定向能沉积（DED）工艺在工业上的应用广泛，本文论述了DED过程中的异常和不足，为后续进一步研究做出了分析。
摘要
定向能量沉积(DED)工艺允许制造和维修金属部件，具有生成设计的复杂几何形状，并具有出色的成分控制。然而，与粉末床熔炼（PBF）相比，它的适用性和采用受到限制，因为该工艺固有的一些问题和异常尚未得到适当的理解和解决。本文根据最新的文献综述，对DED过程中的这些异常现象及其原因和解决方案进行了分类和描述。这项工作还用于列举潜在原因，并将其与不良零件/工艺结果所表现的有害影响联系起来。这些特定异常按照与零件、工艺、材料、生产率、安全性、维修和成分相关的组进行分类；本文将具体报告第一组——零件质量和缺陷，进一步细分为几何异常、形态异常和显微组织异常。总的来说，本文可作为最佳准备和缓解DED中遇到的问题的指南，并为激发新的解决方案奠定基础，以进一步推动DED进入主流制造业。
快速流动防止托卡马克等离子体边缘的杂质堆积
一，介绍
许多增材制造(AM)技术的起源可以追溯到上个世纪在粉末冶金(P/M)的前驱体利用和材料固化方面的创新。金属AM最早是在20世纪30年代通过电弧焊接和高压手工逐层构建而开发的。随后将创建一种新工艺，其中焊接材料的熔珠可以连续分层以熔化并形成自下而上的结构。“基于焊接的AM”的发展始于20世纪60年代和70年代，当时固体结构的基于旋转、连续弧焊的AM等的专利被申请。20世纪80年代，Housholder和Brown的专利开始了AM金属加工的范式转变，开创了基于激光的AM的雏形。Housholder开发了粉基饲料技术，Brown为定向能量沉积(DED)技术奠定了基础，Lewis和Jeantette的技术创新进一步改进了该技术。
在过去的二十年里，AM已经超越了科学研究的局限，发展到原型制造和生产。在AM工艺中，除散装零件制造外，通常通过激光工程净成形(LENS)等技术完成的DED引起了人们对向现有零件添加材料和修复材料的特别兴趣。它采用同轴激光束和多个送粉喷嘴，随着沉积组件通过计算机数控(CNC)移动，在所需的位置点沉积和熔合材料。此外，粉末输送系统的灵活性允许开发具有不同材料成分的功能梯度部件，因此，除了部件的修复和涂层应用之外，还可以开发具有不同位置特性的部件。
图1 一份具有代表性的材料/工艺参数和控制变量清单，这些参数和控制变量影响LENS-DED工艺的质量、安全性和生产率
使用生产级AM零件的可行性需要对过程的精确控制来传递所需的功能。对过程力学和缺陷路径的理解对于有效的过程控制至关重要，但对于透镜镶嵌过程来说，理解是相当有限的。与其他AM过程一样，最终构建质量取决于无数因素（图1）。这些因素以独特和组合的方式促成了透镜镶嵌工艺中的零件缺陷和其他异常现象。这种对影响因素的描述对于减轻零件缺陷和解决明显的安全和生产率问题非常重要。图1中鱼骨中央肋骨上方的参数是预先定义的(在实验设计文献中也称为“常量”因素)和潜在(状态)变量。其中许多可能没有被监控，并且在过程中很难改变。这包括在加工过程中使用的库存材料的特性和机器规格等。
实验中确定过程环境的初始条件和需要监控的实时过程状态的某些其他预定义因素;这包括腔室条件、气体流量、温度等。肋线以下的部分是可控的，可以在工艺过程中或之前进行纠正作为补救补偿。它们可以根据需要进行修改。还支持对这些因素进行实时监测和调整。这包括过程变量，如激光功率，进给速率等。早期的研究表明，最常见的关键参数是扫描速度、激光功率、送粉速度、孵化间距、层间停留时间、激光束直径和激光扫描模式。
图2 LENS-DED异常的热图，其中每个不同的项目有不同的颜色，从而提供了频率的视觉量化
