定向能量沉積(DED)也稱為激光金屬沉積(LMD)，在沉積材料時使用激光熔化材料。這種過程中的融合工藝將DED與粘合劑噴射和粉末床融合區(qū)分開來，特別適用于維修工作。DED與電弧焊或熱噴涂相比，產(chǎn)生的熱應(yīng)力更低，并且易于在材料之間切換，提高了多功能性。

■在DED中，激光束在粉末沉積時熔化粉末，將其與基材的薄表面層熔合。這種增材制造方法的材料使用率低，非常適合航空航天等應(yīng)用（來源：Freeman Technology）

對DED進行優(yōu)化依賴于選擇能夠良好加工并生產(chǎn)出具有理想性能的組件和修復(fù)的粉末，其中許多粉末是專門為DED開發(fā)的。瑞典呂勒奧理工大學(xué)和吉凱恩航宇（GKN Aerospace）的研究人員經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，顆粒和粉末特性與DED性能和構(gòu)建質(zhì)量相關(guān)。他們比較了來自四個不同供應(yīng)商的五種Inconel 718（含鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金）粉末樣品——一種GKN經(jīng)常使用的粉末（粉末C），以及其他四種（粉末A、B、D和E）。

■實驗中使用的粉末用于各種工藝，制造方法導(dǎo)致了不同的顆粒形態(tài)

實驗用的粉末已經(jīng)在不同工藝加工中得到應(yīng)用，不同的制造方法導(dǎo)致了不同的顆粒形態(tài)。制造方法有等離子霧化(PA)、氣體霧化(GA)、真空惰性氣體霧化(VIGA)和電極感應(yīng)氣體霧化(EIGA)。

實驗過程

為了評估每種粉末的打印性能和沉積質(zhì)量，研究人員將單珠和多珠沉積物打印到Inconel 718 板上。工藝參數(shù)針對粉末C進行了優(yōu)化，而其他4種粉末的參數(shù)則保持相同。對提供的粉末與沉積物重量測量確定了粉末效率，缺陷、幾何形狀和微觀結(jié)構(gòu)決定了沉積質(zhì)量。

■粉末A和粉末C產(chǎn)生的毛孔比其他粉末稍大，但它們產(chǎn)生的毛孔數(shù)量要少得多

雖然所有4種替代粉末供應(yīng)都提供了比粉末C更高的效率，但粉末E的更高可變性使其遠不理想。在珠粒質(zhì)量、孔數(shù)和孔徑方面，粉末A產(chǎn)生的結(jié)果與粉末C最接近。這里，研究人員比較了幾種物理特性，以確定哪些特性可以將粉末A、粉末C與其他粉末區(qū)分開來。

研究前，GKN的DED粉末規(guī)格參考了成分、制造方法、霍爾流動指數(shù)和粒度分布。然而在研究過程中，事實證明，顆粒尺寸和制造方法無法成功預(yù)測粉末A與粉末C的性能最接近，雖然霍爾流速表明兩者相似，但所有測試粉末都通過了GKN既定規(guī)格參數(shù)。

■與沉積物的數(shù)據(jù)一樣，粉末顆粒的密度和孔隙數(shù)據(jù)表明粉末A和粉末C之間的相似性。兩者的密度最接近，并且孔隙數(shù)量相似

原料粉末中的孔隙率似乎與沉積物中的孔隙率有更好的聯(lián)系，粉末A和C是比能量(specific energy)最接近的類似物（其量化了無側(cè)限流動行為）。在50次振動固結(jié)后，不同粉末在填充密度上的相似性將粉末A、粉末C與其對應(yīng)物區(qū)分開來。

■粉末A和粉末C之間的動態(tài)流動特性最相似，并提供了高度的差異化

實驗結(jié)論

最終研究人員得出結(jié)論，粉末效率與基本流動性能量相關(guān)，沉積物孔隙頻率與顆粒孔隙頻率相關(guān)。雖然實驗的數(shù)據(jù)集有限，但他們認為一小部分高度相似的粉末代表了DED用戶在評估替代供應(yīng)時面臨的實際挑戰(zhàn)。

■顆粒密度數(shù)據(jù)顯示，粉末A和粉末C是選擇中最密集的顆粒，固結(jié)輕敲后的體積密度(BD50Taps)表明兩者也具有最高的填充效率

因此，研究人員表示以下4個研究結(jié)果應(yīng)該得到大多數(shù)金屬沉積打印用戶的重視。首先，動態(tài)測試提供了對粉末流動性行為的更深入了解，并提供了比霍爾流動指數(shù)更強大的樣本差異。其次，流動性直接影響粉末效率等性能指標。第三，零件質(zhì)量尤其是珠孔隙率，高度依賴于粉末顆粒的密度和孔隙率。最后，顆粒形狀會影響粉末的適用性。

對于新金屬粉末特性，研究人員表示，任何對新金屬粉末的描述都應(yīng)包括基本流動能的注釋，以及顆粒形態(tài)和顆粒密度。