先进材料的激光定向能量沉积（1） _机械

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长三角G60激光联盟导读
本综述重点介绍了通过微分方程的材料设计，包括对各种单片和多材料成分的调查。本文为第一部分。
摘要
定向能沉积（DED）已发展成为一个重要的增材制造（AM）分支。电火花放电已广泛应用于新型材料的设计和制造中。其中包括金属、陶瓷和复合材料。成功的DED操作需要很好地理解许多关键现象，包括激光-材料相互作用、合金铸造和凝固的基本原理、焊接冶金和连接界面，以及微观结构-机械性能关系。粉末流动性、传热和各种机器相关参数也至关重要。近年来，已经发表了几篇关于通过粉末床熔合（PBF）和电沉积的金属AM的综述文章，重点是特定材料系统、映射AM的最新技术，或与沉积过程或材料特性相关的问题。然而，最近没有任何综述致力于全面介绍材料系统、设计、制造、挑战以及各种DED'ed材料族的微观结构和机械性能之间的关系。由于基于微分方程的方法在制造双金属和多材料结构、修复高价值结构和合金设计方面越来越流行，本综述重点介绍了通过微分方程的材料设计，包括对各种单片和多材料成分的调查。最后，强调了这一领域的关键挑战和机遇。
1、介绍
增材制造（AM）通常被称为三维（3D）打印，允许直接从计算机辅助设计（CAD）文件快速按需制造近净形状部件，而无需任何零件专用工具。最近，它被确定为推动第四次工业革命的十二种颠覆性技术之一。虽然AM最初是作为“触感”零件的快速原型制作工具，但现在它已成为各行业的主流制造。 AM机器通过“逐层”方法逐步沉积材料，从数字模型制作3D零件。 AM技术的后续创新将印刷材料的种类从聚合物扩展到金属、陶瓷、复合材料，甚至生物组织。先进自动化和机器人技术在AM中的集成有助于减少制造差异，制造出高质量和可重复性的大型复杂结构。 AM的固有优势吸引了航空航天、生物医学、汽车和消费品行业的注意。

三径迹激光直接沉积Ti6Al4V的显微硬度预测与实验测量的比较：（a）上层测量和（b）下层测量。
自2010年起，美国食品和药物管理局（FDA）一直在批准AM加工零件供人类使用， 2013年，美国联邦航空局（FAA）批准了通用电气公司制造的燃料喷嘴，这是用于关键喷气发动机应用的第一个金属AM零件。 2013年，美国国家航空航天局（NASA）在国际空间站（ISS）安装了第一台聚合物AM机器。这些事件增强了AM加工产品在各个工业部门的信心，并促进了该领域的增长。在过去15年中，学术界和工业界与金属AM相关的研发活动的强度迅速增加，专利和科学出版物的年度数量显著增长就是证明（图1）。

图1金属AM研究和知识产权的趋势。（a）出版物（注意y轴的对数比例），（b）已发布专利，以及（c）独立服务提供商生产AM零件（以百万美元计）的年度数量（来源：Wohlers Report 2021）。
【先进材料的激光定向能量沉积（1）】1994年，当电光系统（EOS）在直接金属激光烧结（DMLS）机中打印金属零件时，金属AM得到了提升。基于激光粉末的定向能量沉积（DED）技术是在美国桑迪亚国家实验室发明的，被称为激光工程净成形（LENS?) 。多年来，由于核心技术的专利保护有限，其他公司也开始在全球销售基于激光粉末的电火花加工设备。采用DED技术的混合AM机器以及采用灯丝进给的线材和电弧增材制造（WAAM ，也称为DED电弧）机器也为这一细分市场增加了新的规模。
电火花加工通常使用粉末或金属丝作为原料，激光/电子束/电弧作为能源。集中能源在特定点熔化进料，并形成熔池，通常用惰性气体保护。与任何其他AM工艺一样， DED也使用计算机辅助设计（CAD）模型以逐层方式沉积原料（例如粉末或金属丝）。最常用的金属AM工艺是PBF和DED（分别图2a和b）。虽然PBF通常具有更高的尺寸精度并产生具有较低表面粗糙度的零件，但与PBF相比， DED具有多个独特的优势（图2c-f）：（1）DED能够实现更高的沉积速率（对于DED ，高达2.5 kg/h ，而对于PBF ，高达0.25 kg/h）；（2）电沉积具有多材料沉积（例如原位合金化）和制造具有特定位置特性的功能梯度结构的固有能力；（3） DED系统可适用于涂层/覆层的处理和受损零件的修复；（4） DED能够处理大体积（>1000 mm3）零件；和（5）在DED系统中， 5+轴允许层向任何方向沉积。

先进材料的激光定向能量沉积（1）

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