此外，工艺参数或因素可能导致多个零件缺陷，并损害工艺效率和安全性(见图2)。所描述的多元关系可用于根本原因分析，以将过程补救到更理想的状态。为了减轻缺陷，应该监测相应的影响参数，以更好地理解过程随机性。例如，当零件出现翘曲时，热图指导我们优化激光功率、扫描长度和停留时间，从而使我们能够解决缺陷或异常。其中一些问题可以通过后处理进一步纠正，尽管这会降低生产率。然而，成功和生产率的秘诀在很大程度上植根于过程前和过程中的操作。
由于LENS-DED过程的复杂性，理解和跟踪过程异常可以促进解决质量、生产率和安全问题的流线型方法。这里的工作提供了围绕LENS- DED的问题，以及当前和建议的解决方案来缓解它们。作者在研究Co-Cr-Mo、不锈钢316L和其他材料时遇到了许多异常现象。这项工作的动机来自于制造过程中所面临的困难，以及运营商可以通过参考这里提出的问题获得的好处。类似于提供各种问题见解的在线纲要，这项工作按直观的类别分组提供参考。以往的研究试图将DED开发零件中的冶金缺陷分为两类:工艺缺陷和材料缺陷。除了部分缺陷外，对工艺异常的描述是不存在的。该评估使用更全面但相互关联的方法来帮助诊断和分类异常。
其余类别的异常将在后续报告中报告。本文第2节概述了使用金属粉末及其分组时透镜相关的异常情况。第3节回顾了七类异常中的第一类，以及缓解异常的可能解决方案。第4节讨论了这些异常对DED过程的关键影响，并概述了未来的发展方向。值得注意的是，目前的讨论仅限于使用粉末原料（LENS-DED）的基于激光的金属DED；本文其余部分中对DED过程的每一次提及都具体指LENS-DED。
2. DED异常的分类及研究范围
图3 流程异常分类流程图
异常可以定义为偏离正常，这可能对部件或过程有利，也可能有害。相反，缺陷是需要修复的瑕疵。缺陷可能是异常，相反并不总是正确，例如，拉伸各向异性是异常，但不一定是缺陷。我们可以将DED异常分为七大类(图3);注意，由于过程的相互交织性质，其中一些可以分为多个类别，但被放在最相关的组中。
(1)零件质量和缺陷:通过多个空间和光谱尺度的探测，可以在AM零件上发现这些问题的表现形式。作为标志存在于零件或组织内的DED缺陷对提高最终使用零件的质量具有重要意义。这些又可以进一步分为三个子类:
(1a) 几何：这些问题表现为与标称几何（完美）及其允许偏差（公差）的偏差。这些问题导致单个特征的形状和尺寸与建模或预期几何体不同。采用策略来缓解可以减少后处理的需要，从而缩短周期时间。
(1b)形态:这类缺陷影响表面纹理、表面光洁度和表面形貌，以及大量缺陷，如气孔、空洞、飞溅和夹杂。
(1c)微观结构:这些缺陷与表面和次表面的微观结构有关。任何影响零件外观质量的不规则现象，如变色或表面缺陷都属于这一类。
(2) 工艺和机床故障：这些异常是由于错误的工艺参数和/或工作条件引起的。工艺和机床故障通常由异常参数和机床设置引起。由于DED可同时“传输”激光功率和材料粉末，因此必须满足以下几点考虑，才能成功地将材料沉积到基板上。粉末输送系统提供设计自由，无需支撑；然而，粉末的流动特性会影响零件的结构完整性。DED还存在与激光相关的问题，包括低效率、溅射、缺乏完全熔化和聚变，以及由结构和材料造成的激光衰减。
这些导致产品缺陷，并可进一步分为两个子类别：
（2a）异常机器或过程设置：此类异常是由于错误的机器设置引起的。这些也可能是由于仪表读数错误以及导致不良内部（潜在）过程状态的外部因素引起的。
（2b）控制器错误：这些异常是由于控制器中的驱动和通信错误引起的。特别是在连接的机器中，这些可能是由于恶意网络安全攻击引起的，不仅会对产品质量产生不利影响，还会对安全性和生产率产生不利影响。
