來自哈爾濱工程大學(xué)的研究人員，發(fā)展了一種超聲波輔助激光熔絲增材制造的技術(shù)，引入高強(qiáng)度的超聲波后可以有效的擾亂先生β相的外延生長傾向和減弱先生β相的織構(gòu)強(qiáng)度，可以將粗大的柱狀晶細(xì)化為等軸晶。

Ti-6Al-4V增材制造的時(shí)候形成粗大的柱狀晶會降低增材制造部件的機(jī)械性能，阻礙了增材制造技術(shù)在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。為了細(xì)化材料的顯微組織，采用高能超聲的空化作用和聲流效應(yīng)在金屬凝固的時(shí)候進(jìn)行施加，發(fā)展了一個(gè)超聲振動技術(shù)來同步耦合激光絲材增材制造技術(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)引入高強(qiáng)度的超聲波后可以有效的擾亂先生β相的外延生長傾向和減弱先生β相的織構(gòu)強(qiáng)度。Ti-6Al-4V合金的顯微組織自典型的粗大的晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的柱狀晶。模擬結(jié)果證實(shí)了高強(qiáng)度超聲產(chǎn)生的超聲空化效應(yīng)施加到熔池中是結(jié)晶特征的關(guān)鍵因素。

激光送絲增材制造技術(shù)(LWAM)是一種新穎的增材制造技術(shù)。具有制造成本低，沉積效率高的優(yōu)點(diǎn)。這一技術(shù)可以應(yīng)用來制造大型的和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以由不同的金屬和合金來進(jìn)行制造。然而，由于該制造工藝具有快速熔化和快速凝固的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致熔池存在非常急劇的溫度梯度，這就導(dǎo)致在大多數(shù)的金屬增材制造部件中形成粗大的柱狀晶。這些粗大的柱狀晶會導(dǎo)致明顯的各向異性，另外一方面，也會導(dǎo)致LWAM制造的部件的強(qiáng)度，韌性，損傷容限和疲勞性能比常規(guī)的鍛造的部件的性能要低。因此，以上提到的缺陷限制了LWAM技術(shù)在金屬部件的增材制造上的應(yīng)用，尤其是在工業(yè)中所使用的大型部件上的應(yīng)用。

▲圖1. 配備超聲振動的LWAM技術(shù)的設(shè)置圖： (a)整體排列圖；(b)超聲振動裝置；(c)超聲輔助LWAM技術(shù)的原理示意圖。

Ti-6Al-4V具有低密度，高強(qiáng)度，優(yōu)異的耐腐蝕性能和高溫機(jī)械性能，從而廣泛的應(yīng)用在航空，交通，生物和其他領(lǐng)域中。最近，許多研究人員采用增材制造技術(shù)來制備輕質(zhì)和復(fù)雜的鈦合金部件。采用不同的增材制造技術(shù)制造的Ti-6Al-4V合金的部件的顯微組織和機(jī)械性能進(jìn)行了大量的研究。大量的結(jié)果表明，Ti-6Al-4V合金在增材制造的時(shí)候容易生成粗大的柱狀晶，同時(shí)柱狀晶會橫跨好幾個(gè)沉積層。最大的晶粒尺寸在制造方向上可以達(dá)到幾個(gè)毫米，從而造成性能分布上的各向異性和機(jī)械性能差的后果。因此，如何采用簡單且有效的辦法提高沉積Ti-6Al-4V的顯微組織和獲得小尺寸的等軸晶粒成為Ti-6Al-4V鈦合金增材制造是急需解決 的一個(gè)問題。

▲圖2. 采用超聲振動輔助LWAM制造Ti6Al4V合金時(shí)的顯微組織和形貌圖：(a) 和(b)分別是 Y-Z平面‘S’區(qū)域的顯微組織和‘L + S’區(qū)域的顯微組織，相應(yīng)的，(c)和 (d)是X-Z平面的顯微組織；(e) 和(f) 在（d）中標(biāo)示的區(qū)域的顯微組織。先生的β 晶界采用紅色進(jìn)行追蹤。

