摘要：英国先进制造研究中心（AMRC）和英国谢菲尔德大学的科研人员综述报道了钛合金与铝合金电弧丝材和激光丝材定向能沉积（DED）最新进展。相关论文以“Recent progress in wire-arc and wire-laser directed energy
长三角G60激光联盟导读
英国先进制造研究中心（AMRC）和英国谢菲尔德大学的科研人员综述报道了钛合金与铝合金电弧丝材和激光丝材定向能沉积（DED）最新进展。相关论文以“Recent progress in wire-arc and wire-laser directed energy deposition (DED) of titanium and aluminium alloys”为题发表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology)》上。
基于丝材的定向能量沉积（DED）技术已崭露头角，使在增材制造领域制造大型金属部件成为可能。基于丝材的DED工艺具有沉积速率高、材料利用率高以及适用于多种金属和合金等优点。另一方面，这些工艺在沉积尺寸精度、表面质量以及制造高度复杂几何形状的能力方面存在局限。因此，本综述旨在全面分析基于丝材的电弧和激光DED工艺的最新进展，特别聚焦于航空航天应用中广泛使用的、具有低购买飞比（BTF）的钛合金和铝合金。能让读者全面了解基于丝材的DED工艺，并指导读者选择合适的工艺。此外，该研究探讨了工艺的复杂细节，包括基于丝材的DED设备概述、工艺能力，以及对关键工艺参数的考察。文中对基于丝材的电弧和激光DED工艺进行了详细对比，涵盖路径规划、沉积策略、熔池行为、获得的微观结构和力学性能、零件质量以及缺陷缓解等关键方面。此外，还针对最终终端用途应用的后处理技术进行了评述，为实现最佳效果提供见解。讨论延伸到工艺监测与控制，强调用于提高精度和效率的原位技术和工艺建模。最后，针对未来工作，提出了创新与发展潜在领域的建议并予以重点强调。
图1具有高复杂性和高分辨率的粉末床熔融部件示例。a蜂窝芯火箭喷嘴。b多孔股骨髋关节植入物。c骨盆骨模型。d火箭喷射器。e卫星太阳能电池板装置。具有高沉积速率和尺寸的丝材定向能量沉积部件。f快速等离子体沉积钛结构。g船用柴油机叶轮。h0.7米钛制襟翼支架。i使用丝材-激光定向能量沉积技术制造的大型钛悬臂部件。
图2a电弧丝材定向能量沉积（DED）工艺示意图与b激光丝材定向能量沉积（DED）工艺示意图。
图3电弧丝材和激光丝材定向能量沉积工艺的历史及其多年来的发展情况。
图4基于丝材的定向能量沉积（DED）工艺从设计到后处理的工作流程。
图5电弧丝材定向能量沉积（DED）设备（a-c）与激光丝材DED设备（d-f）的最新发展。a机器人引导的电弧增材制造机器人。b配备等离子弧沉积头的协作机器人。c基于冷金属过渡的机器人单元。以及基于激光丝材的DED系统。d微激光丝材沉积系统。e基于机器人的激光同轴沉积头。F自动化激光/丝材直接金属沉积系统。
图6各种路径规划与沉积策略。a光栅式。b螺旋式。c连续式。d凸多边形。e交叉路径。f不同沉积策略下的成型结果。g路径规划过程中的过度重叠与间隙填充不足。h单道拐角路径优化以避免缺陷。i使用优化沉积策略的拐角成型结果。
图7路径规划和沉积策略对最终零件性能的影响。
图8a不同焊枪角度下电弧丝材铝材DED的熔池行为。b侧向和同轴激光丝材DED。c低热丝水平时焊丝与熔池的相互作用。d焊丝移动方向对熔池温度和速度的影响。e使用相机捕捉到的送丝速度对熔池行为的影响。
图9Ti-6Al-4V的微观结构。a电弧丝材定向能量沉积（WA-DED）在法向、横向和焊接方向（ND、TD、WD）的微观结构。b WA-DED振荡策略下的微观结构。c WA-DED平行策略下的微观结构。。d激光丝材定向能量沉积（WL-DED）的α集束结构。e WL-DED的篮状编织结构。
图10激光丝材定向能量沉积 Al2319 的微观结构。
图11丝材定向能量沉积（DED）部件中的各类缺陷。a气孔。b裂纹。c氧化。d过熔与表面粗糙度。e变形。
图12原位后处理技术。
图13部件示例。a电弧丝材沉积（WA-DED）钛部件。b电弧丝材沉积（WA-DED）铝部件。c 激光丝材沉积（WL-DED）钛部件。d激光丝材沉积（WL-DED）铝部件。
图14电弧丝材和激光丝材定向能量沉积（DED）工艺中使用的过程监测技术示例。
图15电弧丝材和激光丝材定向能量沉积（DED）工艺中的控制方法。
图16电弧丝材和激光丝材定向能量沉积工艺中的数值模拟。
图17基于技术就绪水平对电弧丝材和激光丝材DED技术未来发展的预测（注：技术就绪水平（TRL）分级基于文献中报道的成功成果以及作者所掌握的最佳信息）
本研究对钛合金和铝合金的电弧丝材定向能量沉积（DED）与激光丝材定向能量沉积工艺进行了全面比较。电弧丝材DED利用电弧产生强烈热量，沉积速率较高，适用于优先考虑效率的应用场景。然而，由于热控制精度较低，该工艺可能会带来与热变形和残余应力相关的问题。相反，激光丝材DED采用高功率激光束，能够精确控制熔化过程，从而制造出复杂且精密的部件。这种高精度是以牺牲一定的沉积速率为代价，因此它非常适合强调精细细节、复杂几何形状和卓越表面光洁度的应用。热输入的控制是此次比较中的一个关键因素。激光丝材DED在这方面表现出色，减少了电弧丝材DED常见的热变形和残余应力问题。这种精确控制有助于改善材料性能，使其更适合对精度和高质量表面有要求的应用。两种方法都能适用于多种金属材料，但材料成分、焊丝直径和工艺参数等因素会影响它们的兼容性。如果能够解决生产具有可接受质量的合适焊丝尺寸方面的挑战，微电弧丝材和微激光丝材方法将带来变革。
在应用方面，电弧丝材定向能量沉积（DED）适用于沉积速度优先的场景，比如制造大型坚固部件。电弧丝材方法可用于制造力学性能与锻造材料相当的钛部件，但在铝合金加工方面仍需显著改进。另一方面，与铝合金相比，大多数关于激光丝材定向能量沉积的报告都聚焦于钛。不过，经后处理的部件在力学性能上有明显提升。总之，在电弧丝材和激光丝材定向能量沉积工艺之间做出选择，取决于对应用具体要求的透彻理解。从沉积速率到精度和表面光洁度，每种方法都有其独特的优势和权衡之处。尽管使用电弧丝材和激光丝材制造的部件展现出与锻造材料相当的力学性能，但关键应用部件的鉴定认证问题仍有待解决。通过审慎考虑这些因素，研究人员和从业者能够在为各种工业应用制造钛合金和铝合金时，充分发挥这些先进沉积技术的潜力。
论文链接：
Nagalingam, A.P., Shamir, M., Tureyen, E.B. et al. Recent progress in wire-arc and wire-laser directed energy deposition (DED) of titanium and aluminium alloys. Int J Adv Manuf Technol (2025). https://doi.org/10.1007/s00170-024-14967-w
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟
