过去几年，金属部件的增材制造（也称为 3D 打印）在工业中的重要性急剧增加。 然而，专门为这些工艺定制的合金严重缺乏。 这个问题将在 MatAM 研究项目的活动中得到解决。开发特别适合增材制造的金属高性能材料（主要是钢、铝和高熵合金），MatAM 研究项目由亚琛工业大学数字光子生产DPP研究院领衔，该项目由德国联邦教育和研究部 (BMBF) 和德国研究协会 (Deutsche Forschungsgemeinschaft) 资助。
本期，3D科学谷将通过项目相关论文《High-speed direct energy deposition as a high-throughput design tool for laser-based additive manufacturing》与谷友一起来领略揭示了 HS-DED 作为模拟 DED 和 PBF LB/M 条件的新颖工具的潜力，以及亚琛工业大学如何开发理论模型，用于计算所有三种过程（HS-DED、DED、PBF LB/M）的体积能量密度。
▲论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369023000683?via%3Dihub
MatAM研究项目的目标是开发特别适合增材制造的金属高性能材料（主要是钢、铝和高熵合金）。亚琛工业大学正在推动一种灵活的材料设计方法，其特点是计算机辅助和物理合金筛选的结合。研究人员使用最先进的增材制造技术，例如激光粉末床熔融和（高速）激光金属沉积。通过遵循复杂的集成计算工程（ICME）方法集成多尺度材料模拟和实验，可以对新型合金有更深入的基础了解，研究活动中还探索了进一步的机器学习方法。
▲图. (a) HS-DED极高速激光能量沉积增材制造、(b) HS-DED极高速激光能量沉积增材制造、(c) DED 激光能量沉积增材制造和 (d) PBF LB/M 粉末床选区激光熔融增材制造的 BSE 和相应分析的 BSE 显微照片。分析的 BSE 显微照片中的白色区域显示了 Laves 相。
© RWTH-亚琛工业大学
集成计算材料工程（ICME）是一门变革性学科，它通过将材料信息与加工和性能相结合的计算方法实现快速材料开发。将 ICME 融入增材制造工作流程可带来诸多好处，例如增材制造加工合金从最初配方到开发再到飞行认证零件生产的快速成熟。
可以看到，集成计算材料工程（ICME）正在成为增材制造领域合金开发的一条重要赛道，根据3D科学谷，ICME 方法正在得到广泛采用，不仅仅是本文研究中所提到的亚琛工业大学正在使用ICME方法，国际方面NASA 正在利用此类方法开发具有最佳3D打印特性的新型合金，包括新型耐火合金的可打印性和氧化物弥散强化镍基合金的增强机械性能。NASA 的 ODS-MEA 可在高达 1100°C 的温度下保持性能，并且在暴露于极端温度时不易受到有害相变的影响，这是镍基高温合金如 Inconel-625 和 Inconel-718 普遍存在的问题。
© 3D科学谷白皮书
研究背景与方法
快速合金开发（RAD）工艺需要考虑到化学成分的灵活性、元素粉末的充分混合和较短的开发时间。为了实现最佳性能，增材制造的部件不仅需要最佳的零件几何形状，还需要完美适合的合金。金属材料通过精确调整加工参数和化学成分来获得目标性能。目前这项有前途的技术的全部潜力尚未完全发挥出来。
对于这项强跨学科的研究，该项目聚集了RWTH亚琛工业大学多个研究所包括IEHK、DAP-数字增材制造研究所和 GfE 数字光子生产研究中心 (RCDPP) 内的设施。通过整合由BMW-宝马、Aconity3D、EOS、GKN-吉凯恩和 Oerlikon-欧瑞康公司组成的工业咨询委员会，将项目成果成功转化为工业应用。
在本研究中，采用高速DED-LB激光能量沉积增材制造工艺进行高通量样品生产，使用镍合金IN718作为参考材料以及增材制造工艺PBF LB/M选区激光金属熔融和DED-LB激光能量沉积增材制造工艺作为参考工艺。
使用光学显微镜和大面积扫描电子显微镜 (SEM) 分析结合能量色散 X 射线光谱 (EDS) 对所得微观结构进行表征和比较。
