导读
:
超高速激光定向能沉积技术以其优异的加工效率在大规模工业零部件制造中受到广泛关注。然而，先前粗糙面层不均匀导致的层间冶金缺陷和厚度波动堆积阻碍了高性能定制厚度的大规模元件的制备。为此，提出了一种集成的极高速增材制造技术，即极高速激光定向能沉积伴随极高速激光重熔，以消除多孔性，重建多层零件的微观结构。当离焦量小于零时，重熔试样呈现均匀的粗糙度和超细晶粒。重熔过程中相对较低的温度梯度
G
和形态因子
G/R
有利于过冷，进一步促进了更多的形核位点，有利于晶粒细化和柱向等轴转变。进一步制备了层间重熔处理的多层
316l
不锈钢材料，得到了典型的以超细等轴晶粒为主的非均质组织。具有这种特殊结构的多层试样的屈服强度达到
546 MPa
，塑性达到
49.1%
。这种新型的集成制造技术突出了一种新的策略，可以扩大极高速的增材制造窗口，同时实现大规模部件的制造效率和性能的提高。
增材制造
(AM)
是工业可持续发展和技术创新的关键技术，因为它可以制造复杂结构的部件，提高原材料利用效率，减少
产品开发时间和能源消耗。这推动了人类制造能力进入一个自由形式设计的时代，不仅是设备的设计，而且是制造部件的内部结构的设计。叠层结构、分层结构、谐波结构材料等具有微观结构异质性的材料已被证明是改善构件力学性能的有效结构设计。与冷轧、表面处理、激光冲击强化等传统塑性变形技术加工非均质组织相比，增材制造在打破尺寸和形状约束方面具有优势。特别是对于主要用于支撑传动、传递扭矩和承受载荷的轴类零件，其表面是损坏的主要部位。然而，在轴类零件上制备具有空间异质结构的高性能保护涂层，缺乏经济、通用的加工方法。
随着轴类零件向大型化方向发展，高沉积速率的增材制造工艺越来越受到人们的重视。近二十年来，冷喷涂
(CS)
、激光辅助冷喷涂
(LACS)
和常规激光定向能沉积
(ed - lb)
等高效涂层增材制造技术得到了广泛的研究和应用。
CS
和
LACS
是典型的固态粉末沉积工艺，可以保持原料粉末的原始特征和性能。因此，可以避免氧化的形成和任何其他不利的结构变化，并提高涂层的耐久性。然而，由于固有的孔隙率和颗粒间不完全结合，
CS
沉积通常具有不利的力学性能。虽然
LACS
利用激光照射对颗粒进行瞬时加热和软化，增强颗粒塑性变形和颗粒间的冶金结合，但由于激光产生的高热应力，沉积层的变形和分层是难以避免的。此外，
CS
和
LACS
涂层由于涂层与基材之间的机械结合较差，附着力有限，在技术上受到限制。
近年来，
Fraunhofer ILT
提出了一种先进的极高速速率
ed- lb (EHLDED)
，克服了效率限制，可以实现高扫描速度
(20-200 m/min)
。近年来的研究表明，
EHLDED
在构件表面制备耐磨防腐防护涂层方面发挥着重要作用。
到目前为止，
EHLDED
主要用于旋转对称部件的磨损和腐蚀保护，例如经济型制动盘或液压缸的磨损和腐蚀保护。然而，对于非对称零件，考虑到激光扫描速度的极高运动速率，实现高效制造仍然存在许多挑战。有一个管理系统的需求，允许在三轴精确运动，并提供高重复精度的制造其他几何形状。为了使该工艺能够以与现有速度相当的扫描速度用于增材制造，
Fraunhofer ILT
与
Ponticon GmbH
合作开发并构建了一个高动态机器系统，以实现
EHLDED
从
2D
到
3D
沉积的升级
[15]
。基于三脚架式并联机械手的原理，它允许构建平台或加工头非常快速和精确地移动。该系统具有所有空间方向的路径和重复精度，使精确和极高的沉积制造成为可能。目前样机仍处于研发阶段，尚未实现工业应用。
超高速激光重熔
(EHLR)
被提出用于改善孔隙率、显微组织和力学性能。
EHLR
可以消除元素偏析，使表面平整，促进晶粒细化，使组织非均质化。一方面，一体化工艺有望消除层间冶金缺陷，另一方面，不影响
EHLDED
极高的沉积效率。然而，
EHLR
影响微观结构特征演变的基本机制尚未报道。因此，有必要明确
EHLR
处理对改变组织和提高力学性能的作用。需要进一步系统研究其增强机理，为工业应用提供理论依据。