（3）库存材料问题：这些问题是由于原材料的固有缺陷和变化引起的，即粉末或粉末库存处理不当。这些问题可能包括库存材料中的不一致和缺陷，在零件中表现为缺陷和其他异常。无缺陷且一致的库存材料有利于一致且有粘性的沉积物和微观结构。原料粉末中的杂质会植入零件中，阻碍机械完整性。这些问题可以通过检查和预处理用于制造部件的粉末来解决。
此外，与传统工艺相比，这些问题会阻碍制造的可行性，并导致工艺效率低下。为了使这一过程进入主流制造，生产成本必须最小化以使其与可比传统制造方法相媲美。这些问题会增加工艺的总成本，并可能使额外生产组件的工艺成本受到限制。这些问题也会影响生产率。
(5)安全问题:这些异常与机器本身有关，在建造过程中可能危及操作者或机器。为了避免燃烧和高能激光对操作人员造成严重威胁，必须对原粉进行充分处理。这些问题中最紧迫的是灾难性的危险，例如与消防安全相关的危险和喷嘴撞到样品上的危险。还提出了一些危害较小的问题，如混合透镜机主轴漏油造成的污染。这些问题对操作人员或任何接触到该过程的人构成威胁。这些问题需要仔细处理，以避免事故和对环境的不利影响。
（6）维修特定问题：行业中考虑了各种部件维修应用的DED流程。与原始/重建部件的效率和质量有关的一些问题阻碍了DED在维修应用中的应用。
(7)成分问题:DED允许多种材料粉末从喷嘴流出，每种粉末以不同的且独立可调的速率流入熔池(即激光沉积区)。这有利于成分梯度和改变，以创建功能梯度和改变的材料结构。这一类别指的是在预期成分变化期间特别出现的问题。
3. 零件质量及缺陷
这些问题影响DED生产的零件的最终制造质量和结构完整性。这些包括:
3.1几何缺陷:
CAD中建模的所需轮廓与生产零件的偏差被归为几何缺陷。这些缺陷导致零件几何结构与标称几何结构（尺寸和形状）不同，也可能表现为表面粗糙度和平面上的偏差。这些可能会损害结构的完整性，并可能使部分不可接受。
3.1.1层厚不均:
沉积层厚度不是恒定的，并且随构建高度而变化。这将导致一个较短或较高的部分。
图4 z轴增量与沉积厚度不同
3.1.2建筑顶部表面的翘曲:
建筑的顶部表面并不平坦的，呈现出高峰和山谷(波浪形)，并看起来是变形的。这通常是由于激光输入的高容量能量密度导致更深的熔池，以及缺乏有效的散热片(因为它离构建板“很远”)，从而导致翘曲。可以调整扫描速度和扫描路径以减轻这种失真，并在适当的支撑结构或其他散热路径中设计以传导集中的热量。
图5 零件弯曲的上表面的侧视图
3.1.3边缘缺陷:
边缘与顶面不齐平，这表现为材料覆盖或衬垫在相反的两侧。这些可能对应于金属沉积路径的开始或结束，或喷嘴路径方向发生突变的位置。零件尺寸和质量受到影响。适当的工艺参数优化，以及采用不会在边缘处重复结束和改变方向的扫描模式，可以减轻此类零件表面变形。
图6 样品边缘缺陷
3.1.4卫星缺陷：
一颗卫星看起来像一团凸起物。与边缘缺陷不同，这是一种点异常，而不是沿边缘长度延伸。通常在金属沉积的起点和终点之间的重叠点观察到，这些点通常可以被加工掉。它们也会随着飞溅的发生而加剧；当多余的飞溅粉末反复积聚/吸收到表面上的某一点时，可能会出现此类卫星缺陷。
图7 卫星缺陷从表面突出
3.1.5多元材料稀释及维度差异:
沉积的金属珠/金属轨迹，特别是在第二种材料表面(底板或其他成分不同的材料)上固化时，由于两种材料类型之间的稀释/溶解，最终可能会比预期的尺寸不同(高度短)。稀释程度取决于相关材料类型以及液态熔体池的大小和持续时间；较高能量密度产生的较大熔池具有较长的凝固时间，因此稀释程度更高，高度更短。
图8 根据熔池尺寸，两种材料之间的稀释会导致不同的沉积高度
3.1.6材料收缩：
