激光定向能量沉积技术在军事、航空航天领域的运用，简述（一）

       这是一个新坑，up主研究生研究方向是金属增材制造，也就是你们俗称的3D打印，材料主要是航空用钛合金或者高温合金，金属增材制造在军事上现在有诸多领域的应用，尤其是前阵子采访沈飞时的节目里提到海军下一代舰载战斗机大规模采用金属增材制造技术，有时间我可以开个新坑给大家讲一下。

       这篇文章截取自我写的一篇综述论文，时间有限我就直接复制粘贴我自己了，就当提前开个小坑了，也非常欢迎相关领域的读者老爷们交流、扶正！

摘要：

        增材制造(additive manufacturing，AM)技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料减材(切削加工)技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。自20世纪80年代末增材制造技术逐步发展，期间也被称为“材料累加制造”、“快速成型”、“分层制造”、“实体自由制造”、“3D打印技术”等。

        根据３Ｄ打印所用材料的状态及成形方法，３Ｄ打印技术可以分为熔融沉积成形（FDM）、光固化立体成形（SLA）、分层实体制造（LOM）、电子束选区熔化（EBM）、激光选区熔化（SLM）、金属激光熔融沉积（LDMD）、电子束熔丝沉积成形（EBF）。

       根据材料特性，增材制造又可以分为：金属增材制造、陶瓷增材制造，复合材料增材制造等，本文主要收集金属增材制造相关资料。在金属增材制造中，其技术种类大致可以分为：选区激光融化（SLM）、选区激光烧结（SLS）、电子束选区融化（EBM）、粘结剂金属（3DP），激光能量沉积（DED）等、其技术原型可以追溯到上世纪90年代，金属增材制造的整体方向可分为：粉末床或者同步送粉，粉末床即为金属粉末提前铺好，高能激光在粉末床上走过一定的轨迹成型；同步送粉即为高能激光熔融粉末成熔池，粉末填充到熔池里成一定形状，本文主要对激光定向能量沉积技术进行综述整理。

前言：

        定向能量沉积技术，是能量源作用在金属粉末/丝状材料等原材料和基体表面上，两者熔化后形成熔池，待自然冷却形成沉积区域与基体发生冶金结合。其中，能量源可以为激光、等离子、电子束，理论上可成型不锈钢、钛合金、钴铬合金等材料。具体原理见图1，送粉器源源不断供给原材料，激光持续熔化凝固原材料的同时沿一定路径移动，形成沉积层与基体结合。

       定向能量沉积技术作为一种新型的表面处理技术，与传统技术相比，具备以下特点：成形过程对基体材料热影响程度小，不会改变基体的力学和材料性能；包覆层稀释率低，成型材料使用效率高；定向能量沉积装置便于配合自动化设备使用，应用范围大；为多材料混合成形提供较大的发展空间。由于存在以上优势，定向能量沉积技术广泛应用于制造领域。

        在汽车制造领域，定向能量沉积常用于汽车零配件的再制造，减低能源损耗，实现绿色制造技术。二十世纪八十年代，英国劳斯莱斯公司率先利用定向能量沉积技术修复了汽车RB211发动机的叶片，形成一层钴铬合金包覆层，提高了零件的使用性能。这一应用开创了定向能量沉积技术在工业领域的先例，为后续的技术发展提供基础。日本丰田汽车公司利用定向能量沉积技术使用铜基合金粉末完成阀座的制作，使得阀座与气阀表面无缝贴合，减少了阀座对内部气流的影响，提高阀座的使用性能。徐国等人利用定向能量沉积技术将氧化锆粉末包覆于发动机气缸盖的表层，提高了气缸盖的隔热性、耐高温和耐腐蚀性能，减少了气缸盖的开裂和烧蚀等失效情况，延长使用寿命。

