利用单脉冲粉末喷射定向能量沉积技术制备高长径比的金属销

《CIRP Annals》：Using single pulses in powder-blown directed energy deposition to fabricate high-aspect-ratio metal pins

　　Wessel W. Wits | Shenliang Yang | Jos Vroon | Scholte J.L. Bremer
NLR – 荷兰皇家航空航天中心，Marknesse，荷兰

**摘要**
本研究探讨了使用粉末喷射定向能量沉积技术制造高纵横比金属针刺的方法。针刺是通过连续的激光脉冲沉积钛合金Ti6Al4V作为材料来实现的。研究开发了一个集物理、分析和数值于一体的框架，用于预测针刺的几何形状、生长过程以及沉积过程中的温度变化。该框架结合了原位温度测量、解析几何模型和有限元热模型，以预测熔池的寿命。结果显示，模型预测与实验观察结果之间存在良好的一致性，从而能够在优化的工艺参数下实现可控的恒直径垂直针刺生长，这对于混合金属复合材料的连接和结构修复等应用至关重要。

**1. 引言**
目前金属增材制造（AM）技术的最新进展结合了高精度、多材料沉积以及先进的工艺监控和仿真，能够近乎净成形地制造复杂的高性能部件[1]。定向能量沉积（DED）作为一种独特的AM子技术，其特点是原料在聚焦能量源产生的熔池中现场送达[2]。DED具有较高的沉积速率、多材料处理能力、跨长度尺度的适用性以及适用于修复的任务[3]。然而，DED过程受到能量源、原料和熔融材料之间高度瞬态多物理相互作用的影响，导致熔池不稳定性和几何形状的可变性[4]。因此，现有的DED研究主要集中在连续轨迹几何形状上，如薄壁和块状结构[5]，而离散的高纵横比结构（如细长的垂直针刺）的制造仍相对较少。

在混合金属复合材料连接和结构修复等应用领域，高纵横比结构是重要的承力元件。许多综述中讨论了类似针刺的结构，以提高混合连接的性能[6,7]。据报道，小型金属针刺可以通过增强界面剪切强度并抑制分层来显著提高载荷传递能力和耐损伤性[8]。迄今为止，已采用激光粉末床熔合[9]和冷金属转移[10]等AM方法；然而，这些方法要么难以作为修复技术应用，要么无法制造亚毫米级的结构[11]。相比之下，基于粉末喷射的脉冲DED技术结合了几何灵活性和修复能力，能够在不引起残余应力导致的额外变形的情况下，直接在现有部件上制造局部的针刺形机械互锁结构[12]，且无需额外的工具或后处理[13]。此外，通过调整工艺参数，DED还可以灵活控制针刺的几何形状、阵列密度和冶金结合，从而实现定制的互锁性能和可靠的载荷传递。

使用粉末喷射DED技术制造针刺是一个独特的挑战。仅有少数文献参考了类似的研究：Aladag等人[14]描述了金属互锁地形的DED制造过程；然而，他们的目标是在圆柱轴上创建一个球体，而不是细长的针刺。

为了实现使用粉末喷射脉冲DED技术的高纵横比金属针刺的连续垂直生长，需要完全理解连续脉冲之间的温度变化过程。图1左上角的插图展示了使用常规工艺参数进行初步试验时得到的低质量针刺结果。为填补这一研究空白，本研究开发了一个集物理、分析和数值于一体的框架。所提出的框架结合了原位温度测量、解析几何模型以及基于有限元（FE）方法的热模型。利用该框架，我们（1）逐脉冲估计针刺的几何形状生长；（2）捕捉针刺-基底系统的瞬态温度演变；（3）量化每个脉冲的熔池寿命，作为针刺生长速率的指标。这些结果为可控的垂直针刺生长提供了定量指导，如图1右上角的插图所示。

**2. 建模与仿真**
首先开发了一个解析模型，根据工艺参数设置预测每次脉冲沉积后的形状，并通过初步实验观察进行校准。接下来，将得到的几何形状转移到基于FE的模型中，分析沉积过程中的热行为。为了根据激光功率和脉冲持续时间等工艺参数预测制造的针刺几何形状，开发了一个解析模型。该模型假设每个脉冲施加的激光能量用于将一定量的材料加热到熔化温度。输入的激光能量Q˙L表示为：
\[Q˙L = PLtp\eta(1 - \alpha_\text{loss,}p)\]
其中，PL是激光功率[W]，tp是脉冲时间[s]，η是激光吸收系数[-]，\(\alpha_\text{loss,}p\)是一个经验性的、与脉冲相关的损失系数[-]，用于考虑由于传导、对流和辐射以及底层材料的重新熔化而产生的热损失。对于钛合金Ti6Al4V，先前的研究中发现其激光吸收系数为0.45[15]。