在SLM增材制造Ti-6Al-4V合金時(shí)，嘗試優(yōu)化增材制造的工藝參數(shù)曾經(jīng)在原位馬氏體分解完全時(shí)進(jìn)行實(shí)施，其機(jī)械性能有顯著的改善。然而，基于LWAM技術(shù)的特征，通過改變工藝狀態(tài)來促進(jìn)在LWAM過程中的Ti-6Al-4V合金的等軸晶的生長還是非常困難的。有些研究人員發(fā)現(xiàn)鈦合金的孕育能力可以通過添加合金元素來提高，諸如銅元素。結(jié)果表明在凝固過程中的鈦合金的孕育速率可以通過添加Cu元素來得到提高，Ti-Cu合金在增材制造后可以獲得細(xì)小的等軸晶，且是在沒有任何熱處理的前提下獲得的。另外的研究表明痕量的B添加到 Ti-6Al-4V合金中，通過電弧絲材增材制造技術(shù)進(jìn)行制造時(shí)，可以顯著的消除增材制造 Ti-6Al-4V合金時(shí)所得到的各向異性。然而，在 Ti-6Al-4V合金中引入合金元素后，同原始材料相比較，會改變合金的組成和其他性能，會導(dǎo)致形成脆性相，如TiB和Ti2Cu相等，從而造成在熔池凝固的過程中造成一定程度的分離。同時(shí)這一技術(shù)在通過添加合金元素的辦法進(jìn)行提高顯微組織和機(jī)械性能的辦法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)如果對鈦合金的成分有嚴(yán)格的要求的時(shí)候受到限制的。

圖3. 樣品中區(qū)域‘L+S’Y-Z平面處的先生β相的極圖

除了以上提到的添加化學(xué)元素到鈦合金的辦法，這里還存在兩個(gè)在線的辦法來提高鈦合金部件的顯微組織和獲得等軸的細(xì)晶粒，他們稱之為機(jī)械輥壓技術(shù)和超聲振動技術(shù)。研究曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輥壓技術(shù)施加到WAAM工藝中的每一沉積層的時(shí)候，通常粗大的mm級別的柱狀 β晶結(jié)構(gòu)可以細(xì)化到<100 μm，從而減少了材料中β相和α相的織構(gòu)強(qiáng)度，減弱了材料的各向異性和提高了Ti-6Al-4V合金的性能。然而，在施加輥壓的時(shí)候，需要至少大于75 kN的力施加到沉積層上才能確保沉積層產(chǎn)生大的塑性變形而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，此時(shí)才會產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，當(dāng)大型的載荷施加到薄壁墻結(jié)構(gòu)或復(fù)雜部件中的內(nèi)部空穴時(shí)，嚴(yán)重的時(shí)候還會損傷薄壁墻結(jié)構(gòu)。因此，在增材制造復(fù)雜形狀的部件的時(shí)候，這一辦法對控制鈦合金部件的晶粒尺寸并不適用。

圖4 ：(a) 在不同時(shí)間時(shí)熔池的聲壓分布；(b) 在熔池中的平均聲壓； (c) 在不同的初始半徑的條件下氣泡半徑的變化

另外一個(gè)提高材料顯微組織和機(jī)械性能的辦法是超聲振動技術(shù)，該技術(shù)廣泛的應(yīng)用到焊接工業(yè)和鑄造領(lǐng)域中。其高強(qiáng)度的超聲對凝固和結(jié)晶過程中的材料的顯微組織和機(jī)械性能的作用曾經(jīng)得到了廣泛系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，在材料的凝固過程中，聲空化和聲流可以增加材料的孕育和減少凝固材料的分離偏析，從而可以得到細(xì)化的等軸晶。在最近，這一高強(qiáng)度的超聲技術(shù)應(yīng)用到增材制造技術(shù)當(dāng)中來控制Ti-6Al-4V 合金的凝固過程。結(jié)果表明Ti-6Al-4V 合金的顯微組織可以從粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)換成等軸的晶粒，其原因是超聲能場作用在沉積層中的熔池中造成的，因?yàn)楦吣艹�聲波造成的聲空化和聲流對液態(tài)金屬的作用可以使勁的攪動在凝固過程中的熔池，由此促進(jìn)了凝固組織顯著的改善或晶粒細(xì)化。

需要認(rèn)識到的是，在介質(zhì)中傳播的時(shí)候，超聲波存在由于聲波的衰減，包括擴(kuò)散衰減，散射衰減和粘性衰減的問題，超聲波的能量就會隨著傳播距離的增加而逐漸衰減。因此，隨著沉積層數(shù)量和部件尺寸的增加，超聲波能量場在對部件頂部的熔池中的凝固過程中的作用就會越來越小。因此，這一技術(shù)在增材制造技術(shù)制備大尺寸部件的時(shí)候是不適用的。同時(shí)，在實(shí)施這一技術(shù)的時(shí)候，超聲波能場必須自部件底部進(jìn)行施加以實(shí)現(xiàn)同步追蹤和精確的干涉沉積層頂部的熔池。這一在底部的超聲裝置和在頂部的高能束流的沉積必須依據(jù)掃描路徑實(shí)現(xiàn)同軸同步，意味著這一技術(shù)不適合用來制備大尺寸和復(fù)雜形狀的鈦合金部件的增材制造。為了解決這一挑戰(zhàn)，來自哈爾濱工程大學(xué)的研究人員提出了一個(gè)新穎的超聲振動器件來適應(yīng)超聲波振動輔助增材制造技術(shù)。在這一工作中，換能器，超聲幅度轉(zhuǎn)換器，工具頭均剛性的集成在LWAM裝置中。在這一在線的顯微組織改善的LWAM裝置在實(shí)施的時(shí)候，每一沉積層被同步處理，枝晶的外延生長被打擾，粗大的柱狀晶由于高能超聲波的作用而得到細(xì)化。

