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定向能沉积（DED）增材制造：物理特性、缺陷、挑战和应用（4）( 二 )


开裂和分层对沉积材料和零件的影响：开裂和分层会导致静态和动态力学性能退化、耐蚀性降低和过早失效 。

在构建实心立方体的第12层时 ， 计算的熔合区域和σxx应力 。
裂纹表征：裂纹和分层可以通过破坏性和非破坏性试验以及计算建模来表征 。 破坏性试验包括金相横截面、裂纹开口及其扫描电子显微镜（SEM）表征（断口） 。 无损检测（NDT）包括磁粉、射线照相、μCT或超声波检测等 。

PBF-L过程中熔池前部纵向凹陷的温度场和速度场 。
缓解：缓解分层和开裂问题的唯一方法是防止其形成 。 这可以通过工艺优化来实现 ， 包括基板和腔室预热、优化冷却速率、限制纵横比和壁厚、优化构建中的扫描策略和零件方向 ， 以及在一起打印多种材料时确保材料兼容性 。
高表面粗糙度
表面粗糙度的来源：DED是一种近净形状工艺 ， 意味着必须进行补充后处理 ， 如机加工或抛光 ， 以达到所需的公差和表面质量 。 镶嵌零件的高表面粗糙度可能主要是由于：（i）由于低热量输入和大粉末颗粒而粘附在部分熔融粉末颗粒的表面 ， 以及由于高激光扫描速度下的罗利不稳定性而产生的成球 ， 从而将熔池破碎成小岛 ， 并拖到熔池的外边缘；（ii）阶梯效应 ， 限制所有分层制造过程 ， 尤其是在形成倾斜或弯曲表面时；（iii）熔融材料的飞溅 。 表面粗糙度由各种材料原料、零件设计、加工和后处理条件和变量决定 。
表面粗糙度对沉积材料和零件的影响：表面粗糙度影响沉积零件的尺寸和几何公差 ， 并严重影响其机械性能 ， 尤其是疲劳性能 。 据报道 ， 表面粗糙度～200?μm可将疲劳强度降低20–25% ， 具体取决于AM工艺 。
表面粗糙度测量：表面粗糙度可以通过多种分析技术进行测量 ， 如接触式（如原子力显微镜（AFM）或触针）或非接触式（如共焦激光扫描显微镜（CLSM）或白光干涉仪）轮廓术和SEM 。 最近提出了一种新的非标准光学测量程序 ， 用于测量DED处理合金的表面粗糙度 ， 该程序采用商业视频和具有大测量范围的多传感器测量系统 。 结果与白光干涉测量的结果进行了比较 。
缓解措施：可以通过增加热输入来降低表面粗糙度（只要不太高 ， 引入高热应力和不均匀凝固速率） 。 例如 ， 这可以通过高激光功率和低扫描速度来实现 。 其他方法包括使用较小的层厚度和更细的粉末颗粒 。 最后 ， 通常采用热等静压和化学/电化学抛光等后处理操作 。

PBF-EB预测的熔池形状 。 （a）水平顶面温度场 ， （b）最大熔池横截面温度场 ， （c）中心纵面熔池形状 。
wire-fed DED加工材料中的缺陷
前面的小节已经提到了与线材加工材料相关的一些缺陷 。 本节旨在添加更多细节并提供简明摘要 。 残余应力、气孔、高表面粗糙度和裂纹也是WAAM加工金属零件的相关缺陷 。 它们与不当的加工条件（例如 ， 能量输入不足或过多、飞溅物喷射或路径规划不良）和原料属性（例如 ， 金属丝或基板污染）有关 。 孔隙度是WAAM中最常见的缺陷 ， 主要由气体夹带引起 。 在复杂的沉积路径或可变的制造过程中 ， 经常会观察到由于飞溅喷射或熔化不足而产生的间隙或空洞 。

WAAM主要研究小组的分布 。
此外 ， 电线和基板的表面污染以水分、污垢或油脂的形式存在 ， 可在沉积过程中吸收能量 ， 并在固化后形成孔隙 。 此外 ， 未熔化电线的部分可能会卡在WAAM加工零件上 。 WAAM加工过程中发生的复杂热循环导致整个制造过程中的微观结构混合 ， 对机械性能不利 。 由于熔池尺寸、焊道宽度和层厚度较大 ， 送丝加工零件的表面粗糙度可能较高 。 与粉末填充的DED一样 ， WAAM制造零件中会产生残余应力；它们可能高于熔敷金属的屈服强度 ， 导致熔敷零件大变形、公差差、开裂和分层 。
通过优化沉积路径、基板预热、保持时间调节、后处理热处理或将基板安装在5轴系统上 ， 并在两侧构建零件 ， 从而平衡残余应力 ， 可以显著降低WAAM中的残余应力 。 发现从边缘到中心的扫描策略可以在基板上产生较少的残余应力 。 Lee等人报告 ， 通过使用180°旋转的双向刀具路径 ， 残余应力降低了50% ， 这可以减少零件底角处的裂纹形成可能性 。 还发现 ， 冷轧和超声波冲击试验可降低WAAM零件中的残余应力 。 可以通过引入传感器来防止侧面塌陷和未熔化的电线 ， 以确保接触端到工作距离恒定 ， 层间温度恒定 。 由于金属的热膨胀不匹配 ， 双金属部件比单金属部件显示出更高的残余应力和后续变形 。

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