高強度超聲用于鈦合金Ti-6Al-4V的晶粒結(jié)構(gòu)控制

隨著金屬3D打印繼續(xù)引領(lǐng)下一次工業(yè)革命，澳大利亞的工程師正在進一步研究以研究改善機械性能的改進方法。選擇鈦合金制成用于實驗和測試的樣品，作者在最近發(fā)表的“ 通過高強度超聲在金屬3D打印過程中控制晶粒結(jié)構(gòu) ”中概述了他們的發(fā)現(xiàn)。

樣品由10毫米×10毫米×10毫米的立方體進行微觀結(jié)構(gòu)檢查，并由24毫米×8毫米×10毫米（長，寬和高）的塊體進行拉伸測試。研究人員根本不需要改變合金，而是采用增材制造的凝固控制解決方案來印刷具有等軸晶粒結(jié)構(gòu)的金屬合金，以防止性能各向異性并因此降低機械性能。在這項研究中，使用鈦合金Ti-6Al-4V。作為鈦的“基準(zhǔn)合金”，也是許多研究的主題，鈦合金Ti-6Al-4V用作金屬AM工藝中質(zhì)量的比較。

“但是，通過不同的基于熔融的AM工藝制造的Ti-6Al-4V表現(xiàn)出很強的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。AM制造的Ti-6Al-4V中的柱狀先驗β晶粒沿構(gòu)造方向具有強<001>取向。這導(dǎo)致產(chǎn)生一個β→α轉(zhuǎn)變織構(gòu)，這是AM鑒定的一個重要問題，因為其導(dǎo)致的機械性能各向異性�！毖芯咳藛T解釋說，此外，根據(jù)為層狀α-βTi-6Al-4V21-23建立的Hall-Petch關(guān)系，粗大的柱狀先驗β晶粒可能會進一步降低Ti-6Al-4V的強度（可能存在例外）�！�

金屬AM期間的高強度超聲。橫截面示意圖顯示了通過基于激光的DED施加到以20 kHz振動的超聲超聲波上的金屬AM。高強度超聲波在液態(tài)金屬中形成的空化和流化現(xiàn)象會在凝固過程中劇烈攪動熔體，從而促進顯著的結(jié)構(gòu)改性或精煉。

盡管在金屬3D打印中很難找到堅固且穩(wěn)定的成核合金，但Ti-6Al-4V正是這樣。

a，b在沒有（a）和有（b）超聲的情況下，樣品的光學(xué)顯微鏡圖像 c，d偏光顯微鏡圖像顯示大的柱狀晶粒（c）和細(xì)等軸晶粒（d）。e，f從跟蹤的先驗β晶粒圖像中測量的有和沒有超聲的樣品的先驗β晶粒尺寸（e）和先驗β晶粒長寬比（f）的直方圖（參見補充圖1）。c和d中的先驗β晶界以白色表示。比例尺，1毫米。

使用Ti-6Al-4V在有和沒有高強度超聲的情況下制備樣品。所得的微結(jié)構(gòu)分析顯示出樣品之間的顯著差異，因為沒有超聲的樣品顯示出圓柱狀的先驗β晶粒，其長度為幾毫米，寬度為〜0.5 mm，穿過多個沉積層（如研究人員所預(yù)期的），而用于超聲的樣品表明細(xì)（〜100 μm），等軸先驗β晶粒。在用掃描電子顯微鏡（SEM）掃描了所有樣品后，研究人員注意到先驗β晶粒內(nèi)的籃狀α-β微觀結(jié)構(gòu)。

最終，研究表明，在Ti-6Al-4V的AM處理過程中使用超聲波可以形成完全等軸的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致：

• 改善微觀結(jié)構(gòu)的同質(zhì)性
• 先前的β晶粒尺寸顯著減小
• 明顯削弱凝固組織
  

研究人員總結(jié)說：“對超聲條件的評估表明，對于大批量制造AM零件的結(jié)構(gòu)改進，超聲換能器元件的選擇可能是重要的實際考慮因素，建議使用磁致伸縮換能器�！�

“為評估我們方法的通用性，超聲晶粒細(xì)化方法已成功應(yīng)用于Inconel 625的增材制造，包括通過簡單地打開和關(guān)閉沿構(gòu)造高度創(chuàng)建交替的柱狀/等軸/柱狀I(lǐng)nconel 625晶粒結(jié)構(gòu)的方法。在AM期間進行超聲檢查。我們希望該技術(shù)可以擴展到其他金屬材料的增材制造�！�

帶有和不帶有高強度超聲的AM制造的Ti-6Al-4V的微觀結(jié)構(gòu)表征。a–d SEM圖像顯示了沒有（a，c）和（b，d）超聲的樣品中先驗β晶粒內(nèi)部的α-β結(jié)構(gòu)。e，f沒有（e）和有（f）超聲的樣品的α板條厚度的直方圖。a和b中的先驗β晶界以白色表示。比例尺，a，b分別為50μm和c，d均為5μm。

隨著金屬3D打印的普及-工業(yè)用戶開始更多地依賴于增材制造工藝，研究人員正在研究鈦粉，因為它顯示出了許多應(yīng)用的潛力。例如，在關(guān)鍵外科手術(shù)中制造醫(yī)療植入物，協(xié)助骨骼再生等。


編譯：3dprint