加热到熔化温度的材料量可以通过体积热容量公式计算得出：
\[Q^\prime_\text{th} = m cp\Delta T + L = V_m\rho(cp(T_{\text{melt} - T_{\text{amb}}) + L)\]
其中，Vm表示沉积体积[m^3]，\(\rho\)是材料密度[kg/m^3]，\(cp\)和\(L\)分别是比热容[J/kg·K]和熔化热[J/kg]，\(T_{\text{melt}}\)和\(T_{\text{amb}}\)分别是熔点和环境温度。假设沉积体积沿沉积方向（z轴）呈半球形扁平化，公式为：
\[V_m = \frac{1}{2}\cdot 4\pi r^3 f_{ecc,}p\]
其中，\(r\)是球体半径[m]，\(f_{ecc,}p\)是一个与脉冲相关的偏心率系数[-]，用于将球体 flattening 成椭球体，如图2(a)所示。由于底层材料的重新熔化，半球形体积被重新分布，使来自底层球体顶部的（熔融）材料移至周圈，形成高纵横比的针刺。为此定义了一个经验性的堆叠系数\(f_{\text{stack}} = 0.6\)，用于降低脉冲堆叠高度，如图2(b)所示。

表1列出了与脉冲相关的两个系数，这些系数是基于初次沉积试验实验确定的，试验中依次manufactured了6个针刺，脉冲次数从1增加到6。前两个脉冲由于基底的存在导致热损失较大，因为基底具有较大的热质量，能快速散热。从第3个脉冲开始，达到稳态，此时沉积的针刺本身成为主要的损失因素。同样，对于第1个脉冲，偏心率系数由平基底上的初始材料沉积决定；而对于从第2个脉冲开始的脉冲，该系数由前一个脉冲产生的椭球体顶部决定。

图2(c)展示了基于方程（1）-（3）的解析模型结果。每个脉冲表示为堆叠在一起的半球形结构。图中结果显示了连续6个脉冲制造出的针刺结果，并将其用于FE热分析中，以模拟逐脉冲的材料沉积过程。

商业FE求解器ABAQUS用于模拟逐脉冲DED过程中针刺-基底系统的热响应。图3展示了开发的FE模型的初始几何形状、基于脉冲的元素网格策略和热边界条件。

仿真开始时，所有与针刺相关的元素都被禁用。然后根据预先预测的半球形形状和预定义的沉积时间，依次激活相应元素，实现针刺的逐脉冲垂直生长。每个脉冲涉及两个步骤的热分析：加热和冷却。在加热阶段，首先对第1脉冲的基底顶表面或后续脉冲的先前沉积材料进行0.002秒的加热（第1阶段）。之后，激活当前脉冲相关的元素，并将加热区域移至新添加材料的顶表面，相应地更新对流和辐射热传递边界条件（第2阶段）。

预测针刺-基底系统的温度基于求解三维热传递偏微分方程（即热方程）。采用线性热传递元素（DC3D8）进行计算。针刺的网格大小设为50 μm，而从针刺到底部及侧面表面的网格逐渐变粗，以提高计算效率。热分析共使用了35,598个DC3D8元素，为针刺-基底系统的一半部分进行计算，同时假设圆形对称性以降低成本。请注意，在每个时间增量中，只有激活的元素参与瞬态热分析，而未激活的元素则不参与温度更新。温度随时间和空间的变化基于材料的温度依赖性质（包括\(\rho\)、\(cp\)和\(k\)计算得出。高斯表面热源模型用于表示激光源在脉冲DED过程中的能量输入，公式为：
\[q^\prime = PL\eta\frac{2\pi r^0}{2}\exp\left[-\left(\frac{x - x_0}{2}\right)^2 + \left(\frac{y - y_0}{2}\right)^2\right]\]
其中，\((x_0, y_0)\)表示热源模型的中心，\(r_0\)是热源光斑半径[m]。对于每个后续脉冲，通过ABAQUS用户子程序DFLUX将热源模型应用于相应的加热区域。