       在船舶制造领域，船体在海水中长时间工作，零件表面容易受到腐蚀和磨损，容易导致关键零部件的失效甚至报废，因此采用镍基和钴基等材料对零件表面包覆高性能沉积层。美国TORIMS教授团队对船用柴油机的发动机外壳做定向能量沉积的修复技术，在免去大量拆卸零件步骤的前提下，直接对损伤部位进行定向能量沉积，并结合传统机械加工工艺，提高工作效率。德国 Smoleńska, Hanna团队使用钴基粉末对船用柴油机排气门表面做定向能量沉积，生成的沉积层耐磨性能明显提高，在高温工况下依然保持良好的力学性能。国内张瑜芳教授团队利用定向能量沉积技术对舰艇中出现了磨损和腐蚀失效的关键零件舵叉进行修复工作，在铸钢基体上实现镍基合金的包覆实验后，成功将该技术应用于船体舵叉的修复。

       *在航空航天领域，近年来广泛采用激光焊接、定向能量沉积等技术修复零件损伤，其主要优势在于：1）修复、制造大型零件和承力结构件；2）优化结构，减轻零件重量；3）突破传统加工技术的设计约束；4）实现复合加工等。美国James Harris教授团队使用二极管激光器将钴基合金粉末包覆在航空发动机的叶片上，解决了马氏体不锈钢材质的叶片热处理时易破损和力学性能改变的问题，成功修复了被腐蚀区域；徐国健等人为修复飞机发动机的叶片在生产过程中存在的损伤和缺陷，使用光纤定向能量沉积镍基合金粉末到镍基高温合金基体上，从沉积层的测试数据中得知硬度和高温蠕变性能满足使用要求，证明了定向能量沉积方法修复高温叶片的可行性。刘其斌教授针对中低碳钢及合金钢的定向能量沉积粉末，利用定向能量沉积技术成功修复用于航空发动机的失效的锻造模具，实现良好的冶金结合，该技术具有重要的经济和社会效益。

        激光定向能量沉积（DED）技术由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔区，熔化后逐层沉积，称之为激光定向能量沉积增材制造技术。碳钢及合金钢的定向能量沉积粉末，利用定向能量沉积技术成功修复用于航空发动机的失效的锻造模具，实现良好的冶金结合，该技术具有重要的经济和社会效益。

       激光定向能量沉积（DED）技术由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔区，熔 化后逐层沉积，称之为激光定向能量沉积增材制造技术。

1.激光定向能技术研究现状：

         激光定向能技术总体来说具有以下几点优势：

（1）成型效率高：

（2）再制造/修复：

（3）多材料梯度成型：

     从整体的市场占有率来看，2019年全球金属增材制造DED工艺设备占比较低，只有8%不到。

       但是在2019年之后，全球对于DED工艺的兴趣正在成几何级数量增加，被称为是最有前途的金属增材制造技术之一，目前全球对于DED的研究范围主要在合金及其零件的修复上，例如：

（1）中南大学实验室利用激光能量沉积增材修复5058铝合金

        以Al-Mg-Sc-Zr合金粉末作为修复原料,采用激光定向能量沉积法对开槽5083铝镁合金进行增材修复,用金相显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射、室温拉伸试验及显微硬度测试等手段,研究5083铝合金试样修复前后的微观组织与力学性能,同时对不同修复体积占比的试样力学性能进行对比。结果表明:修复区熔合线附近柱状晶呈树枝状,垂直于熔合线方向向基体呈外延生长。修复区为典型的熔池分布,晶粒尺寸为4～9μm,存在较多孔洞,熔合线和扫描轨道附近析出大量Al3(Sc,Zr)颗粒。5083基体材料与开槽修复件的抗拉强度相差不大,分别为190.80 MPa和197.73 MPa,但修复试样的伸长率显著降低。从基体至修复区的2 mm范围内,硬度均值(HV)从50逐渐提高至100。

       由下图可见，修复区呈现出典型的DED成形特征，基体区呈现出H112工艺(即合金经过热加工成形后，轻微加工硬化或经过少量冷加工后再进行轻微加工硬化，以满足特定的力学性能要求)处理后的组织特征，两个区域之间分界明显。修复区底部的形貌如图3(a)所示，沿扫描轨迹分布着一部分灰色区域，经倍数放大后的图3(d)可见，该区域存在于修复区与基体区之间，厚度约为30～50 μm，为热影响区，它可分为两块，靠近修复区的部分为固液共存区，即在成形过程中，成形第一层时，底面基体受热升温，升至固相线以上、液相线以下，达到固液共存状态，与熔化粉末结合；另一部分即靠近基体的部分，仅仅受到激光能量辐射产生的热影响作用，未熔化。图6(b)和(c)所示分别为修复区中部和顶部的熔合线水平面金相图，可见随着一层一层修复完成，熔合线趋于规则平整。由于修复凹槽侧壁与激光的接触面积远小于凹槽底部与激光的接触面积，因而修复区侧壁熔化区域范围较小，固液共存区不明显，从图中看不到灰色带状区。同时，图6(b)和(c)中有大量孔洞，这是由于凹槽导致修复区内嵌于基板中，基板充分散热使得修复区冷却凝固速度太快，气体来不及逸出而形成孔洞。 

