摘要：相比粉末原料，丝材在定向能量沉积（DED）中具有更高的材料利用率、更低的污染风险，且能源消耗更优，符合高效、清洁制造的需求。而AWS-ER90S-B3钢丝作为送丝原料，具有优良的抗蠕变特性，适用于对高温稳定性有要求的场景，且Cr、Mo等合金元素可保证沉积后形成
研究背景
相比粉末原料，丝材在定向能量沉积（DED）中具有更高的材料利用率、更低的污染风险，且能源消耗更优，符合高效、清洁制造的需求。而AWS-ER90S-B3钢丝作为送丝原料，具有优良的抗蠕变特性，适用于对高温稳定性有要求的场景，且Cr、Mo等合金元素可保证沉积后形成贝氏体/马氏体组织，具备良好的力学性能基础。送丝定向能量沉积技术（包括LMD、PTA、GMA三种工艺）作为金属增材制造的重要分支，具有显著的工艺优势。相较于粉末床熔融（PBF）技术，DED更适合大型构件打印；且设备及材料成本较低，材料沉积速率高、效率高，性价比优于PBF。此外，不同能源驱动的工艺各具特色，如激光LMD具有高几何精度和细小组织等，可满足不同场景需求；而且通过优化工艺参数（如送丝速度、移动速度、热输入等），可调控沉积层的微观结构和力学性能，适配多样化应用需求。
尽管送丝定向能量沉积技术有显著优势，但其应用仍存在局限。一方面，电弧基工艺（GMA）表面光洁度和几何精度较低，难以满足高精度构件需求；激光LMD沉积速率低，不适合大型构件快速制造；另一方面，部分工艺易受电弧波动影响，可能导致熔池不稳定、飞溅等问题；高热能输入可能引发热影响区（HAZ）扩大、热变形等，影响构件质量一致性。目前，已有研究多集中于单一工艺的参数优化、微观结构与性能关联，以及特定材料的沉积特性，但缺乏基于不同能源（激光、等离子、电弧）的送丝定向能量沉积工艺综合对比分析，尤其是在热输入、沉积速率、微观结构及性能的系统性差异方面，尚未形成统一结论。
博洛尼亚大学在工程技术领域期刊The International Journal of Advanced Manufacturing Technology上发表了题为“A process-driven experimental analysis of different wire-fed Directed Energy Deposition processes employing the Laser, Electric Arc and Plasma sources”的研究成果。本研究调查并比较了三种送丝定向能量沉积(DED)技术：激光金属沉积(LMD)、等离子体转移电弧(PTA)和气体金属电弧(GMA)。研究人员使用每种DED工艺沉积了20层壁样品，并评估了热输入和沉积速率对微硬度、微观结构和元素组成的影响。结果表明，为了达到相似的沉积比例，PTA具有最高的热输入，而LMD具有最低的热输入。LMD产生更细的尺寸，GMA具有更高的沉积速率，而PTA允许更好的打印控制和更平滑的沉积物。硬度结果的顺序为：LMD>PTA>GMA，与能量密度相对应。所有壁体都呈现出贝氏体/马氏体的微观结构，其中LMD产生了相对更细的结构。该研究得出结论，每种DED工艺都有其自身的优势，选择取决于最终用户对沉积速率、工艺稳定性或几何精度的要求。
论文图片
图1 三种工艺装置示意图：(a) 熔化极气体保护焊（GMA），(b) 激光熔化沉积（LMD），(c) 等离子弧转移弧（PTA）
图2 每种DED工艺制备的沉积态壁体，示出取样方案及表征路径
图3 (a) LMD、(b) GMA和(c) PTA工艺的焊道横截面对比
图4 LMD工艺中不同送丝速度/移动速度（WFS/TS）比对热输入的影响
图5 在相近WFS/TS条件下，三种送丝DED工艺的热输入对比
图6 本研究中三种DED工艺的沉积速率
图7 (a) 各工艺沉壁的硬度分布曲线；
(b) 各DED工艺沉积壁的平均硬度
图8 (a-c) GMA、(d-f) PTA和 (g-i) LMD工艺沉积方向的光学显微组织图
图9 三种DED工艺壁体沉积方向的SEM扫描电镜照片：(a-c) GMA 顶部、中部、底部；(d-f) PTA 顶部、中部、底部；(g-i) LMD 顶部、中部、底部
图10 (a) 各沉积壁顶部、中部和底部区域的平均元素组成；(b) LMD沉积壁的EDS能谱分析图
关键结论
本研究对三种基于激光（LMD）、等离子（PTA）和电弧（GMA）的送丝定向能量沉积（DED）工艺进行了对比分析，得出以下主要结论：
1. 与GMA和PTA相比，LMD获得的焊道尺寸更小，且焊道尺寸会随着送丝速度/移动速度（WFS/TS）比的增大而增大。GMA和PTA的稀释率超过40%，而LMD的稀释率低于20%。在熔覆试验分析中，LMD工艺的板条状微观结构在WFS/TS比增大时会变得粗大，并形成多边形结构。
2. 从工艺角度来看，在相近的WFS/TS比下，PTA的热输入最高，LMD的热输入最低，GMA则处于中间水平。GMA工艺的沉积速率远高于LMD和PTA；然而，LMD的精细几何特征和PTA工艺的高稳定性各有其优势。工艺的选择应基于这些因素。
3. 与PTA和GMA相比，LMD制备的沉积壁硬度分别高出5.8%和10%。硬度分布在建造方向上呈现出小幅度波动，这与沉积壁的热历史有关。
4. 在沉积方向上观察到贝氏体/马氏体微观结构，且具有不同的形态特征。沉积壁顶部观察到带有细小渗碳体颗粒和原奥氏体晶界（PAGBs）的针状形态。每面沉积壁的顶部和底部区域的微观结构往往更细小，而中间区域的晶粒则略显粗大。这些结果与硬度分布一致。LMD的微观结构比PTA和GMA更细小。推测更高的能量密度会使微观结构更细小、材料硬度更高，反之亦然。
5. 能谱分析未发现偏析问题，表明合金元素分布均匀。各工艺的元素分析结果也具有可比性。
综上所述，这三种技术均可实现无缺陷沉积，具有均匀的硬度和元素分布且无偏析。而特定 DED 技术的选择应基于对时间和尺寸精度的要求。
论文引用
Iqbal, H., Ascari, A., Gianassi, C. et al. A process-driven experimental analysis of different wire-fed Directed Energy Deposition processes employing the Laser, Electric Arc and Plasma sources: Int J Adv Manuf Technol 138, 741–755 (2025).
DOI:https://doi.org/10.1007/s00170-025-15581-0
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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