江苏激光联盟陈长军导读:
本文总结了激光粉末定向能量沉积（LP-DED）工业应用。这篇文章是第二部分。
梯度材料
LP-DED该工艺的主要优点之一是通过改变沉积材料的成分来生产组件，从而获得功能梯度材料（FGM）。构件材料可通过局部变化进行优化。因此，FGMs组件的特性是不均匀的，但它们会在组件中发生变化。例如，考虑到皮带轮，更可取的方法是在轮毂和轮缘附近使用硬化耐磨材料，部使用更有韧性的材料(图16)。纯材料性能介于两种材料界面区域之间。
图16 皮带轮上功能梯度材料的应用表示。
几种常规技术已广泛应用于工业中FGM物理气相沉积等组件（PVD）、化学气相沉积（CVD）、粉末冶金（PM）和离心法（CM）。然而，与传统工艺相比，使用LP-DED该工艺除了形状复杂外，还能获得更高的产量、更低的能耗和更大的材料利用率。此外，LP-DED该过程允许修改设计过程，并引入化学成分作为设计参数。
在下段落介绍了工业和学术领域更相关的研究成果，涉及宏观领域，即航空航天、工具和前两个领域未包括的所有其他部门。
航空航天用LP-DED FGM零件
航空航天部门是**个应用FGMs的部门。FGM该组件包括火箭发动机组件、航天器桁架结构和热交换面板。但生产的零件具有高应力集中的特点，可分层。因此，在考虑工艺参数和成分的同时，对具有不同特性的材料组合进行了几项可行性研究。此外，连接的几何形状和尺寸也会影响机械性能。
使用预混合粉混合物LMD沉积前后的组成比可能不同。
钛合金广泛应用于航空航天领域，因其耐腐蚀性高、重量比高、密度低、高温高。但耐磨性差，硬度低。为此，为了克服这个问题，研究了不同的问题FGM材料。其中，TiC是生产钛FGM组件研究更多的材料之一是与钛合金具有冶金兼容性、密度低、硬度高、杨氏模量值高。
（a）制造良好的GRCop-84/铬镍铁合金718双金属结构。（b） GRCop-84/铬镍铁合金718双金属结构横截面。（c） GRCop-铬镍铁合金718 FGM，成分梯度层。
此外，需要注意的是，望远镜、高精度光学镜基板等不同航空航天部件可能会导致热冲击和尺寸变形。通过使用具有低热膨胀系数特性的材料来减少。
铬镍铁合金是航空航天应用的另一种成功材料，因为它具有耐高温腐蚀、成功材料。为提高铬镍铁合金718的导热性，Onuike等人生产了In718/GRCop-84 FGM。GRCop-铜基合金用于主燃烧室和喷嘴衬套。采用两种方法，即在In718上直接沉积GRCop-沉积过程中的逐渐变化GRCop-84合金。结果表明，和IN与718相比，渐变法可以获得更均匀的界面，提高约300%。但由于生产无缺陷样品，GRcop-与能量相比，84的高反射率应增加约270%。
模具行业LP-DED FGM
表面涂层是海德激光服务公司获得的**批工业应用之一。诸塞州公司总部位于马萨诸塞州，主要用于工具和模具、核能和发电行业的耐磨涂层。**步是比较LP-DED传统工艺的性能。使用LP-DED与传统工艺(如热喷涂或等离子体转移工艺)相比，该工艺
在镍基体中沉积碳化钨，获得了更好的冶金结合。Thivillon等人将LP-DED工艺与TIG对比钴基钨铬钴合金和镍基
高温合金Inconel 625涂层质量。通过显微组织、硬度和稀释度来评价涂层质量。结果表明，采用LP-DED该工艺可获得更高的硬度和更细的晶粒。此外，TIG焊接冶金表现出许多不规则。相比之下，LP-DED冶金结合效果好(图17)。
图17 钨铬钴合金6涂层TIG和b DMD工艺比较。
硬度是影响模具寿命的更重要因素之一。事实上，模具寿命随着硬度值的增加而增加。H-由于具有高淬透性和高耐热性，13工具钢是模具行业更常用的材料之一。Chen等人在718H钢上沉积CoMoCr由于碳化物和马氏体硬质相的形成，模具显微硬度是初始结构的两倍。
除机械特性外，FGM材料还成功应用于优化模具和模具的能耗、环境影响和材料使用。事实上，H-工具钢的另一个缺点是导热系数低，导致时间周期长。为了优化能耗、环境影响和材料使用，采用高导电材料作为散热器，进一步缩短循环时间。包括这些材料Ampcoloy 940.铜合金和工具钢。Morrow等人说，会H-如图18所示，13工具钢沉积在铜基板上，与传统工具钢模相比，注塑时间周期可减少约25%。然而，当铜沉积在钢基体上时，由于这两种材料的异质性，可能会有一些困难。例如，在AISI H-13钢上沉积纯铜，Noecker和DuPont表明铜浓度取决于三种开裂敏感性。这些裂纹是由于凝固温度范围大、不期望相的形成和热膨胀系数的差异。
图18 功能梯度工具的钢铜模具。
Ahn和Kim热管理模具由三种不同的材料制成，如图19所示：Ampcoloy 940作为基本部件，P21工具钢用作模塑部件，Monel 400用于中间层，以减少连接区域的热应力。结果表明，使用FGM模具的循环时间和冷却时间分别减少了约30%和80%。
图19 功能梯度热管理模具。
Fessler等人从
不锈钢生产到FGM样品。由于其优异的性能，
选用了这种功能梯度材料。事实上，由于瓦的热膨胀系数很低，不锈钢具有较高的耐腐蚀性，因此用于减少残余应力引起的变形。美国铝业公司使用这种功能梯度材料生产先进的注射模具。采用铜芯，减少循环时间，采用瓦体，减少热应力引起的变形，采用不锈钢外表面，防止腐蚀。