冷却时，可能会发生层的材料收缩，从而导致倾斜边缘（而不是垂直边缘），同时也会导致先前沉积的层收缩。倾斜的边缘破坏了外表面的几何结构，导致表面质量差，需要进行后处理。总的来说，这会导致零件特征比预期的更小，并且可能看起来像阶梯缺陷（这是由于打印分辨率差），尤其是对于高层厚度。控制层厚或层高差异以及添加补偿层有助于缓解这些问题。
图9 材料收缩导致更小的层尺寸
3.1.7 翘曲和与基材分离:
零件可能在底层扭曲，最终从基板或基板上分离，从而影响构建，并导致零件无法使用或无法修复。这通常是由于不合适的扫描路径策略、缺乏有效的散热路径或工艺参数组合所导致的热量过多造成的。
图10 翘曲，导致从基板上脱落
3.2形态缺陷：
这些缺陷分为表面缺陷或大块（亚表面）缺陷，包括表面层、纹理、内部孔隙、空洞、内部夹杂物等。
3.2.1表面形态缺陷：
这些缺陷包括可通过显微镜和表面轮廓术在表面上检测到的缺陷。
3.2.1.1波纹度：
顶面偏离平面并具有波浪性质，这当然会影响零件尺寸和表面质量。某些扫描模式以及工艺参数组合可能导致热积累和不均匀散热，从而导致此类缺陷。
图11 顶部表面波度
3.2.1.2高表面粗糙度：
高表面粗糙度可能是工艺参数、方向、零件悬垂、飞溅等综合影响的结果。除了较差的表面质量外，粗糙表面还可能成为应力集中点和裂纹形成的原点。这种异常通常通过减法操作（精加工或磨削）来缓解。较大的填充间距可能会加剧不均匀焊缝轨迹特征。适当的设计和工艺参数的精确控制有助于缓解这些问题。
图12 表面光洁度差
3.2.1.3斑点和青春痘：
当激光器在开关状态之间切换时，或在扫描路径的突然变化期间，尤其是在扫描路径的起点或终点处，零件表面可能会产生斑点和青春痘，从而产生额外的沉积。扫描路径的起点和终点重叠，因此熔池也可能导致这种情况。仔细控制送粉和激光状态有助于缓解这些问题，以及适当的工艺参数组合，以均匀分配热量。
图13 斑点和青春痘
3.2.2大块形态缺陷：
这些缺陷出现在散装零件的次表面内，通常需要在切片或整个零件上采用显微镜、断层扫描等表征方法。
3.2.2.1孔隙度：
孔隙率或空隙可有效降低材料密度，并可出现在表面和/或散装零件内。DED工艺中的大多数优化工作都致力于降低孔隙率并达到接近理论密度。影响局部孔隙形成和演化的因素有很多，包括原始粉末中的孔隙、气体包封(典型的球形孔隙)、未熔合(典型的非球形孔隙)等[58]。除了显著影响模量和强度外，孔隙还可导致裂纹的形成，并影响裂纹的扩展速率/路径。此外，由于气孔的存在，会降低材料的热导率。
图14 有裂缝的部分内的孔隙
3.2.2.2分层和缺乏附着力：
该异常子组指制造过程中零件与构建板的意外分离，以及构建过程和/或加载时的层分离。由于能量密度低，熔化和熔合不充分，冷却不均匀和突然，热分布和散热路径不均匀，残余残余应力等原因，可能导致零件与板之间或层与层之间没有粘结。成分不相容也会产生剥离区域，导致断裂。
图15 造板分层
3.2.2.3大空穴：
由于气体截留、夹杂物(外来颗粒)、粉末熔合不足等共同作用，会形成大的空穴。这些通常是在建造过程中形成的大的聚结孔隙，通常比气体或LOF孔隙更大。它们可以作为主要的应力集中点，通常是裂纹萌生和/或裂纹扩展路径的贡献者，从而缩短零件的寿命。
图16 零件中的空腔
3.2.2.4散装中的夹杂物：
外来颗粒、夹杂物或杂质可能最终进入制造零件，并降低各种性能和性能。这些外来实体可能来源于原始粉末、重复使用的粉末或制造过程中的DED机器本身。这些作为应力集中点，可以作为裂缝起始点。
图17杂质粒子
3.2.2.5晶粒形态/织构不均匀:
