LP-DED激光粉末定向能量沉積是什么？有哪些優(yōu)勢及應(yīng)用領(lǐng)域？

作者：Huaray 更新時間：2024-03-26 點擊數(shù)：

由于在形狀設(shè)計、零件功能和材料效率方面的可能性，增材制造（AM）技術(shù)被認(rèn)為是制造業(yè)的未來。由于對增材制造AM工藝和最終零件特性的了解不斷增加，AM技術(shù)在許多工業(yè)部門的使用也在增長。激光粉末定向能沉積（LP-DED）技術(shù)是最有前途的增材制造AM技術(shù)之一，它使用激光產(chǎn)生熱源在注入金屬粉末的基板上生成熔池，將材料直接輸送到熔池中，使得現(xiàn)有零件在建造過程中更換材料的機會，從而形成功能梯度材料。

激光粉末定向能沉積（LP-DED）工藝：

LP-DED系統(tǒng)的示意圖如圖所示。它由四個基本元件組成：激光器、電機、進(jìn)料機構(gòu)，依次由粉末給料機、沉積頭和控制單元組成。

在LP-DED工藝中，聚焦激光束用于在基板或建筑平臺上產(chǎn)生熔池。然后，噴嘴或沉積頭通過載氣將粉末材料送入生成的熔池。當(dāng)粉末材料進(jìn)入熔池時，它會立即熔化，從而增加液體材料的體積。當(dāng)激光離開時，熔融材料快速凝固，并獲得凸起的軌跡。在生成的熔池附近的工作區(qū)域，使用保護(hù)氣體防止氧化。

激光粉末定向能沉積（LP-DED）市場優(yōu)勢：

部件的損壞可能由腐蝕、熱應(yīng)力、可變熱循環(huán)和沖擊等多種現(xiàn)象引起。受損部件通常由新零件更換；但是，在某些情況下，修復(fù)它們更方便。當(dāng)維修后的部件具有較高的經(jīng)濟價值時，就是這種情況。這一高價值來源于生產(chǎn)組件所需的復(fù)雜操作和使用的寶貴材料。因此，修復(fù)這些組件可能意味著顯著的成本節(jié)約。

在工業(yè)中，鎢極惰性氣體（TIG）焊接是第一種用于修復(fù)受損部件的技術(shù)。盡管TIG工藝的適用性相對簡單，但它會在修復(fù)部件中產(chǎn)生大量熱量，從而導(dǎo)致高殘余應(yīng)力和變形。另一方面，等離子轉(zhuǎn)移電弧焊（PTAW）和電子束焊接（EBW）工藝滿足了低熱量輸入的要求；然而，他們的設(shè)備更加復(fù)雜和昂貴。

迄今為止，在其他技術(shù)中，LP-DED工藝是修復(fù)受損部件最常用的工藝之一，因為與傳統(tǒng)工藝相比，LP-DED工藝的熱量輸入更少，翹曲和變形更少，精度更高。此外，修復(fù)零件的機械性能也很有前景和吸引力。

激光粉末定向能沉積（LP-DED）應(yīng)用

主要應(yīng)用四個領(lǐng)域：零部件及工具的表面強化；殘損零件和工具的改造和修復(fù)；多金屬材料復(fù)合工件的加工制造；復(fù)雜大型工件的直接成型制造。金屬粉末定向能量沉積可適用于鈦合金、鋁合金、鎳合金、高熵合金、不銹鋼、碳鋼等材料的增材制造；可進(jìn)行零件激光修復(fù)、激光3D打印機合金化等多種加工工藝；可擴展為四軸機床或五軸機床，適用于各類大型復(fù)雜零件的快速成型，如發(fā)動機葉片修復(fù)，軸類零件修復(fù)等。例如：航空航天。

航空航天部門的特點是使用高性能材料生產(chǎn)的部件，如Ti6Al4V和Inconel，由于制造困難和幾何形狀復(fù)雜，這些部件非常昂貴。通過維修受損部件而不是更換部件來大幅降低成本的可能性是該領(lǐng)域維修應(yīng)用的驅(qū)動力。LP-DED工藝由于其高精度和修復(fù)部件中產(chǎn)生的最小變形，允許在尺寸偏差和冶金結(jié)合方面獲得可接受的結(jié)果，因此是航空航天領(lǐng)域的最佳修復(fù)工藝。

在航空航天部門使用LP-DED工藝可以減少材料浪費，從而帶來環(huán)境效益。修復(fù)尖端部分受損的316L不銹鋼刀片。修復(fù)后的葉片顯示出良好的結(jié)果，相對于標(biāo)稱幾何形狀，精度約為0.03 mm。此外，生命周期評估（LCA）顯示了在維修作業(yè)中使用LP-DED過程的有效性。具體而言，當(dāng)維修量約為10%時，使用LP-DED工藝，與更換新工藝相比，碳足跡改善了45%，總節(jié)能約36%。

然而，在航空航天領(lǐng)域，眾所周知，零件的質(zhì)量是優(yōu)先考慮的；因此，進(jìn)行了數(shù)十項可行性研究并加以應(yīng)用。因此，學(xué)術(shù)和工業(yè)層面的不同研究人員通過測試工業(yè)利益的案例研究，研究了LP-DED工藝修復(fù)應(yīng)用的可行性。使用LP-DED工藝修復(fù)AM355鋼T700整體葉盤，該整體葉盤因翼型前緣的侵蝕效應(yīng)而受損。通過50000次低周疲勞旋轉(zhuǎn)試驗和60000 rpm旋轉(zhuǎn)試驗對維修進(jìn)行了機械驗證。

除了工藝參數(shù)外，沉積策略也是影響零件質(zhì)量的另一個因素。優(yōu)化沉積策略，以便在鉻鎳鐵合金718燃?xì)廨啓C燃燒器的維修操作期間將尺寸偏差降至最低，并獲得規(guī)則的幾何形狀。例如修復(fù)Ti6Al4V樣品，分析了零件厚度、沉積策略、沉積層數(shù)量、初始溫度和層間停留時間對修復(fù)零件質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，熱影響區(qū)主要受零件厚度的影響；特別是，厚零件的特點是相對于薄零件，熱影響區(qū)較小。孔隙度僅受沉積層數(shù)的輕微影響，并隨沉積層數(shù)的增加而增加。然后，觀察到硬度受基體初始溫度的影響，溫度越高，由于熱梯度越小，硬度值越低。