（2）激光定向能沉积与喷丸复合工艺成形性能研究

       激光定向能量沉积与喷丸复合增材工艺，是以逐层喷丸的形式将喷丸表面强化原理与增材制造原理相结合，以达到降低工件缺陷和消除拉应力目的的一种复合工艺。比较该工艺机理与激光定向能量沉积工艺成形FeCrNiBSi合金试样的加工性能与质量，结果表明：复合工艺可将成形件表面的拉应力转变为压应力；与激光定向能量沉积工艺相比，复合工艺成形的试样密度提高了8.83%、表面粗糙度值降低了35.7%、拉伸强度与屈服强度分别提升了12.13%和53.24%。

       在激光定向能量沉积成形过程中，随着沉积层数的增加，热应力逐渐累积，沉积层内部难免产生孔洞。激光定向能量沉积成形易形成氧化皮从而造成层间氧化，通过将喷丸和激光定向能量沉积工艺复合，喷丸向成形材料引入压应力，转变其表面应力状态，使材料产生塑性形变，部分微观孔洞减少，同时利用喷丸的磨蚀作用去除材料表面氧化皮，从而降低表面粗糙度。通过逐层喷丸的方式，复合工艺将表面强化技术转变为实体强化技术。

（3）用于装备零件损伤规模化修复的激光定向能量沉积技术

       武器装备通常在重载、冲击等苛刻条件下服役,扭力轴、平衡肘、齿轮轴等关键零件出现磨损、划伤、裂纹的概率非常高,部分零件损伤率高达85%,且出现局部损伤的装备零件附加值高、可修复性强、重复利用效益大,但因缺乏行之有效的修复技术手段,只能报废处理,造成了巨大的资源浪费。激光定向能量沉积(Laser Directed Energy Deposition,LDED)是一种以激光熔覆为基础的先进增材制造技术,具有热影响区小、成型速率快、材料浪费少及成本效益高等优点,是进行机械零件局部损伤修复最理想的方法,使许多老化的部件得到再制造或升级,因此在装备智能制造与维修领域具有十分广阔的应用前景。为满足改善质量、提升效益、节约资源的要求,目前关于LDED技术的研究主要集中在沉积材料配置、送粉机构研制及沉积工艺优化等方面。本文介绍了激光定向能量沉积技术的原理特点、应用领域和研究现状,在此基础上对该技术的研究热点、发展趋势及应用技术瓶颈进行了梳理分析,为激光定向能量沉积技术在装备零件损伤规模化修复中进行应用提供参考。

（4）激光定向能量沉积Al-Mg-Sc-Zr修复5083-H112铝合金组织和性能的研究

       激光定向能量沉积增材修复技术具有时间短、效率高、成本低、机械性能好等优点，具有很大的发展潜力。本研究采用Al-7.5Mg-0.3Sc-0.28Zr作为修复材料对轨道交通用5083-H112铝合金进行了激光修复实验，得到了致密、无缺陷的修复试样，对其组织和性能进行了研究，探讨了激光修复铝合金的可行性。结果表明，熔合线附近过渡区可划分为修复区、部分熔化区、热影响区和母材。修复区为完全等轴晶，由平均晶粒尺寸为4.95 μm的细晶带和18.34 μm的粗晶区组成。从修复区-部分熔化区-热影响区，Al元素含量逐渐升高，Mg元素含量逐渐下降，硬度逐渐下降，修复后母材未被软化。由于激光增材制造技术的快速凝固，在熔合线附近的细晶带有较大的应力集中，由于较小的热输入在部分熔化区、热影响区的残余应力较小。修复试样的屈服强度(152 ± 2) MPa为母材的89.4%，抗拉强度(305 ± 5) MPa为母材抗的100%，伸长率(15.5 ± 0.5)%为母材的85.2%，断裂发生在强度较弱的母材。高性能的激光修复铝合金是可实现的，具有广泛的应用前景。