不均匀的热分布、重复的热循环和不同的冷却速率对晶粒形貌和取向织构有显著影响。这导致了结构和性能的不一致和各向异性，并可能导致零件失效。在DED中产生的微观组织差异包括相对晶粒尺寸差异、晶粒形状(柱状/等轴状)、织构支配水平、相组分等，以及熔体边界、热汇位置等对晶粒生长的影响。
图18 热梯度对晶粒的影响
3.2.2.6热影响区:
由于扫描策略和逐层沉积的重熔，特别是在平行激光路径的末端会形成间歇热影响区，通常间隔间隔较远;这些对晶粒生长和形貌有显著影响。凝固细胞的生长受通道边界(两个激光熔体路径之间)的影响。这些热影响区在大多数情况下含有性能退化(例如，低硬度)的再结晶粗晶粒的混合物。控制晶粒长大以及量身定制的热处理可以缓解这些问题。
图19 DED结构上舱口轨道之间的HAZ
3.2.2.7表面/次表面粉末熔化不足:
由于激光功率不理想或送粉过量，一些粉末颗粒可能会留在零件表面或靠近零件表面，而不会完全熔化/融合。该问题表现为表面的飞溅，在浅沟槽[65]或未融合的粒子(仍然是球形的)在次表面。除了影响表面质量和光洁度外，随着时间的推移，这些可能最终成为表面降解的引发剂。
图20 表面未熔合粉末
3.2.2.8成分过渡层中的不完全熔化：
由于在材料类型之间转换时“界面”层的元素组成不同，宏观结构可能因成分不相容和熔点不同而缺少熔合缺陷（为了正确熔化/熔合），以及对性能和性能有害的微观结构特征。不考虑不同的粉末密度或有效粉末混合物密度可能最终在构建表面提供不正确的功率。此外，不完全熔化/熔合可能导致不适当的层粘附，并促进分层。在输送混合物之前预热粉末可以部分缓解这些影响。提高过渡区初始层中的液态金属池温度可允许更好的层沉积，并且更细的粉末尺寸可促进熔化。主要成分的放热混合也有助于逐渐提高熔池温度。
图21 CoCrMo到Ti6Al4V过渡层
3.3微观结构缺陷：
对微观结构的研究揭示了沉积动力学和微观结构演化的线索。由于与纸张长度有关，本节将表格排除在外。
这些被定义为微观结构中影响性能的不良结构特征。
3.3.1.1变色：
过热、差异冷却和氧化可表现为零件上的一系列颜色（通常为蓝色、棕色或黑色。尤其是在外表面和需要重新加热的位置。工艺参数控制和散热规划有助于缓解这些问题。
图22 有凹痕的零件表面变色
3.3.1.2微观结构不均匀性：
根据热循环/历史和冷却速率的不同，DED的微观组织会发生变化。这种非均匀性导致了各这种异质性导致各向异性特性。这些可以根据位置而变化，等轴晶粒更靠近顶部(由于再加热)，柱状晶粒更靠近构建板(通常充当散热片，从部件上带走热量)。通过设计热沉结构作为支撑或热路径，或作为激光停留时间，可以实现更均匀的冷却速率。
图23 非均匀微观结构
3.3.1.3层间/层内开裂：
在熔池凝固过程中，裂纹会穿过层间或层间，特别是在高/不均匀的冷却速率下，会导致不均匀的收缩，从而导致残余应力状态(在单一或多种材料中)。加载时，此类裂纹可能会扩展，或引发新的裂纹。这些会显著降低韧性和疲劳寿命。工艺规划和参数控制是缓解的关键。
图24 过渡层上的裂纹
3.3.1.4拉伸性能各向异性:
虽然主要由晶粒各向异性引起，但最终的拉伸行为受晶粒形态、构建方向、扫描策略等组合的影响。未对齐的柱状晶粒可根据相对加载方向影响拉伸行为（例如，当垂直加载时，α晶界经历加速损伤）. 由于随机取向的α板条减少了位错滑移长度，编织组织显示出更高的强度/延展性。局部热处理有助于细化晶粒结构，减轻与拉伸行为相关的一些各向异性。
图25编织结构
3.3.2.2性能退化的不良相：
发展不良相，如脆性Laves相或马氏体(脆性，但较硬)，会降低DED零件的延展性和寿命。例如，在高能量密度下制备的Ti-6Al-4V由于马氏体α′相的分数较高而具有较低的延展性。柱状β晶粒可以在基体附近形成，起到吸热作用。
