供稿人：张益伟、杨强 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-05-26
激光定向能量沉积技术作为一种同轴送粉式金属增材制造技术,以其制造效率高、成形尺寸大等优势在航空、航天、交通等领域具有广阔的应用前景。然而，在制造过程中，需要一种保护性气体来减少沉积材料的氧化以确保成形质量，特别是在一些大型部件的制造中，要么保护气体消耗量过高，要么处理时间长，这也为L-DED的制造提出了新的挑战。Ruiz团队[1]开发了一种非对称喷嘴，为一些易氧化材料产生局部保护气体提出了一种更有效的方法。
图1 不同喷嘴配置方案：(a)无保护性 (b)全保护性 (c)非对称
连续同轴喷嘴是该研究团队参考之前的设计开发的，用于L-DED过程中注入非反应性材料的粉末，如不同类型的钢材、工具钢、不锈钢或镍基合金。在这个初始设计的基础上，该团队为喷嘴添加了一个外锥，提供额外的同轴保护气体流。这个额外的气体供应增加了在应用于钛合金等反应性材料的制造时熔池周围的保护区域，如图1(b)。最后，如图2(c)所示，他们设计了一个非对称的外锥，带有一个90°的槽，这个设计会阻断额外保护气体的流动，通过这种方式，可以直接将保护气体引导到材料沉积区域，提高了效率的同时还减少了保护气体的消耗。
随后该团队对非对称配置的保护气体对氧气浓度的影响进行了研究，并用此方法对Ti6Al4V合金进行沉积，如图3所示。结果表明样品A(无保护性)呈现出棕色到浅铜色，甚至可以检测到蓝色区域，这种着色表明材料受到了较差的保护，另一方面，在样品B(非对称保护)中，得益于通过非对称保护喷嘴提供的额外保护气体，结果明显更好，表面得到了完全的保护，呈现出明亮的银色，这说明表面氧化程度较低，材料质量得到了更好的保证。
图2 实验测试氧浓度方案示意图
图3 (a)使用非保护性喷嘴得到的样品 (b)使用对称保护喷嘴得到的样品
确保了单层沉积的氧化质量之后，该团队提出了利用非对称保护喷嘴进行多层样品沉积。为此，他们沉积了一个30x30x10 mm3的样品，并将该样品进行切割、金相制备，用Kroll试剂进行蚀刻。结果如图4所示，未检测到金属的氧化，并且观察到编织网篮状结构。
图4 (a) 截面的金相组织图 (b) 微观结构图 (c) 编织网篮状结构
该团队设计的非对称喷嘴的方法提高了定向能量沉积中易氧化材料的表面质量，对其进一步发展有着重要意义。