高強度超聲控制金屬3D打印過程中的晶粒結構

供稿人:王程冬、魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

基于熔融沉積的金屬增材制造工藝的特點是熔池較小，并且從固液界面到液態(tài)金屬的溫度梯度都很陡。結果，凝固過程會顯示出層與層之間強烈的表層滑行生長趨勢，這導致在大多數(shù)增材制造的金屬材料中沿構造方向出現(xiàn)柱狀晶粒。這些長的柱狀晶粒會引起性能各向異性，降低機械性能并增加熱撕裂的趨勢。因此，金屬增材制造的主要目標是在整個零件中用細的等軸晶粒代替粗的柱狀晶粒。

澳大利亞皇家墨爾本理工大學的研究團隊研究發(fā)現(xiàn)，在不改變合金化學性質的情況下，高頻聲波會對3D打印合金的內部微觀結構產(chǎn)生顯著的影響，使其比傳統(tǒng)的打印方式更加一致、牢固。該團隊使用鈦合金Ti-6Al-4V作為模型合金，通過高強度超聲激光粉末沉積實現(xiàn) Ti-6Al-4V樣品中從柱狀晶粒到細微等軸晶粒的完全轉變，改善了微觀結構的均勻性，顯著減小了β晶粒尺寸，并顯著削弱固化質地，與傳統(tǒng)的金屬增材制造的柱狀Ti-6Al-4V構件相比，屈服應力和拉伸強度提高了12％，合金晶體非常細小，完全等軸，這意味著它們在打印整個金屬部件的各個方向上均等地形成。

該團隊表明他們采用的超聲波方法主要用于兩種商用合金：一種是通常用于飛機部件和生物學可植入的鈦合金Ti-6Al-4V，另一種是通常用于海洋和石油工業(yè)的鎳基高溫合金Inconel 625，并且有望應用于增材制造過程中呈現(xiàn)柱狀晶粒結構的其他金屬材料。另外，通過在打印過程中簡單地打開和關閉超聲波發(fā)生器，該團隊還展示了如何用不同的微觀結構和成分來制造3D打印對象的特定部分，未來可用于功能梯度材料的制造。

圖1為金屬增材制造中超聲處理示意圖。通過高強度超聲在液態(tài)金屬中形成聲空化和流動，可以在凝固過程中劇烈攪動熔體，從而促進顯著的結構改性或細化。

參考文獻：
Todaro, C.J., Easton, M.A., Qiu, D. et al. Grain structure control during metal 3D printing by high-intensity ultrasound. Nat Commun 11, 142 (2020). https://xs.scihub.ltd/https://doi.org/10.1038/s41467-019-13874-z