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激光定向能沉积技术的应用与展望
材料来源:LFWC          

文/Abdalla R. Nassar

图1:宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室的高价值Ti-6Al-4V轴的修复。

定向能沉积(DED)可能是聚变增材制造的最古老的例子了。早在1925年,使用电弧制造3D物体的概念就获得了西屋电器公司的专利。自1925年以来,情况已经获得了长足的发展——但从原理上看,今天的DED系统与这个早期概念相距并不远。

现代激光DED系统配备了可靠的激光源、精密的运动系统和强大的计算能力。这些系统与CAD、工艺规划和运动控制软件相结合,可用于广泛的应用,包括零件生产、特征增加、维修和表面涂层。

激光DED工艺和系统

激光DED(L-DED)系统包括三个主要部分:

(1)激光束:其输送能量以在基底上形成熔池。

(2)原料输送系统,其向熔池中吹入粉末或注入金属丝。

(3)运动系统,其使激光束和原料相对于衬底移动。

十年前,大多数L-DED系统采用CO2或Nd:YAG激光系统。如今,几乎所有商用L-DED系统都采用光纤传输激光器,其中以掺镱光纤激光器最为常见。这些系统大多数在200~1500W的激光功率范围内工作,尽管也又功率更强大(约10kW)的商用系统出现。虽然光纤激光器在L-DED系统中占据主导地位,但是也有系统采用Nd:YAG碟片激光器或半导体激光器。

金属粉末或金属丝都可以用作原料。在这两种情况下,向熔体中引入原料并非易事。几克/分钟的低沉积速率,对于中低功率系统来说比较常见;而千瓦级激光系统每分钟可以向熔体中进给几十克材料。广泛的沉积头(例如,同轴或多喷嘴)可用于粉末输送。现成的沉积头可用于集成到自定义配置中;在大多数情况下,L-DED系统制造商采用他们自己的沉积头设计。

为了获得紧凑的几何形状,用于修复应用的系统通常配备紧凑的沉积头,该沉积头相对于下面的基板具有角度陡峭的喷嘴。其他系统采用非常小角度倾斜的喷嘴,以实现悬伸物的沉积。还有一些人更关心的是最小化流动的粉末流的腰部——将粉末的腰部焦点保持在激光束光斑大小的量级,从而最大限度地提高粉末的效率。坦率的评估是,沉积头设计缺乏标准化,最终用户只能猜测什么最适合他们的特定应用需求。

与粉末输送一样,也有几种金属丝输送方式。最常见的情况是,通过标准金属丝进给器和喷嘴将金属丝以平缓角度插入熔池的前部。这种方法需要协调金属丝相对于基板平移方向的位置。金属丝必须始终插入熔体前部附近;否则,操作者有将金属丝冻结在熔体的后部凝固区域的风险。也有一些系统与激光束同轴的方式送丝。例如,德国Fraunhofer材料与光束技术研究所提供了一种沉积头,该沉积头将激光束分束并引导到同轴输送的金属丝周围。通过实现定向沉积,同轴送丝系统克服了传统送丝L-DED的主要限制。

还有许多种类的运动系统用于L-DED。最简单的机器采用三轴线性平台系统,其中基板或沉积头相对于彼此移动。在过去的几年中,四轴和五轴系统的数量有所增加,这些系统能够使基板或沉积头旋转和/或倾斜。四轴系统特别适用于轴、管和其他圆柱形部件的修复,例如在改进的Optomec LENS系统上进行的高价值Ti-6Al-4V轴的修复(见图1)。

除了基板的倾斜和旋转之外,采用6轴或更多轴的机械臂的使用,也越来越受欢迎。这种系统在零件复杂性和尺寸方面实现了最大的自由度,但仍无法与传统平台系统的准确度和精度相匹配。

现有及新兴应用

一般来说,L-DED系统分为两大类:用于快速、大面积增材制造的多千瓦级系统;以及用于精密维修和功能添加的低功率系统。在过去的几年中,将L-DED与现场数控加工相结合的混合增材制造系统,试图将大面积增材制造与精密加工或粗加工相结合。

到目前为止,L-DED最常见的应用是用于高价值部件的维修。在许多情况下,维修成本比零件更换成本低几个数量级。以镍合金涡轮叶片的维修为例,维修通常需要在机加工表面上添加几层,然后进行后处理。几英寸宽的刀片可能需要几十分钟才能修复;在这段时间里,消耗了几十克粉末,粉末和劳动力的总成本可能在每把刀片几十到几百美元的数量级——这远低于一把新刀片的成本。对于这样的应用,可以采用具有紧凑的粉末进给头和四轴或五轴运动系统的几百瓦激光系统。图2显示了未经精加工的L-DED修复的铬镍铁合金叶片。

图2:L-DED修复的铬镍铁合金涡轮机叶片,并未进行最后的精细加工。

特征添加,其中基底成为最终产品的一部分,这是另一种有前景的L-DED应用。一种常见的使用情况是在传统锻件或铸件上添加挤压特征,并且不需要后处理表面精加工。在简单的几何形状上添加挤压特征,可以显著减少与全机加工或铸造相关的材料和能量消耗。

图3:L-DED用于制造三维几何形状的叶片。

激光DED系统也可用于制造全三维部件(见图3、图4)。从历史上看,使用L-DED生产复杂几何形状的能力一直是有限的——然而,目前可用的5+轴系统提供了构建复杂独立结构的灵活性。表面粗糙度(通常在Ra≈100µm的数量级)仍然是某些应用的限制因素。配备5+轴运动的混合L-DED系统,不仅可以实现复杂几何形状的L-DED,还可以原位加工零件。这使得能够在同一层内进行沉积和机加工。虽然在某些情况下,由于零件在组装和机加工过程中的变形,在现场对零件进行精加工并不容易或者不可能,但可以在几十微米的公差范围内对复杂的几何形状进行粗加工。

图4:使用混合系统精加工叶片几何形状。

一个新兴的研究领域是新型合金和功能梯度材料的L-DED。由于L-DED系统(特别是那些配备了多个粉末供料器的系统)能够定制合金或元素粉末的混合,研究人员现在能够选择零件内的材料成分。这使得能够添加制造具有复合材料或分级合金的结构。例如,分级硬度,从构件核心的较软材料到表面的较硬材料,在不影响内部延展性的情况下,提供了持久表面的潜力。图5是用这种分级方法制造的一个叶片。

图5:用分级方法制造的叶片。

展望

尽管L-DED是最古老的增材制造技术之一,但它仍然在实用性方面不断增长。今天的系统提供了许多配置选项,包括激光类型、激光功率、给料类型、运动控制和原位加工的可用性。这实现了广泛的应用,包括零件维修、功能添加和独立结构的完全沉积。


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