在當(dāng)前的研究工作中，研究人員聚焦在研究高能超聲波對LWAM技術(shù)制造 Ti-6Al-4V合金的顯微組織的影響。首先，為了研究超聲波振動的影響和確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可行度，設(shè)計(jì)單道多層樣品來進(jìn)行沉積以研究超聲波對沉積層在不同狀態(tài)的影響。這就意味著，在沉積層中至少有四個(gè)區(qū)域，他們誘導(dǎo)有或無超聲振動的影響。第二，高能超聲波在LWAM工藝中的熔池中由于高能超聲波誘導(dǎo)的超聲空化通過有限元模擬和數(shù)值計(jì)算的辦法進(jìn)行了研究。最后，基于實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算的結(jié)果，顯微組織從粗大的住狀晶到細(xì)小的柱狀晶的轉(zhuǎn)變的機(jī)理也進(jìn)行了研究。

主要結(jié)論

在當(dāng)前的研究工作中，高能超聲波用來進(jìn)行在LWAM的過程中在線同步處理沉積時(shí)的每一沉積層。引入的高能超聲波可以有效的打破枝晶的外延生長的傾向，細(xì)化了鈦合金的顯微組織到一定的程度。在沉積層中產(chǎn)生了大量的等軸晶。同時(shí)證明這一超聲波載荷可以有效的解決在增材制造過程中粗大枝晶的形成問題。細(xì)小的晶粒可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)，包括補(bǔ)償，載荷的角度，超聲波輸入的幅度等。這一高能超聲波的處理用來提高顯微組織的辦法也可以應(yīng)用到采用增材制造技術(shù)制造其他合金的系統(tǒng)中。在未來的工作中，等軸晶的形成機(jī)理，優(yōu)化相關(guān)的工藝參數(shù)等問題也將被研究。

延伸閱讀

已經(jīng)證明，在DED AM制造過程中，沉積的金屬部件的晶粒尺寸影響著部件的機(jī)械性能。而晶粒尺寸又受到制造工藝參數(shù)的影響。

來自俄羅斯Kazan National Research Technical University Named after A.N. Tupolev的研究人員提出了一個(gè)新辦法，利用超聲波輔助的DED技術(shù)來改變 Ti6Al4V 鈦合金的顯微組織。變化超聲波的頻率和功率影響到粉末和激光光斑的相互作用。從而有可能實(shí)現(xiàn)部件的顯微組織的均勻性，如果有必要，還可以實(shí)現(xiàn)梯度顯微結(jié)構(gòu)的制造，主要取決于制造的需要。在不同的頻率和超聲波功率的作用下，對顯微組織進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在高載荷作下的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用超聲波振動后的部件，其摩擦系數(shù)要比單獨(dú)采用DED的要低得多。這些結(jié)果的獲得均同晶粒細(xì)化密切相關(guān)。循環(huán)載荷作用下的疲勞抗力是單獨(dú)采用DED的兩倍多。在采用超聲波作用時(shí)，產(chǎn)生的不規(guī)則的針狀結(jié)構(gòu)的細(xì)小的晶粒是疲勞裂紋不易產(chǎn)生的原因。相關(guān)結(jié)果見圖５－７。

圖5：有無超聲波進(jìn)行DED增材制造Ti6Al4V鈦合金的對比圖

▲圖解：第一排：在采用 DED (а) 和 UDED工藝時(shí)截面的金相照片，超聲波的參數(shù)為 ν =100 kHz 和 P = 65 % (b); 第二排：在采用 DED (а)和 UDED (b)工藝制造部件時(shí)的橫向截面的金相照片; 第三排：在 DED (a) 和 UDED (b) 工藝過程中顯微結(jié)構(gòu)形成的理論示意圖(UDED標(biāo)示超聲波輔助DED).

圖6. 采用超聲波和沒有超聲波進(jìn)行DED技術(shù)制造Ti6Al4V鈦合金燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)葉片部件的對比圖

來自德克薩斯理工大學(xué)(Texas Tech University,簡稱TTU)的研究學(xué)者則給出了超聲波振動對液態(tài)材料在凝固過程中所起到的作用，見下圖7。

圖7. 超聲波振動作用對液態(tài)材料凝固過程的影響