江蘇鐳射聯盟導讀：瑞士學者提出複合感應加熱和鐳射送粉直接沉積（DMD）技術的設計指導原則，用於提高沉積效率；採用數值模擬來預測感應加熱所需要的引數；熔覆道的形狀尺寸影響到感應加熱+DMD製造的沉積層的質量。
成果簡介：
直接金屬沉積技術在製造複雜的和精密的部件方面具有獨特的優勢。然而，DMD 技術的製造速率比較低，尤其是在製造大型部件時，矛盾更為突出。在這裡，來自瑞士的科學家為大家展示了利用感應加熱來輔助DMD技術，形成感應加熱+DMD複合沉積的技術來解決沉積效率比較低的問題。為了實現提高沉積效率的目的，不同的鐳射加工引數和感應加熱的影響因素對沉積效果的影響均進行了研究，以提供設計出符合DMD高速沉積的相關資訊。此外，採用有限元模擬來進一步的證實實驗所得到的結果。這一模擬幫助設計出複合感應加熱+DMD的工藝來，依據的途徑是建立感應加熱引數和在部件表面產生熱來實現的。
研究結果證明了線圈輪廓，磁場集中器（magnetic flux concentrator），耦合間距，線圈中的電流，線圈罩（coil shield）對獲得有效的加熱速率和穩定的複合 IH+DMD製造塗層的重要性。沉積速率和熔覆道的形狀尺寸透過應用 IH+DMD來製造，塗層沉積效率可以提高至少三倍。
圖1 複合 IH+DMD製造部件的示意圖。截面A表示的是感應器的線圈的輪廓安裝在DMD噴嘴的工作距離之內
成果介紹
直接金屬沉積（Direct Metal Deposition (DMD)）技術，是一種將粉末輸送到鐳射生成的熔池中進行製備塗層和修復應用的技術。這一技術也廣泛的用作增材製造複雜形狀的部件。重工業中，如造船和透平機械製造行業，得益於AM技術的優勢而迅速的將AM製造技術在這些行業中得到應用。然而，採用典型的DMD技術來製造大型部件的時候，由於沉積效率低，製造週期長而面臨著經濟上的挑戰和壓力。因此，採用這一技術進行應用的時候，需要一種有效的技術來在提高沉積效率的同時還可以保證高質量。
圖2 同軸複合IH+DMD技術的示意圖
在DMD操作中，聚焦的鐳射束同時熔化基材和沉積的材料。然而，鐳射能量在冷的基體材料上會由於熱傳導而存在部分耗散。這就限制了導致熔池形成的熱能，由此限制了沉積速率。採取對基材進行預熱是一個有效的辦法，可以補償熔池形成時由於冷基材造成的熱損失。緊接著，熔池中的高溫可以允許輸送進來的粉末以更高的速率進行沉積。
電磁感應加熱（Electromagnetic Induction Heating (IH)）是一種比較快速的加熱手段，因為這一加熱方式是一種非接觸的加熱過程，可以對部件進行區域性加熱而不會造成外來物質帶來的汙染。這一技術通常用在不同的工業環境中，如熱處理，熱成形以及焊接等。作為熱源的感應頭可以耦合到程式設計的機器當中，如機器人或CNC機器中來實現對工件的指定區域進行精確的加熱。熱處理迴圈相對較短，大約只有幾秒鐘到幾分鐘的時間，同時還可以實現監控。
圖3 複合IH+DMD技術所表示的線上圈和在基材的邊緣處的邊緣效應所造成的環形加熱模式。由於電動力學所造成的力促進線圈的運動（抽出和抽回），採用箭頭來表示。
依據前人的研究結果，感應加熱（IH）時基於渦流加熱（eddy current heating）和滯後加熱（hysteretic heating）來實現加熱目的的。滯後加熱是指由於在改變磁場強度的時候，鐵磁材料中的磁滯損耗所造成的能量耗散。在渦流加熱中，電磁場由於線圈在工件上誘導的渦流而產生，由此依據焦耳效應來加熱基材。然而，同渦流效應造成的損失小，如果加熱的工件表面的溫度處於居里溫度之上的話，由於損耗造成的熱效應大約為6-8%。
以上提到的優點促使研究人員利用這一技術來進行塗層製備以增加產能和提高沉積塗層的質量。例如，原華中科技大學的周聖豐等人曾經採用預熱A3中碳鋼的辦法來製備出Ni-基的WC複合材料，並對其顯微組織進行了研究，其採用的辦法就是感應加熱加鐳射熔覆。結果發現同沒有采用預熱相比較，其裂紋敏感性大為降低。Jonnalagadda等人實施了感應加熱輔助鐳射DMD工藝，利用同軸噴嘴技術進行了沉積，在這裡採用了四分之一匝感應線圈同軸耦合在鐳射噴嘴處。他們在鋼鐵基材上沉積了W2C-Ni 塗層，同標準的DMD沉積工藝相比較，可以實現增加粉末沉積速率到1.85倍以上。Nowotny 開發了類似的裝置，使用一個同軸鐳射熔覆頭，耦合感應加熱來沉積In625合金到大型的液壓圓柱體上。結果在鐳射為半導體鐳射，功率為10KW，感應加熱裝置的功率為50KW時，沉積速率可以增加50%，從5.1 kg/h 增加到 7.7kh/h。
圖4 單道沉積層的剖面圖，A: 在複合IH+DMD 的送粉速率為29.12 g/min, B: DMD的送粉速率為 14.56 g/min, C: 複合 IH+DMD的送粉速率為 20.38 g/min, D: DMD的送粉速率為 20.38 g/min. 複合IH+DMD 製造時基材的表面溫度為 650 °C.
在最近，Wang等人研究了在感應加熱時基材溫度對製備沉積塗層的影響規律。他們發現了在AISI 1045碳鋼上沉積43Ni–50.8Cr–6.2Si 碳鋼的時候，其沉積速率和基材溫度在接近750 °C的區間範圍內是呈線性的變化。在此溫度以上，再進一步的提高沉積效率和沉積速率幾乎不再明顯。
圖5 在基材預熱溫度變化時的溫度變化，在不同的預熱溫度條件下的沉積速率和冷卻速率。
在大多數的複合製造過程中，感應加熱頭是軸向耦合到鐳射頭上，此時部件在塗層之間先進行加熱，成為先加熱後熔化沉積塗層。然而，軸向的安裝限制了沉積層的單向路徑掃描，在AM應用的過程中沉積路徑也許會存在雙向掃描或沉積頭進行輪廓運動。同軸耦合的IH在複合DMD的基本概念是在沉積塗層的同時加熱基材，已經被申請了專利。無論如何，系統的研究複合裝置，適當的選擇IH工藝引數和在應用這一裝置的時候製備的層之間不會存在結合缺陷的研究還比較缺乏。
圖６ 熔池中當前位置的影象的捕捉：(a) 在沒有進行感應加熱的條件下，會產生裂紋; (b) 採用電阻加熱進行預熱的結果和 (c) 採用感應加熱（IH）對基材進行預熱的結果。
在當前的研究中釋出了複合 IH+DMD所面臨的挑戰以及複合 IH+DMD的裝置在設計和應用的研究結果.IH的主要引數對加熱的溫度進行了研究.為了實現設計的目的,採用有限元模擬軟體進行了模擬,模擬結果證實了實驗結果.發展的模型支援複合 IH+DMD裝置來綜合工藝引數和在部件表面產生的熱密切相關.最後,複合 IH+DMD裝置進行了應用和提高了 複合IH+DMD過程中的沉積效率,並對熔覆層和基材之間的介面在單道熔覆時進行了分析.對鐳射加工引數進行了最佳化,並同熔覆道的形狀關聯起來以製造出無缺陷的多層熔覆工件.
圖7 在固體-液體介面處的凝固引數: (a)溫度梯度G; (b)凝固速率R; (c) 冷卻速率 G·R; (d) 形貌係數 G/R.
圖7 所示為在基材中插入熱電偶的時候監控到的基材溫度的變化.儘管可以有效的直接監測到熔池中的真實溫度,這一研究中的非直接(或定性的)估計出的熔化區域的冷卻速率和基材自基材溫度開始發生的溫度的變化.如同圖7所示,當鐳射束移動到熱電偶之上時,基材溫度快速的從預熱溫度開始增加,在鐳射束移走之後,然後緩慢的降低.這一尖銳的溫度變化在沉積的過程中不斷的重複著升高和降低的過程.在整個過程結束的時候,溫度然後開始緩慢的降低.在沒有進行預熱的條件下,其整個過程持續的時間為1200 s.然而,在採用電阻加熱進行預熱基材到溫度200 °和採用感應加熱預熱基材到600 °C的條件下,整個過程持續的時間分別為 9 ks 和 15 ks.基材溫度的變化對熱應力具有非常大的影響.緩慢的冷卻速率在沉積層和基材之間的介面造成的熱應力可以最大限度的降低沉積M4高速鋼粉末時的裂紋敏感性.感應加熱可以減少熱溫度梯度是因為沉積層和基材之間的溫度差異比較小.因此,沉積層和基材之間的較小的熱溫度梯度,在有感應加熱施加到沉積M4高速鋼粉末的過程中,會造成應力釋放.反過來,這一過程會造成沉積層和基材之間的裂紋敏感性得到降低.
圖8 在變化感應加熱裝置的電流密度I的時候得到的熔池輪廓和穿透深度: (a) 28 A, (b) 29 A, (c) 30 A,和 (d) 31 A.
當前沉積層的高度可以透過分析採用CCD捕捉到的互動作用區中的波動來進行分析.在加工區域中的熔池的高溫會發射出不同強度和波長的光.因此,熔池的溫度就可以進行實時的監控.圖8所示為噴射的粉末和鐳射束在互動作用時採用視覺系統對沉積每一層進行觀察所得到的結果.黑色背景下的垂直和平行的線表示的鐳射束和基材表面的中心線.如圖8(a)所示,在沒有進行預熱的時候,熔池位於參考點位置,這是因為此時的工藝引數經過最佳化來預防預測的沉積單層高度為0.25mm的條件下,不至於過低或過高.相反,在採用電阻加熱對基材進行預熱的時候,相互作用區的位置同沒有進行基材預熱的情況相比較,就會稍微的提高,見圖8(b).在採用高溫感應加熱進行預熱的條件下,熔池遠離參考點的位置.這一結果表明當前層是過沉積的.此外,熔池也開始變得越來越接近噴嘴的尖端.
文章來源：Experimental and numerical study of the influence of induction heating process on build rates Induction Heating-assisted laser Direct Metal Deposition (IH-DMD)，Surface and Coatings Technology，Volume 384, 25 February 2020, 125275，https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.125275
參考文獻:1，Effect of substrate preheating by induction heater on direct energy deposition of AISI M4 powder，Materials Science and Engineering: A,Volume 682, 13 January 2017, Pages 550-562，https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.11.029
2，Investigation of laser assisted ultra-high frequency induction deposition method: Processes, fluid flow, and microstructure characteristic，Journal of Materials Research and Technology，Volume 9, Issue 3, May–June 2020, Pages 2773-2792，https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.01.012，
3，Understanding the thermal process during laser assisted ultra-high frequency induction deposition with wire feeding，International Journal of Heat and Mass Transfer，Volume 153, June 2020, 119536，https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119536