在IN718的DED过程中，Laves相也可以在贫铌奥氏体枝晶内形成柱状晶粒，具有细小的二次枝晶臂间距（SDAS）。热处理可以减少偏析和Laves相，并通过加快冷却速度更有效地减少SDAS尺寸和Nb偏析量。基板预热、热处理、溶液和时效处理等有助于缓解这些异常
3.3.2.3元素偏析:
由于温度对固溶体溶解度的影响，某些成分混合物在冷却过程中会在局部/隔离区分离/沉淀某些元素，进而影响零件性能。后处理和热处理周期可恢复/影响其中一些变化。
4.1.1成分缺陷：
这些缺陷归因于不均匀的元素覆盖和稀释，这通常导致元素不相容、不合要求的相和性能退化。
4.1.1.1脆性金属间化合物：
由于冷却速度和/或预期的成分混合，金属间化合物可在DED零件中形成；这些常以脆性区的形式存在，对性能有害。改变工艺参数以影响该区域的热历史可以缓解这些影响，但效果有限。对于阶跃成分转变，需要遍历多维相图中的某些成分和等温路径，以避免脆性金属间化合物的形成。
4.技术和科学差距/需求：
为了使DED成为一种广泛使用的制造方法，除了实验室设置和少数行业外，首先需要彻底理解工艺-结构-性能-性能框架。由于其质量流量和速度的影响，与更成熟的基于激光的AM方法（如PBF）相比，DED工艺增加了更多的复杂性。DED机器的原始设备制造商仍然局限于少数制造商，目前机器零件的一致性和可重复性较差；事实上，在一批机器内以及在供应商之间实现零件的重复性和再现性可能是其广泛采用的重要第一步。通过对供应商的反馈，需要更多通用的用户界面来给予(有能力的)用户更多的控制来排除故障/改进。
对DED的仿真和机上软件的改进可以更好地控制构建过程和有利的结果/零件。正如在减法制造模拟中一样，这些可以为构建策略、合适的工艺参数提供信息，以避免陷阱并提高效率，特别是考虑到这仍然是一个单点（激光束直径）制造过程，生产率较低。然而，即使有了所有的预处理规划，DED过程复杂的内在空间/时间多尺度多物理性质在很大程度上是混乱和学术性的；因此，广泛的多途径监测至关重要。传感/监控和连接（工业4.0）的最新进展应为智能制造解决方案铺平道路。最后，各种材料类别的最佳实践和工艺参数的姐妹纲要得到保证。当然，这首先需要努力减少机器之间的可变性，并进一步进行标准化工作。
最后，正如读者可能已经注意到的，由于过程-结构-属性链的内在联系以及它们对零件质量和性能的影响，上面描述的一些异常可以归入多个子类别。此外，多种原因甚至异常可能导致不同子类别中的另一种异常或表现。DED固有的多尺度多物理复杂性使得很难对某些特定异常进行明确的分类。然而，有人试图将它们放在最相关的子类别中，但难免有一些重复。
5.结论和今后的工作
这项工作作为一项审查，将DED过程中遇到的各种异常分为七类（相互关联），然后具体阐述第一类，即零件质量相关缺陷。对框架内的众多异常进行编目有助于构建DED的内在复杂性。将其与可能的原因和潜在的缓解解决方案相关联，有助于在参数及其对缺陷的贡献之间建立因果关系，这可以通过热图进一步观察到。
参考文献：Liu, M., Kuttolamadom, M,2020, "Nano-Scale Hardness & Abrasion Resistance of Directed EnergyDeposited Co-Cr-Mo Biomedical Alloy," Proceedings of the ASME MSEC(MSEC-2020-8455).
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