si析出相(1)、富α-Al区(2)和富Si区(3) ，以及缺陷空洞(4) 。由于液体通过含有合金(5)的5- 15纳米厚的氧化壳喷射，并在熔化过程中破裂。
与传统TEM成像相比，零损耗滤波提高了粒子结构的对比度和分辨率，因为非弹性散射电子造成的模糊和色差被消除了(Reimer和Kohl 2008) 。然而，粒子内部结构细节在零损耗(弹性电子)图像中显示(见上图;由于其厚度为223 nm 0±5 eV)几乎不可见。
这些现象严重依赖于沉积材料的热和物理性能，以及工艺参数，包括激光功率和强度剖面、粉末流率、速度和轨迹，以及扫描几何形状和激光通过的频率。因此，许多正在进行的研究旨在建立对控制DED的潜在机制的基本理解，以适当地对随之而来的微观组织、残余应力和缺陷进行自适应控制，最终目标是优化材料性能和性能。
机上粒子加热
注入的粉末颗粒从喷嘴中出现，并与激光束相互作用。根据工艺条件和局部功率密度，粉末在减弱激光束的同时吸收热能。因此，粉末颗粒在向基体表面移动的过程中会被加热并可能熔化，这取决于存在的热场和动量场。图4a显示了粉末颗粒与激光束相互作用的热图像的一个例子。图4b所示的几何关系显示了粒子到达熔体时，轨迹和入射角对温度的影响。粉末颗粒向熔池移动时所吸收的热能取决于颗粒的密度和相关的热物理性质，以及颗粒的形态和尺寸分布;在激光束中的停留时间和气体速度也影响了热传递。

定向能沉积(DED)增材制造: 物理特性、缺陷、挑战和应用（二）

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