LP-DED FGM的其他应用
梯度金属材料采用钢、铬镍铁合金生产，成功应用于提高汽车工业的耐磨性和耐腐蚀性。阀杆、活塞、传动轴组件包括阀杆、活塞、传动轴和减震器。铬镍铁合金在高温下具有良好的机械性能和耐腐蚀性。Carroll等人成功使用LP-DEDL样品从不锈钢到625铬镍铁合金(图20)从304开始生产。通过改变沉积IN625粉质量，获得FGM组分。显微观察结果表明显微结构逐渐变化，无明显差异。成分约82 wt%的SS304L，二次相颗粒的尺寸约为几微米。这些二相颗粒在沉积过程中产生约100个μm的裂纹。
图20 a 理论上的和b - DED功能梯度材料样品。
生产
不使用工具和模具生产近净形部件AM工艺的主要优点之一。这样可以节省材料，缩短交付周期。在大多数情况下，LP-DED生产应用是指大型零件和高熔点合金的生产。另外，要注意使用LP-DED工艺的平均生产速度是L-PBF十倍工艺。此外，LP-DED样品的机械特性与传统工艺相当。本节介绍了LP-DED工艺生产的零件示例，重点介绍其应用部门，即航空航天部的应用。
LP-DED生产航空航天零件
航空航天部门是LP-DED工艺是生产中更重要的部门之一。促进行业的使用LP-DED工艺的主要原因是使用L-PBF与工艺生产的零件相比，尺寸更大的零件可以生产。
图21 中国商飞C长钛翼梁9195米。
DMG Mori使用LASERTEC 65 3D不锈钢涡轮壳(图22)由混合机生产。涡轮壳的特点是直径180 mm，高度为150 mm。生产成分大约需要230分钟。TWI给出了LP-DED另一个过程应用示例。使用五轴LP-DED机器制造成功Inconel 718直升机发动机燃烧室(图23)。腔室直径3000 mm，高度为90 mm。与竣工构件相比CAD几何图形的平均公差约为0.25 mm。另外，获得了约0.09 mm薄壁尺寸精度。此外，TWI表明施工时间从传统制造工艺的两个月缩短到使用LP-DED工艺生产7.2小时。
图22生产不锈钢涡轮外壳(尺寸)Ф180 mm?×?150 mm）：a实现主缸，b斜面通过旋转建筑工作台产生，c产生12个横向连接，d操作完成后的部件(由操作完成后的部件)DMG Mori提供）
图23 实现尺寸为300 mm的IN718直升机发动机燃烧室(TWI提供）。
除生产大型零件外，不同的研究表明，与传统的制造工艺相比，LP-DED该工艺允许零件在短时间内交付。Hedges和Calder由于其灵活性，LP-DED无需重新设备，即可管理快速设计和修改的过程。图24显示了LP-DED外壳用于国防应用。对于传统的制造系统，生产外壳大约需要6个月。相反，使用LP-DED工艺，零件在3天内制造。
图24 用于国防应用的316L外壳（由Optomec?提供）。
NCMS另一项研究表明，LP-DED该工艺将生产模具所需的时间减少了约40%。2004年，贝尔直升机公司在航空航天领域工作LP-DED另一个应用程序。要求高材料的完整性和快速交付LP-DED使用工艺。LENS 850-R该系统用于为军用直升机燃气轮机制造钛1/6比例混合喷嘴(图25)。生产所需时间从传统铸造工艺的9周减少到3周。
图25 Ti贝尔直升机公司生产的燃气轮机混合喷嘴的1/16比例模型(由贝尔直升机公司生产Optomec?提供）。
沉积速度可以提高沉积速率值。但由于沉积头电机加速有限，速度无法显著提高。此外，随着沉积速度的增加，沉积材料呈现出与标称尺寸相差很大的凸面形状。因此，Ma以高沉积速度生产大型组件，优化沉积策略，减少几何偏差。该优化是在支架上进行的，其设计类似于机翼组件在飞机应用中的塔肋。在他们的实验中，开发了一种变向光栅扫描（VORS）沉积策略。结果表明，偏差从4开始 mm减小到1 mm。图26描述了沉积策略实验验证中产生的支架。
图26 激光粉末定向能量沉积工艺生产316L大型支架：a沉积过程中，b更终结果。
LP-DED生产工具和模具
传统生产工艺生产模具的问题与制造模具所需的交付周期有关，在某些情况下，交付周期可能长达一年。要解决这个问题，LP-DED工艺在不同的研究中成功应用，以减少制造时间。Morrow等人和POM该集团的研究表明，使用LP-DED与常规工艺相比，工艺提前期缩短了70%左右。
此外，AM该工艺在制造业中的应用使得生产具有保形冷却通道的模具成为可能。为了验证LP-DED工艺生产保形冷却通道的能力，并评估由此产生的效益，J.S.模具与POM集团公司合作生产轮式零件模具。结果表明，冷却通道成功制造。此外，共形冷却通道的使用缩短了20个成型周期–50%反映在经济效益上。
LP-DED在其他部门生产
在生物医学领域也有不同的应用。医学领域金属植入物的主要问题是金属部分与骨骼的机械特性不匹配，可能导致骨折等问题。因此，一些研究侧重于减少这种不匹配。例如，Dinda等人使用LP-DED工艺生产Ti6Al4V支
用于患者特定骨组织工程(图27)。氩和氦的混合物用于控制室。这样，与氧化有关的问题就减少了。竣工支架的平均表面粗糙度为25μm。喷砂后，表面粗糙度降低
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