《NPJ》新研究：界面策略在多尺度混合定向能量沉积中的作用

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2025年9月24日，佐治亚理工学院的工程师们开展了一项系统性研究，探讨了界面策略如何影响混合增材制造中的零件质量，包括了线材和粉末定向能量沉积 (DED) 两种技术。相关研究以题为“On the role of interfacestrategy in multi-scale hybrid additive manufacturing”的论文发表在《npj Advanced Manufacturing》杂志上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s44334-025-00034-z

论文评估了七种样品配置，发现虽然加工表面可以提高密度，但打印界面有时在韧性方面表现得同样出色甚至更好，这凸显了工业用户面临的权衡取舍。实验将采用电弧 DED（DED-arc）沉积的ER70S-6低碳钢与采用激光粉末 DED（DED-LP）沉积的H13工具钢配对。测试了四种界面策略：将激光隔离平面映射到电弧表面、应用最小二乘最佳拟合平面、选择最大表面高度作为参考以及加工电弧表面。每种策略都与第一层粉末的平行（“同向”）或垂直（“反向”）方向相结合。在这些配置中，与底层 DED-arc 表面相比，DED-LP 工艺的自调节效应将表面平整度变化降低了 55%。然而，电弧焊固有的硅酸盐和氧化物等表面污染物使密度从加工样品的 99.5% 降低到未加工样品的 92.4%。

△异步 DED-arc 和 DED-LP 过程的可视化。图片来自佐治亚理工学院。

孔隙度分析显示，当DED-LP涂层直接沉积在受污染表面时，孔径在100至425微米之间，而机加工对照组则没有出现大孔。硬度图显示，当DED-LP涂层逆向沉积时，硬度从H13涂层的约650 HV急剧过渡到钢基体的约200 HV，而当DED-LP涂层顺向沉积时，硬度过渡则较为平缓，这表明混合存在差异。夏比冲击试验凸显了这些效应的复杂性。

吸收能量范围从机加工样品的105 J到非机加工样品的145 J，表明更高的密度并不一定意味着更高的韧性。统计分析证实了这一点：密度与韧性仅呈微弱的负相关性（-0.46），而圆弧平整度则表现出很强的正相关性（0.93），这意味着更粗糙的圆弧表面通过增加横截面中延展性ER70S-6的比例来提高韧性。

△给出了界面策略的条件。图片来自佐治亚理工学院。

定向能量沉积已成为大规模金属增材制造的核心技术。电弧系统可提供高于 200 立方毫米/秒的沉积速率，使其能够有效实现快速批量制造，但会产生毫米级偏差的不平整表面。基于粉末的激光系统运行速率较低，约为 20 立方毫米/秒，但可实现小于0.6 毫米的特征尺寸，并支持从不锈钢到高熵合金等更广泛的材料。DED-LP 的一大显著优势在于自调节效应，通过动态调节粉末捕获效率来稳定层高。将这两种工艺（电弧用于结构块体，粉末用于局部细节）结合起来，具有明显的工业价值，但两者之间的界面机制尚不清楚。先前将粉末床熔融和 DED 相结合的研究表明，界面处的粗糙度和氧化不匹配会导致缺陷，从而降低硬度和抗裂性。佐治亚理工学院的研究在此基础上，直接比较了宏观混合 DED 中的界面策略。

△使用光学轮廓仪评估不同测试条件下的表面形状比较。图片来自佐治亚理工学院。

研究结果表明，机加工或清洁弧形表面可提供可预测的密度和几何均匀性，但这并非始终是机械弹性的必要条件。在一些情况下，沉积在含有污染物的打印表面上的样品表现出与机加工对照样品相同或更高的夏比韧性，这反映了延展性 ER70S-6 级分的影响。对于疲劳寿命至关重要的高价值、小批量零件（例如工装模具），机加工或彻底清洁可能是合理的。对于低价值、大批量生产，诸如无需机加工的最佳拟合平面等策略可以在降低成本和缩短周期的同时提供足够的性能。