摘要：激光热丝定向能量沉积（LHW DED）技术作为一种新型增材制造工艺，通过结合激光熔化和焦耳热丝加热的双重能量输入，实现了金属构件的高效快速成形，相比粉末床工艺具有更高的沉积速率和能源效率。目前研究主要集中在不锈钢、镍基高温合金和钛合金等材料的工艺参数优化（如送
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研究背景
激光热丝定向能量沉积（LHW DED）技术作为一种新型增材制造工艺，通过结合激光熔化和焦耳热丝加热的双重能量输入，实现了金属构件的高效快速成形，相比粉末床工艺具有更高的沉积速率和能源效率。目前研究主要集中在不锈钢、镍基高温合金和钛合金等材料的工艺参数优化（如送丝速度、激光功率等对熔道成形质量的影响）以及热机械行为模拟（温度场、残余应力和变形预测）方面，但对船舶制造关键材料镍铝青铜（NAB）的研究仍属空白。
宾夕法尼亚州立大学在材料科学领域期刊Metals上发表了题为"An Investigation of Thermomechanical Behavior in Laser Hot Wire Directed Energy Deposition of NAB: Finite Element Analysis and Experimental Validation"的研究成果。本文通过实验研究了镍铝青铜（NAB）在激光热丝（LHW）定向能量沉积（DED）过程中，单层和多层试样的热力学行为。通过在基底上多个位置的温度变化测量以及悬臂基底自由端的位移变化测量，对有限元模拟结果进行了验证。与之前对钢合金的热力学研究相比，NAB合金具有不同的微观结构和相变，这会影响最终的残余应力和变形。
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论文图片
图1. 实验装置，包括机器人激光热丝定向能量沉积（LHW DED）系统和夹持的基底
图2. 单层部件尺寸。所有测量单位为毫米；T1–T3表示基底上三个位置的热电偶。
图3. 现场热测量和机械测量装置。
图4. 稀硫酸曲线，展示Cu-12Al在加热和冷却循环期间微观结构转变的体积变化
图5. 多层构建模拟中使用的网格划分
图6. 样品沉积图像
图7. 单层预测与实验测量对比，激光吸收率η = 0.19，对流系数 = 35 W/(m² K)：(a) T1–T3处的温度历史；(b) LDS处的位移历史。灰色阴影区域表示激光沉积每个焊道的活跃时间
图8. 多层预测与实验测量对比，激光吸收率η = 0.19，对流系数 = 35 W/(m² K)：(a) T1–T3处的温度历史；(b) LDS处的位移历史。灰色阴影区域表示激光沉积每个焊道的活跃时间
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关键结论
本文对镍铝青铜（NAB）的激光热丝定向能量沉积进行了热力学分析和验证。分析包括了有无相变引起的应力松弛的模型。通过在单层和多层部件沉积过程中，对基底多个位置的温度变化历史以及悬臂基底自由端的垂直位移进行原位测量，对实验进行了验证。首先通过匹配单层试样的温度预测来确定有限元（FE）模型参数；然后使用该模型预测单层沉积时基底自由端的垂直位移，并为多层沉积生成热力学模拟。
单层和多层沉积的温度预测最大误差均小于或等于6%。实验测量表明，在多层NAB沉积过程中，层与层之间的变形积累很少，这可能归因于500°C及以上的相变。对于单层沉积，考虑和不考虑应力松弛的两种有限元模型所预测的基底变形差异可以忽略不计，两种模型的最终预测误差均为约12%。然而，对于多层沉积，在有限元模型中加入500°C及以上的应力松弛是至关重要的，以确保机械预测结果能够反映实验测量中观察到的层间变形积累趋势。这使得最终变形预测误差低于4%。
未来的工作将考虑进一步改进机械分析以减少预测误差，包括采用更复杂的方法来模拟应力松弛。尽管现有的实验结果显示出极小的样本变异性，但承认本研究中重复实验的次数有限；未来的工作将包括增加重复实验的次数并进行后续的统计分析。此外，未来的工作还将考虑对其他表现出相变的增材制造材料进行热力学分析。
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通讯作者
Wang Qian，宾夕法尼亚州立大学机械工程系教授，研究兴趣包括增材制造、1型糖尿病建模与控制、机器学习等。
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论文引用
Glenn W. Hatala, Edward Reutzel and Qian Wang.
An Investigation of Thermomechanical Behavior in Laser Hot Wire Directed Energy Deposition of NAB: Finite Element Analysis and Experimental Validation:Metals 2024, 14(10), 1143
DOI:https://doi.org/10.3390/met14101143
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