摘要：今天研习激光定向能量沉积(DED)技术的特性、挑战及应用情况。该技术别名较多，如激光熔覆(LC)、直接金属沉积(DMD)等。
今天研习激光定向能量沉积(DED)技术的特性、挑战及应用情况。该技术别名较多，如激光熔覆(LC)、直接金属沉积(DMD)等。
*Directed energy deposition (DED) additive manufacturing: Physical characteristics, defects, challenges and applications
应用背景
随着现代制造业的不断发展，对零部件的性能、结构复杂性以及制造和修复效率提出了更高要求，这为激光定向能量沉积（DED）技术提供了广阔的应用背景。
在航空航天、汽车、能源等众多领域，高性能、高精度且具有复杂形状的零部件需求日益增长。传统制造工艺在制造这些零部件时，往往面临加工难度大、成本高、周期长等问题。例如，大型航空航天结构件的制造，传统方法需多步骤加工且难以实现复杂内部结构。而 DED 技术能够精确地逐层沉积材料，实现复杂形状的近净成形，大大减少了后续加工量，提高了材料利用率，降低了成本。
同时，DED 技术在修复高价值零部件方面独具优势，如修复磨损的发动机部件，可通过局部添加材料恢复其性能，延长使用寿命，相比传统修复方法更加灵活、高效，且能保证修复后的零部件性能接近甚至优于原始状态，在高端制造业中展现出巨大的应用潜力。
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激光定向能量沉积(DED)：原理、优缺点
原理
将粉末或丝材输送至基底，同时聚焦高能激光形成熔池，逐层沉积材料，最终形成三维近净成形部件，沉积前需对三维模型进行切片处理。
优势
可加工多种高性能材料，包括各类金属、陶瓷、复合材料及功能梯度材料等。具备多材料加工、局部性能调整、修复灵活、沉积速率高、可制造大型零件、设计自由度高、技术成熟度较高、可在非水平表面及特殊环境操作等优点。粉末粒度较大，在成本和安全性方面具有优势。缺点
存在收缩应力、残余应力、变形等问题。尺寸分辨率和精度相对较低，表面粗糙度较高，常需后加工。粉末效率和可回收性较低。*DED与PBF(粉末床熔融)相比，在材料、维修与应用方面的优势
*原材料：粉末与丝材优劣对比
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DED应用实例
DED技术自商业化以来，在多个领域展现出其独特应用价值。
在制造大型结构件方面，如NASA的RS25火箭喷嘴，可降低成本和缩短交付时间；在修复领域，可修复大型高附加值的金属零件，如Inconel 718内部缺陷，沉积兼容性材料，结合热处理和表面精加工，可实现良好的修复效果；在功能涂层应用上，可在钛等基体材料上熔覆钽、磷酸钙、金属碳化物等涂层，以提高零件性能，如增强生物活性、提高切削工具性能等；在合金设计和梯度结构制造中，可通过多筒送粉系统制备梯度结构，为开发新型材料和具有特殊性能的部件提供可能。*DED在大型部件、修复和涂层的应用 a)多种修复和沉积策略 b)大型管状结构的修复 c)钛表面的钽涂层 d)钛上的磷酸钙涂层 e)大型火箭喷嘴 f)切削工具碳化物涂层
*DED在多材料结构的应用
a)使用DED加工多种材料示意图 b)组合设计的铝合金块 c)Inconel 718和GR-Cop84(铜合金)组成双金属结构
*d)金属-陶瓷结构 e)双金属不锈钢结构:磁钢(430SS)和无磁钢(316SS)
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激光-材料相互作用
飞行中颗粒受热
粉末颗粒从喷嘴喷出与激光束相互作用，其加热和熔化过程受多种因素影响，包括工艺参数、粉末特性和激光参数等。基底、粉末对激光能量的吸收和反射复杂，同时工作距离也会影响能量传递，理解这些相互作用对控制DED质量极为重要。*a)多层结构、热循环、缺陷和残余应力 b)粉末、激光与熔池之间的相互作用
熔池的热行为
在激光作用下粉末/丝材形成熔池，可通过热成像技术监测熔池的温度梯度和冷却速率。
*a)激光功率1000W时喷嘴出口粉末颗粒热成像 b)几何关系 c-d) 粉末飞行中吸收和散射激光的能量分配 e)位于DED系统上方的热测量系统 f)WC-Co样品沉积第5层时的热成像
颗粒-熔池相互作用
原位监测揭示了颗粒与熔池间的复杂相互作用，包括颗粒熔化、碰撞、飞溅等现象。
*粉末流 a)喷嘴前端到基底 b)颗粒速度 c-d)颗粒空间浓度 e)单道沉积下颗粒 f)颗粒轨迹跟踪 g)速度分量
激光-丝材相互作用
基于丝材的激光DED过程中，激光与丝材相互作用受多种参数影响，需精确调整参数以实现稳定沉积。
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DED关键工艺参数
DED制造高质量零件受多个工艺参数的影响，主要包括激光功率、扫描速度和送粉速度等。
*DED工艺参数
*a-b)不同激光功率下单道沉积 c-d)激光功率对熔宽、熔深的影响
*a)在TC4板上单道沉积-熔池演变过程 b)DED激光功率250W、扫描速度100mm/s下熔池、孔隙率和飞溅演变过程
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沉积缺陷及表征
残余应力和变形
DED过程中，由于受到复杂热应力，不可避免会产生残余应力，目前可通过多种测量技术（破坏性和非破坏性）进行测量。
减轻残余应力方法：预热、优化扫描策略和后处理（热处理、表面处理）
*DED残余应力 a)残余应力形成：加热(左)和冷却(右) b) 复杂热应力 c)316SS激光去毛刺熔池 d)温度梯度 e)TC4形变及预热减小变形 f)零件和基材预热影响残余应力： 预热温度越高，残余应力越小
*优化扫描策略减小残余应力 a)层间停留时间对Inconel 625和TC4残余应力的影响 b)扫描策略影响激光DED过程温度梯度 c)分形扫描策略的温度梯度最小
*表面处理对残余应力的影响 a)磁场辅助将拉应力改变为压应力 b)激光冲击强化将拉应力转为压应力 c)商业航天用门把手
孔隙
孔隙较为常见且成因多样，包括匙孔、气体孔隙和未熔合等机制，对材料性能（尤其是疲劳性能）影响严重。
可通过工艺优化、控制粉末原料和后处理（如HIP）可缓解孔隙问题。
*DED气孔 a)316L SS中孔隙及SEM b)TC4孔隙SEM c)不同金属的线能量密度、送粉率和孔隙率之间的关系
开裂：在DED中开裂主要类型包括凝固开裂、液化开裂等，将严重影响零件性能。主要预防措施是工艺优化。
表面粗糙度高：DED零件表面粗糙度高，成因与加工条件和原材料特性有关。可通过优化工艺参数和后续机械加工降低表面粗糙度。
来自：炼金术士 激光之研
长三角G60激光联盟陈长军转载
来源：江苏激光联盟