此外，还开发了体积能量密度计算模型来比较所应用的增材制造工艺。加工条件对所研究材料的凝固行为的显着影响可以有效地探索微观结构和相组成。
研究发现
特定的高速 DED-LB 工艺条件实现了在 PBF LB/M 和 DED-LB 生产的对应产品中观察到的平均凝固单元尺寸和 Laves 相含量。高速 DED-LB 工艺对于快速合金和工艺开发的适用性（即工艺可转移性）经过严格评估。结果表明，高速DED-LB可用于模拟PBF-LB/M和DED-LB的冷却条件，因此可用作快速合金开发的工具。
基于激光的直接能量沉积（DED-LB）是一种基于喷嘴的增材制造工艺，其中粉末被送入工艺中并在基材表面上逐层熔融。新的高速 DED-LB 激光能量沉积工艺，称为极高速激光应用（进一步称为 HS-DED，以区别于传统 DED-LB，由亚琛工业大学和德国 Fraunhofer ILT 弗劳恩霍夫激光技术研究所开发)，HS-DED也是一种DED工艺，与DED-LB相比，粉末的熔化独立于熔池，允许高达 200 m/min的高加工速度，并且粉末的混合独立于熔池动力学和偏析过程。预期的优点是过程中元素粉末的均匀混合以及高通量样品生产的可能性。
▲极高速激光能量沉积增材制造
© RWTH-亚琛工业大学
研究过程中对于熔池进行了表征，使用了VHX6000 LOM（Keyence Deutschland GmbH，德国），测量熔池并计算长径比。由于 IN718 的热导率较低（～11.4 W/Ks），因此在构建过程中热量会积聚，熔池会随着高度的增加而膨胀。因此，所有测量均从大约 150 – 250 µm 建筑高度开始的熔池中进行。高度是平行于建筑物方向测量的，宽度是垂直于建筑物方向测量的。对于微观结构分析，使用场发射枪 SEM（Carl Zeiss AG，德国）以及二次电子 (SE)、背散射电子 (BSE) 和 X-Max 50 EDS 检测器（Oxford Instruments PLC，英国）。结合 SE、BSE 和 EDS 测量来确定平均凝固单元尺寸、Laves 相含量和元素偏析。使用线截距法计算平均凝固单元尺寸。使用 MATLAB（Mathworks Inc.，美国）使用自定义分水岭图像处理算法对 BSE 数据进行处理和分析，以得出 Laves 相内容。
为了比较不同的增材制造工艺，根据工艺过程中激光与材料的相互作用，亚琛工业大学的项目团队开发了计算不同工艺的体积能量密度（EV）的理论模型。
结果与讨论
这项工作的目的是验证 HS-DED 作为 AM 工艺 DED-LB 和 PBF LB/M 的模拟器。因此，通过上述增材制造工艺制造的 IN718 样品的工艺条件和微观结构之间的相关性已经确定。
研究结果很有希望，表明 HS-DED 可以重现 PBF LB/M 和 DED-LB 零件的冷却条件范围和微观结构特性。
结果表明，HS-DED 工艺可用于模拟 IN718 的 DED 和 PBF LB/M 工艺。理论 EV 模型显示 HS-DED 和 DED 以及 HS-DEDf 和 PBF LB/M 具有相似的值。由此产生的关于凝固单元尺寸、Laves 相含量和形态的微观结构也揭示了这种相关性。经验证，冷却速率对微观结构具有主要影响，可用于连接不同的工艺研究。对于快速合金开发，亚琛工业大学项目团队所提出的方法能够快速筛选宽广的合金空间，并且有潜力加快发展进程。
这一突破证明了 HS-DED 不仅在快速合金开发方面具有潜力，而且在提高增材制造工艺的效率和可持续性方面也具有潜力。
展望未来，这项研究对制造业及其他行业的影响意义重大。通过简化合金开发流程，亚琛工业大学与Fraunhofer激光研究所开发的HS-DED 能够加快创新周期、减少材料浪费并创造更可持续的产品。
论文应用信息：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369023000683?via%3Dihub
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