高強度超聲控制金屬3D打印過程中的晶粒結(jié)構(gòu)

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(jié)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(dǎo)致在大多數(shù)增材制造的金屬材料中沿構(gòu)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(biāo)是在整個零件中用細(xì)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(xué)的研究團隊研究發(fā)現(xiàn)，在不改變合金化學(xué)性質(zhì)的情況下，高頻聲波會對3D打印合金的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)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(xì)微等軸晶粒的完全轉(zhuǎn)變，改善了微觀結(jié)構(gòu)的均勻性，顯著減小了β晶粒尺寸，并顯著削弱固化質(zhì)地，與傳統(tǒng)的金屬增材制造的柱狀Ti-6Al-4V構(gòu)件相比，屈服應(yīng)力和拉伸強度提高了12％，合金晶體非常細(xì)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(xué)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(yīng)用于增材制造過程中呈現(xiàn)柱狀晶粒結(jié)構(gòu)的其他金屬材料。另外，通過在打印過程中簡單地打開和關(guān)閉超聲波發(fā)生器，該團隊還展示了如何用不同的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)改性或細(xì)化。

參考文獻(xiàn)：
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