在本研究中，江苏大学鲁金忠团队开发了一种结合极高速激光定向能沉积和极高速激光重熔的新型集成极高速增材制造技术，称为
EHLD
ED-
EHLR
。
EHLR
方法显著改善了晶粒细化和
CET
，有助于形成明显的空间非均质结构。对
EHLDED
和
EHLR
过程进行了温度场和凝固过程的联合模拟分析，以研究熔池动力学和显微组织演变的差异。结果表明，
EHLR
处理显著影响了合金的温度梯度和凝固行为，导致了特殊的组织复合现象。
相关研究成果以
“
High-performance functional coatings manufactured by integrated extremely high-speed-rate laser directed energy deposition with interlayer remelting
”
发表在
International Journal of Machine Tools and Manufacture
上
链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0890695524000609?via%3Dihub
图
1
对涂料增材制造技术的特点进行了详细的比较。其优点和缺点在于粉末颗粒沉积的形式
:
固态工艺可以最大限度地减少热效应，而熔融状态工艺可以使冶金结合提高机械性能
图
2
超高速激光定向能沉积
(EHLDED)
和超高速激
光重熔
(EHLR)
实验详细情况
:(a)
自行研制的实验设备示意图
;(b)
激光束、粉末流与基体的接触关系
;(c)
表面重熔过程的示意图和本工作中使用的数值方法
;(d)
多层涂层制备策略示意图
;(e) 16
层多层涂层和
(f)
拉伸试样的精确取样位置和几何尺寸
(mm)
图
7
电子背散射衍射探测器
(EBSD)
显示了不同离焦条件下沉积和表面重熔试样近表面区域的截面微观结构演变
:(a-j)
典型的微观结构特征、晶界、几何必要位错
(GND)
密度
;
以及
(k-m)
不同散焦量下晶粒尺寸、晶界和几何上必要的位错密度的演变
图
13 (a)
多层沉积样品的亮场透射电镜
(BF TEM)
和高角环形暗场扫描透射电镜
(HAADF STEM)
图像及其相应的能量分散光谱
(EDS)
线扫描结果和高分辨率透射电镜
(HRTEM)
图像显示了纳米级氧化物的边界和内部区域的形貌
;(b)
亮场透射电镜
(BF TEM)
和高角环形暗场扫描透射电镜
(HAADF STEM)
图像显示了多层集成制造样品的形貌和纳米级氧化物，以及相应的能量分散光谱
(EDS)
映射结果
;(c)
高分辨率透射电子显微镜
(HRTEM)
图像显示纳米级氧化物的边界和内部区域，具有相应的选择区域电子衍射
(SAED)
模式
图
17
多层沉积和集成制造样品的成核带示意图
图
18
多层
(a)
沉积态和
(b-d)
集成制造工艺的显微组织演变和凝固示意图
本研究提出了一种结合极高速激光定向能沉积
(EHLDED)
和极高速激光重熔
(EHLR)
的极高速集成增材制造技术，制备具有典型空间非均质结构的高性能功能涂层，为工程关键旋转部件防护涂层的制备提供经济实惠、通用的加工方法。研究了优化散焦量的层间超高速激光重熔诱导的显微组织重构对
316l
涂层力学性能的影响。
以极高速负离焦量激光重熔为基础的一体化极高速增材制造技术，拓宽了激光增材制造制备功能涂层的应用范围。涂层的性能在很大程度上取决于制造过程中引入的微观组织演变、孔隙率、结合方式等因素的特征。从本质上讲，这种集成的极高速增材制造技术代表了基于极高速激光定向能沉积的最方便和最具成本效益的原位强化技术，能够解决冷喷涂和激光辅助冷喷涂固态过程中的粘附强度和孔隙率问题，以及传统激光定向能沉积中的热效应和大晶粒尺寸问题。这种集成技术是降低孔隙率和表面粗糙度，重建微观结构，重新分配材料成分以及提高力学性能的有效方法。在本研究中，通过该集成技术制备了