由于对流和辐射引起的冷却通过牛顿冷却定律和斯特藩-玻尔兹曼辐射定律进行模拟：
\[q^\prime_c = hc(T - T_{\text{amb}}\]
\[q^\prime_r = \sigma \epsilon(T^4 - T_{\text{amb}^4)\]
其中，\(q^\prime_c\)和\(q^\prime_r\)分别是针刺-基底系统暴露表面向环境的对流和辐射热通量。\(hc\)是热传导系数[W/m^2·K]，其值根据材料性质确定[16]。高斯表面热源模型用于表示激光源在脉冲DED过程中的能量输入。

**3. 实验方法**
使用配备IPG YLS-2000光纤激光器（激光束腰半径为0.33 mm）和Medicoat Flowmotion粉末供给器的BeAM Modulo 400设备来制造针刺。Modulo 400包含一个充满氩气的惰性构建室，针刺以脉冲方式沉积在其中。沉积过程由两个摄像系统监控：一个常规日光摄像机和一个红外（IR）热摄像机。使用Keyence VHX-1000数字光学显微镜进行后处理光学显微镜观察，以确定每个针刺的宽度和高度。

每次试验中，连续沉积6个针刺，相邻排列。从图4左上角的插图可以看出，针刺1由单个脉冲形成，之后脉冲次数逐步增加至6个。每个脉冲的激光开启时间由DED系统确定。第一个脉冲始终在激光和粉末焦平面都位于基底表面的情况下进行沉积。后续脉冲之间的间隔约为0.7秒，此时沉积头向上移动0.34 mm。在针刺沉积过程中，通过3 L/min的氩气载体气流实现1 g/min的连续质量流。粉末流动由3 L/min的中央氩气气流和6 L/min的辅助气流共同控制。航空航天级钛合金Ti6Al4V被用作粉末原料和基底材料。下载：下载高分辨率图像（193KB）下载：下载全尺寸图像。图4. 实验装置概览；插图显示了两组制造的针状物以及热成像相机记录的快照。针状物6的热历史通过位于基底底部并与针状物中心轴对齐的热电偶以及热成像相机进行捕捉。热电偶连接到一个采样率为8 Hz的Eurotherm 6100A记录仪上。热成像相机是FLIR A70，它位于构建室内，从侧面观察针状物的制造过程。沉积过程的帧率为30 Hz，分辨率为640 × 480像素。图4展示了完整的实验装置，包括热成像相机的观察角度、脉冲1期间热成像相机记录的快照，以及从1脉冲针状物到6脉冲针状物的两组制造好的针状物。

4. 结果与讨论
经过大量的试错实验和持续的微观观察，发现表2中列出的工艺参数能够产生直径一致且脉冲间连接均匀的针状物。由于前两个脉冲向基底散热较多，因此需要更高的初始激光功率来实现稳定的针状物生长。为了进一步验证模型，按照表2中的工艺设置重复制造了1-6号针状物，共四次。

表2. 优化的DED工艺参数设置
空单元
激光功率 [W]
脉冲时间 [s]
延迟时间 [s]
脉冲1 291 0.66 0.632
脉冲2 234 0.068 0.638
脉冲3 177 0.068 0.634
脉冲4 177 0.068 0.638
脉冲5 177 0.068 0.632
脉冲6 177 0.066

图5的顶部插图展示了一组针状物的制造结果。该序列显示了高长宽比针状物的发展、每次脉冲后稳定的针状物生长以及一致的针状物直径。每次脉冲后测得的针状物尺寸（即宽度和高度）用灰线在图表中表示。黑线表示分析模型的结果。图表显示模型与实验之间的相关性良好。总体而言，每次脉冲后的针状物几何形状可以以5%的准确度预测。此外，各个实验之间的变异性相对较低，表明工艺窗口较为稳定。下载：下载高分辨率图像（187KB）下载：下载全尺寸图像。图5. 连续六次DED脉冲后的针状物尺寸；顶部插图展示了单个针状物以及分析模型的叠加结果。