2激光定向能量沉积技术的实际应用：

2.1在航空航天部门使用LP-DED工艺可以减少材料浪费，从而带来环境效益

        位于美国墨西哥州的增材设备制造商Optomec公司使用其公司的 LENS 750激光定向能量沉积设备机器用于修复尖端部分受损的316L不锈钢刀片。修复后的叶片显示出良好的结果，相对于标称几何形状，精度约为0.03 mm。此外，生命周期评估（LCA）显示了在维修作业中使用LP-DED过程的有效性。具体而言，当维修量约为10%时，使用LP-DED工艺，与更换新工艺相比，碳足迹改善了45%，总节能约36%。

PS：这个公司的设备还服务于印度的国家导弹战略计划，印度国家工程院DMRL团队的新型制造技术小组一直在使用Optomec公司的LENS-750系统，用钢、钛和各种超级合金打印导弹原型部件。

2.2使用LP-DED工艺修复AM355钢T700整体叶盘

       该整体叶盘因翼型前缘的侵蚀效应而受损（下图）。通过50000次低周疲劳旋转试验和60000 rpm旋转试验对维修进行了机械验证。

2.3：修复飞机发动机转子上的钛叶片

       为了减少氧化，维修过程在封闭的惰性气体室中进行。维修操作的结果如下图所示。通过选择合适的工艺参数和沉积策略，可以获得完全致密和细晶的微观结构。在拉伸和疲劳强度方面，机械性能至少与基材相当（下图）。

2.4：DED技术修复CFM56发动机的受损HPT护罩

       修复过程中的挑战是避免冷却孔，避免获得的薄边熔化。为了获得修复后的表面，首先对受损部件进行扫描，然后利用数据生成沉积路径。下图所示的结果表明，LP—DED技术可用于修复HPT护罩，稀释度低，精度好，小于0.15 mm。

3.激光定向能量沉积技术的发展趋势跟展望：

（1）：对技术发展的展望：

       DED技术由于其独特的技术优势，在航空航天、石油勘探、采矿、汽车模具等领域得到了越来越多的应用，但DED技术的一些缺点同样制约了其未来的发展。随着研究的不断深入，基于DED技术的增减材复合、多能场复合等复合制造技术逐渐成为研究的热点，这对DED技术的工艺及设备提出了更高的要求。

       一方面，复合增材制造技术涉及不同工艺技术之间的相互协同与制约，这要求将DED技术的工艺参数与辅助技术的工艺参数进行总体分析和优化，这是基于DED技术的复合增材制造技术未来需要解决的问题；另一方面，对于复合增材制造设备集成自动化，系统控制智能化等的研究，也是未来发展的一个重要内容。

（2）对技术的发展和应用进行展望：

       DED技术在成形效率和成形精度、工艺稳定性及性能一致性等方面还有许多不足之处。

未来，DED技术的发展将以新材料、新工艺及新设备为主要内容，并集中在以下5个方向：

• 材料体系集约化。针对增材制造的特点，研发适用于不同性能需求的新型合金材料；对具有相同性能的材料进行整合，降低材料制造成本；集中建立并优化材料工艺参数体系库。

• 工艺参数系统化。分析不同工艺参数之间的内在联系，研究工艺参数对成形质量影响的一般规律；利用辅助工艺的优点，优化传统工艺参数的不足，将传统工艺参数与辅助工艺参数系统地结合起来。

• 成形过程高效化。开发可靠的沉积头及送粉/送丝设备；建立精确模型，提高切片精度，通过计算机模拟减少试验试错；提高在线监测与闭环控制灵敏度；对零件进行整体设计，结合拓扑优化，减少耗材使用。

• 设备集成智能化。未来设备的研发将趋向增减材复合、多能场复合等新技术，并集中在一体化设备、自动化系统、智能化控制等方面。

• 应用领域广泛化。随着技术创新及新设备的研发，行业需求不断扩大DED技术的应用领域将越来越广泛和深入。