图2金属AM技术 。 （a）粉末床熔融（PBF）工艺示意图 。 （b）定向能沉积（DED）工艺示意图 。 （c） DED在熔覆和修复中的应用 。 （d）修复DED制造的316L不锈钢涡轮叶片 。 （e）一种功能梯度磁性非磁性双金属结构 ， 通过电火花加工制造 。 （f）一种通过基于自定义DED的工艺制造的大型航空航天组件 。
在不同的金属电火花加工工艺中 ， 以激光束为能源的粉末原料是最常用的研究工艺 。 图3显示了用于粉末和线基进料的基于激光的电火花放电的示意图 ， 最近对其特性进行了比较 。 商用金属线比金属粉末便宜 。 金属丝也比粉末更安全 ， 更容易储存 。 然而 ， 需要增加激光功率来熔化金属丝 ， 从而导致送丝激光DED系统的价格更高 。
图3.DED过程示意图 。 （a）带有同轴颗粒注射装置的粉末供给系统 。 （b）送丝系统 。
虽然DED的核心原则类似于焊接 ， 但它提出了各种独特的技术和科学挑战 。 因此 ， 基于焊接冶金建立的知识有助于改善具有受控微观结构和过程重复性的电火花放电加工 。 将不同的焊接方法与AM相结合 ， 拓宽了AM技术在大规模制造中的潜力 。 基于焊接的AM工艺 ， 如金属丝激光金属沉积（LMD-W）、电子束AM（EBAM）和WAAM ， 能够以较低的生产成本沉积大型部件 。
具体而言 ， WAAM工艺因其高沉积速率和生产大型结构的灵活性 ， 在航空航天行业制造高强度铝结构方面吸引了更多的兴趣 。 高达10 5K/s的高冷却速率 ， 再加上对材料进行独特热循环的分层沉积 ， 可导致复杂的相变和有害残余应力的形成 。 沉积态材料的宏观结构和微观结构由电火花沉积过程中的热历史控制 。 这些可能会影响沉积零件的机械和物理性能 。 报告了现场监测、过程优化和反馈控制 ， 以最大限度地减少与DED过程相关的缺陷 ， 提高零件质量 。
（a） Inconel 625增材制造墙体的有限元网格示意图 。 （b）沿铬镍铁合金625壁长度方向的二维残余应力等值线（单位：MPa） ， 层间停留时间为0 s 。 （c）沿铬镍铁合金625壁长度方向的二维残余应力等值线（单位：MPa） ， 层间停留时间为40秒 。
上图显示了用于分析的有限元网格 。 该网格由52472个六角形8单元和62231个节点组成 。 沉积区的网格密度为每个热源半径2个元素 。 进行了三步网格收敛研究 ， 以确认网格足够精细 。 使用有限元求解器项目Pan进行热机械分析 。
近年来 ， 通过PBF和DED发表了几篇关于金属AM的综述文章 。 然而 ， 最近似乎没有对材料系统、材料设计、制造、挑战以及各种材料族的微观结构和机械性能之间的关系进行全面综述 。 因此 ， 本综述的目的是全面分析通过电沉积沉积的材料 ， 包括单片、双金属和多材料系统 。 这些材料包括钛合金、钢、铝合金、镍合金、钴合金、金属间化合物、形状记忆合金（SMA）、高熵合金（HEA）、陶瓷、复合材料、功能梯度材料和多层材料 。 重点放在DED工艺参数、微观结构和印刷元件的机械性能之间的关系 。 还讨论了合金设计、自由结构沉积、材料包覆和电火花修复 。 最后 ， 强调了这一领域的关键挑战和机遇 。
2.DED沉积的材料系统、其微观结构和机械性能
为AM开发功能和结构材料的兴趣正在迅速增长 。 包括汽车、航空航天、军事和生物医学在内的主导产业的这种兴趣导致了对AM各种材料的研究的重大投资 。 本节回顾了最近报告通过DED技术处理的材料 。 讨论了加工参数对加工材料微观结构和机械性能的影响 ， 强调了当前设计工业可靠工程部件的科学和技术差距 。 迄今为止 ， 各种材料已通过DED技术进行处理 ， 取得了不同程度的成功 。 该材料清单可分为两大类：（1）常用的AM材料 ， 如钛基合金、合金钢、不锈钢、工具钢、镍基合金和铝基合金；（2）新型AM材料 ， 如钴基合金、金属间化合物、SMA、HEA、陶瓷、复合材料和功能梯度材料 。
定向能沉积Ti6Al4V的单轨珠说明了决定β晶粒柱状生长模式的热行为 。
2.1合金钢
合金钢含有1.0至50 wt%的合金元素 ， 广泛用作汽车、船舶、石油和化学工业的结构材料 。 它们具有高强度和良好的延展性 ， 以及优异的耐磨性和耐腐蚀性 。 合金钢可以通过各种成形和连接操作形成 。 在低氧环境中制造可以提高合金钢零件的机械性能自然 ， 合金钢的AM正在不同行业中实践 ， 是一个快速增长的研究领域 。
与传统碳钢相比 ， 添加合金元素提高了机械性能和耐腐蚀性 。 迄今为止 ， 各种低合金钢已成功地由DED加工 。 Guan等人研究了能量密度对DED'ed 12CrNi2Y钢最终微观结构、镀层密度和机械性能的影响（图4a） 。 在所使用的能量密度集内 ， 相对密度的局部最大值达到98.95% 。 电火花加工零件从能量密度较低的多边形铁素体转变为能量密度较高的粒状贝氏体 。 能量密度在阈值处的增加导致冷却速度降低和晶粒粗化（图4a） 。 Fang等人研究了渗碳FeCrNiMnMoNbSi钢的微观结构、力学和腐蚀性能 。 结果表明 ， 微观结构由均匀分布的元素组成 ， 具有纳米级马氏体相板条间距和少量纳米多晶沉淀物（图4b） 。 关于屈服强度和伸长率 ， 沉积态材料符合锻造沉淀硬化（PH）不锈钢基材的标准（图4b） 。 与FV520B不锈钢相比 ， 添加Cr提高了沉积合金的耐蚀性 。
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