图5表明，连续的脉冲不会改变针状物的直径。与图1左上角插图所示的初步试验结果相比，当前工艺参数（其中脉冲1和脉冲2根据基底的热影响进行了调整）优化得更好。在这种情况下，针状物直径约为1.1毫米；然而，通过调整例如粉末质量流量，还可以进一步提高这一数值。每次脉冲的针状物生长速率也相对恒定，平均生长量为0.25毫米，除了脉冲1，其初始半球形部分的平均高度为0.33毫米。

两个独立制造的6脉冲针状物的测量温度曲线与开发的热模型的仿真结果在两个选定位置进行了比较。图6(a)显示了通过附在基底底部表面的热电偶测得的焦点1（FP1）的温度。测量温度在每个脉冲引起的拐点处呈现出逐渐、分段平滑的增加。由于针状物生长过程中测量点与加热位置之间的热传导长度增加，以及由于针状物表面逐渐增大而导致的对流和辐射热损失增加，测量到的脉冲间温差逐渐减小。下载：下载高分辨率图像（207KB）下载：下载全尺寸图像。图6. (a) 焦点1和(b) 焦点2处测量温度与仿真温度的比较。模型也捕捉到了FP1处温度的逐渐升高；然而，预测的温度始终高于实际测量值。这种差异可以归因于对模型中针-基底系统的有效热输入过高，因为忽略了与捕获效率相关的水分损失；也就是说，并非所有加热的粉末颗粒都被熔池捕获。由于连续的屏蔽气体流动，一小部分加热的粉末颗粒被分散，从而将热能从针-基底系统中带走。因此，与实验相比，模型中引入了更多的能量，导致对FP1处热历史的预测过高。随着针状物的生长，由于高温下的热量散发增加，这种过高的预测会降低。

焦点2（FP2）跟踪了针状物基部的温度，如图6(b)所示。在这里，IR相机以针-基底界面正上方的焦点捕捉温度曲线。在前两个脉冲期间，此处没有固体材料，IR相机直接观察到熔池，导致图像饱和。前两个模拟的峰值温度也表明此处达到了熔化温度。从脉冲3开始，测量的温度曲线被可靠地捕捉并在图中显示。随着脉冲3之后针状物的继续生长，测量和预测的温度曲线比较吻合，证明了所开发的FE模型能够基于分析模型预测的元素形状来捕捉针-基底系统的瞬态温度演变。

从热仿真中可以确定熔池寿命，即从激光加热开始到熔化结束的时间持续时间。这如图7所示。熔池寿命的变异性是由实际制造的针状物几何形状的变化决定的（图5）。在熔池寿命期间，针状物能够捕获质量流量，因此能够生长。该图显示熔池寿命相对稳定，特别是在第二次脉冲之后，这与图5中观察到的恒定针状物生长速率相符。

根据图5中测量的脉冲间几何形状，可以确定每次脉冲的平均质量增量。同样，分析模型中的方程(2)也可用于预测每次脉冲的质量增量。最后，根据粉末质量流量、能够接受颗粒的熔池寿命（图7）和捕获效率，也可以估算每次脉冲的质量增量。这些结果如图8所示，其中阴影区域涵盖了80%到100%捕获效率之间的预测范围。图表表明三种分析方法之间有较好的一致性。如前所述，一小部分粉末可能被分散，因此最佳拟合为84%的粉末捕获效率。特别值得注意的是，熔池寿命可以与针状物质量生长速率相关联。这可能为调整DED工艺参数以满足特定针状物生长要求提供进一步的指导。

5. 结论
本研究开发了一个集成了物理、实验和分析/数值方法的框架，用于预测使用基于脉冲的DED技术制造的高长宽比金属针状物的热历史和生长过程。使用预测脉冲间几何形状增长的分析模型作为FE热模型的输入。结果表明实验观察结果与模型预测之间有很好的一致性，证明了这种新方法的有效性。通过优化的基于脉冲的工艺参数集，制造出了高长宽比的金属针状物，并实现了统一的针状物生长速率。未来的工作将包括通过优化质量流量、激光功率、脉冲和等待时间来进一步研究针状物生长策略，并通过热模型分析其效果。

作者贡献声明：
Wessel W. Wits（第2作者）：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原始草稿、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、资金获取、形式分析、概念化。
Shenliang Yang：撰写 - 原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。
Jos Vroon：撰写 - 原始草稿、可视化、方法论、调查。
Scholte J.L. Bremer：撰写 - 原始草稿、调查。