哈工程：超聲能場(chǎng)輔助激光熔絲增材制造鈦合金晶粒細(xì)化技術(shù)！

來源：材料科學(xué)與工程

金屬增材制造過程中，由于材料經(jīng)過了快速的熔化和凝固，熔池內(nèi)部產(chǎn)生大的溫度梯度和冷卻速率，導(dǎo)致材料內(nèi)部形成粗大的柱狀晶組織（例如鈦合金絲材的增材制造組織往往呈現(xiàn)粗大柱狀晶特征）。這些柱狀晶不但引起增材制造材料的各向異性，而且導(dǎo)致增材制造材料的塑韌性、損傷容限和疲勞性能較低。因此，如何采用簡單易行的工藝方法改善金屬沉積成形組織，獲得小尺寸等軸晶組織是金屬增材制造技術(shù)推廣應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

大功率超聲能場(chǎng)已被廣泛應(yīng)用于鑄造和焊接領(lǐng)域的晶粒細(xì)化，主要是由于超聲波在金屬熔體凝固過程中產(chǎn)生的聲空化和聲流效應(yīng)、以及引發(fā)的均勻化溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)等積極影響�；�于此，超聲能場(chǎng)在金屬增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用成為一種可能。

近日，哈爾濱工程大學(xué)先進(jìn)材料成形制造團(tuán)隊(duì)提出了一種在激光熔絲增材制造（Laser and wire additive manufacturing, LWAM）過程中引入超聲振動(dòng)（Ultrasonic vibration, UV）的金屬增材制造技術(shù)，利用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法，研究了大功率超聲能場(chǎng)對(duì)增材制造過程中鈦合金的組織演化規(guī)律。相關(guān)結(jié)果以題為“Grain refining ofTi-6Al-4V alloy fabricated by laser and wire additive manufacturing assistedwith ultrasonic vibration”發(fā)表于近期的Ultrasonics Sonochemistry。論文第一作者為哈爾濱工程大學(xué)在讀博士生袁丁，通訊作者為哈爾濱工程大學(xué)姜風(fēng)春教授和果春煥副教授。

論文連接：
https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105472

本研究依托的項(xiàng)目是國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“大型金屬制件超聲微鍛造輔助激光增材制造技術(shù)與裝備”，該項(xiàng)目由哈爾濱工程大學(xué)牽頭，北京三帝科技股份有限公司、鞍鋼集團(tuán)公司、清華大學(xué)和中國航空制造技術(shù)研究院等12家單位參與。研究者在激光熔絲增材制造過程中同步施加了超聲沖擊作用，將超聲能場(chǎng)引入增材制造沉積過程中（詳見圖1）。由于研制的超聲沖擊裝置采用了創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使超聲波以真正的超聲頻率（20kHz）作用于熔池，發(fā)揮了大功率超聲能場(chǎng)對(duì)凝固過程的作用效果，抑制了鈦合金粗大柱狀晶的形成（詳見圖2），實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈦合金增材制造構(gòu)件組織和性能的調(diào)控。后續(xù)的研究表明，本文提出的超聲能場(chǎng)輔助成形技術(shù)中的超聲能場(chǎng)可通過對(duì)熔池的作用來實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的微觀組織和性能控制；另外，超聲波還可同時(shí)對(duì)金屬沉積層進(jìn)行沖擊時(shí)效，實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件殘余應(yīng)力的在線調(diào)控，減少大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的變形開裂傾向。由此可見，該技術(shù)在大型金屬構(gòu)件高能束直接沉積增材制造中具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 超聲能場(chǎng)輔助激光熔絲增材制造裝置：(a) 總體布置圖；(b) 超聲振動(dòng)裝置；(c) 超聲能場(chǎng)輔助激光熔絲增材制造過程示意圖

圖2 超聲振動(dòng)輔助激光熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金的沉積層形貌和顯微組織觀察：(a)、(b)分別為區(qū)域‘S’和區(qū)域‘L+S’Y-Z平面的顯微組織；(c)、(d) 分別為區(qū)域‘S’和區(qū)域‘L+S’X-Z平面的顯微組織。(e)、(f)為(d)中紅框區(qū)域的放大圖

圖3 區(qū)域‘L+S’頂層的初生β晶的晶粒尺寸和晶�？v橫比的定量統(tǒng)計(jì)

圖4 區(qū)域‘L+S’初生β晶的極圖

上述試驗(yàn)結(jié)果證明，大功率超聲能場(chǎng)的同步引入有效地抑制了鈦合金初生β晶的外延生長趨勢(shì)，細(xì)化了鈦合金的晶粒結(jié)構(gòu)，并且促使等軸晶的形成（詳見圖3 和圖4）。為了研究超聲振動(dòng)對(duì)熔池內(nèi)部的作用機(jī)制，運(yùn)用有限元模擬方法對(duì)超聲振動(dòng)過程中熔池內(nèi)部聲壓和聲空化現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，充分揭示了這種超聲引入方式對(duì)熔池凝固過程作用的有效性（詳見圖5-圖7）。

圖5 (a)沉積層的位移場(chǎng)分布；(b)沿線1和線2的位移分布；(c)熔池附近點(diǎn)M位移時(shí)間曲線

圖6 (a)不同時(shí)刻熔池內(nèi)部聲壓分布云圖；(b)熔池內(nèi)部平均聲壓；(c)熔池內(nèi)不同氣泡半徑變化曲線

圖7 不同超聲振幅條件下熔池內(nèi)部不同半徑氣泡的半徑變化規(guī)律：(a) 0.125MPa (本文)；(b)0.39MPa(預(yù)測(cè))

研究者成功地將超聲能場(chǎng)以同步耦合的方式引入到金屬激光熔絲增材制造過程中，研究結(jié)果表明，超聲振動(dòng)的引入對(duì)增材制造過程中的凝固組織將產(chǎn)生積極影響，能夠有效抑制柱狀晶的生長、弱化織構(gòu)以及促使等軸晶的形成。這種方法的提出為解決金屬增材制造粗大柱狀晶組織問題提供了一種適用的技術(shù)，可用于大型金屬構(gòu)件增材制造過程組織性能的在線調(diào)控。

團(tuán)隊(duì)簡介：
哈爾濱工程大學(xué)先進(jìn)材料成形制造團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有教授3人，副教授5人，講師（工程師）7人，研究生60余人，2017年入選黑龍江省增材制造創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。主要開展先進(jìn)金屬復(fù)合材料設(shè)計(jì)與成形制造、激光增減材復(fù)合制造等研究，近年來，團(tuán)隊(duì)先后承擔(dān)了國家科技部、軍委、科工局以及省市地方的科研項(xiàng)目。在先進(jìn)材料成形制造領(lǐng)域取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性的成果，在超聲波快速固結(jié)成形和超聲能場(chǎng)輔助增材制造方面具有優(yōu)勢(shì)。團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)國內(nèi)外發(fā)明專利30余項(xiàng)，獲得授權(quán)專利10余項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇。