《NPJ》新研究：界面策略在多尺度混合定向能量沉積中的作用

2025年9月24日，南極熊獲悉，佐治亞理工學(xué)院的工程師們開展了一項系統(tǒng)性研究，探討了界面策略如何影響混合增材制造中的零件質(zhì)量，包括了線材和粉末定向能量沉積 (DED) 兩種技術(shù)。

相關(guān)研究以題為“On the role of interfacestrategy in multi-scale hybrid additive manufacturing”的論文發(fā)表在《npj Advanced Manufacturing》雜志上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44334-025-00034-z

論文評估了七種樣品配置，發(fā)現(xiàn)雖然加工表面可以提高密度，但打印界面有時在韌性方面表現(xiàn)得同樣出色甚至更好，這凸顯了工業(yè)用戶面臨的權(quán)衡取舍。

實驗將采用電弧 DED（DED-arc）沉積的ER70S-6低碳鋼與采用激光粉末 DED（DED-LP）沉積的H13工具鋼配對。測試了四種界面策略：將激光隔離平面映射到電弧表面、應(yīng)用最小二乘最佳擬合平面、選擇最大表面高度作為參考以及加工電弧表面。每種策略都與第一層粉末的平行（“同向”）或垂直（“反向”）方向相結(jié)合。在這些配置中，與底層 DED-arc 表面相比，DED-LP 工藝的自調(diào)節(jié)效應(yīng)將表面平整度變化降低了 55%。然而，電弧焊固有的硅酸鹽和氧化物等表面污染物使密度從加工樣品的 99.5% 降低到未加工樣品的 92.4%。

△異步 DED-arc 和 DED-LP 過程的可視化。圖片來自佐治亞理工學(xué)院。

孔隙度分析顯示，當(dāng)DED-LP涂層直接沉積在受污染表面時，孔徑在100至425微米之間，而機加工對照組則沒有出現(xiàn)大孔。硬度圖顯示，當(dāng)DED-LP涂層逆向沉積時，硬度從H13涂層的約650 HV急劇過渡到鋼基體的約200 HV，而當(dāng)DED-LP涂層順向沉積時，硬度過渡則較為平緩，這表明混合存在差異。夏比沖擊試驗凸顯了這些效應(yīng)的復(fù)雜性。

吸收能量范圍從機加工樣品的105 J到非機加工樣品的145 J，表明更高的密度并不一定意味著更高的韌性。統(tǒng)計分析證實了這一點：密度與韌性僅呈微弱的負(fù)相關(guān)性（-0.46），而圓弧平整度則表現(xiàn)出很強的正相關(guān)性（0.93），這意味著更粗糙的圓弧表面通過增加橫截面中延展性ER70S-6的比例來提高韌性。

△給出了界面策略的條件。圖片來自佐治亞理工學(xué)院。

定向能量沉積已成為大規(guī)模金屬增材制造的核心技術(shù)。電弧系統(tǒng)可提供高于 200 立方毫米/秒的沉積速率，使其能夠有效實現(xiàn)快速批量制造，但會產(chǎn)生毫米級偏差的不平整表面。基于粉末的激光系統(tǒng)運行速率較低，約為 20 立方毫米/秒，但可實現(xiàn)小于0.6 毫米的特征尺寸，并支持從不銹鋼到高熵合金等更廣泛的材料。

DED-LP 的一大顯著優(yōu)勢在于自調(diào)節(jié)效應(yīng)，通過動態(tài)調(diào)節(jié)粉末捕獲效率來穩(wěn)定層高。將這兩種工藝（電弧用于結(jié)構(gòu)塊體，粉末用于局部細(xì)節(jié)）結(jié)合起來，具有明顯的工業(yè)價值，但兩者之間的界面機制尚不清楚。先前將粉末床熔融和 DED 相結(jié)合的研究表明，界面處的粗糙度和氧化不匹配會導(dǎo)致缺陷，從而降低硬度和抗裂性。佐治亞理工學(xué)院的研究在此基礎(chǔ)上，直接比較了宏觀混合 DED 中的界面策略。

△使用光學(xué)輪廓儀評估不同測試條件下的表面形狀比較。圖片來自佐治亞理工學(xué)院。

研究結(jié)果表明，機加工或清潔弧形表面可提供可預(yù)測的密度和幾何均勻性，但這并非始終是機械彈性的必要條件。在一些情況下，沉積在含有污染物的打印表面上的樣品表現(xiàn)出與機加工對照樣品相同或更高的夏比韌性，這反映了延展性 ER70S-6 級分的影響。對于疲勞壽命至關(guān)重要的高價值、小批量零件（例如工裝模具），機加工或徹底清潔可能是合理的。對于低價值、大批量生產(chǎn)，諸如無需機加工的最佳擬合平面等策略可以在降低成本和縮短周期的同時提供足夠的性能。