高强度超声用于钛合金Ti-6Al-4V的晶粒结构控制

随着金属3D打印继续引领下一次工业革命，澳大利亚的工程师正在进一步研究以研究改善机械性能的改进方法。选择钛合金制成用于实验和测试的样品，作者在最近发表的“ 通过高强度超声在金属3D打印过程中控制晶粒结构 ”中概述了他们的发现。

样品由10毫米×10毫米×10毫米的立方体进行微观结构检查，并由24毫米×8毫米×10毫米（长，宽和高）的块体进行拉伸测试。研究人员根本不需要改变合金，而是采用增材制造的凝固控制解决方案来印刷具有等轴晶粒结构的金属合金，以防止性能各向异性并因此降低机械性能。在这项研究中，使用钛合金Ti-6Al-4V。作为钛的“基准合金”，也是许多研究的主题，钛合金Ti-6Al-4V用作金属AM工艺中质量的比较。

“但是，通过不同的基于熔融的AM工艺制造的Ti-6Al-4V表现出很强的柱状晶粒结构。AM制造的Ti-6Al-4V中的柱状先验β晶粒沿构造方向具有强<001>取向。这导致产生一个β→α转变织构，这是AM鉴定的一个重要问题，因为其导致的机械性能各向异性。”研究人员解释说，此外，根据为层状α-βTi-6Al-4V21-23建立的Hall-Petch关系，粗大的柱状先验β晶粒可能会进一步降低Ti-6Al-4V的强度（可能存在例外）。”

金属AM期间的高强度超声。横截面示意图显示了通过基于激光的DED施加到以20 kHz振动的超声超声波上的金属AM。高强度超声波在液态金属中形成的空化和流化现象会在凝固过程中剧烈搅动熔体，从而促进显着的结构改性或精炼。

尽管在金属3D打印中很难找到坚固且稳定的成核合金，但Ti-6Al-4V正是这样。

a，b在没有（a）和有（b）超声的情况下，样品的光学显微镜图像 c，d偏光显微镜图像显示大的柱状晶粒（c）和细等轴晶粒（d）。e，f从跟踪的先验β晶粒图像中测量的有和没有超声的样品的先验β晶粒尺寸（e）和先验β晶粒长宽比（f）的直方图（参见补充图1）。c和d中的先验β晶界以白色表示。比例尺，1毫米。

使用Ti-6Al-4V在有和没有高强度超声的情况下制备样品。所得的微结构分析显示出样品之间的显着差异，因为没有超声的样品显示出圆柱状的先验β晶粒，其长度为几毫米，宽度为〜0.5 mm，穿过多个沉积层（如研究人员所预期的），而用于超声的样品表明细（〜100 μm），等轴先验β晶粒。在用扫描电子显微镜（SEM）扫描了所有样品后，研究人员注意到先验β晶粒内的篮状α-β微观结构。

最终，研究表明，在Ti-6Al-4V的AM处理过程中使用超声波可以形成完全等轴的结构，从而导致：

• 改善微观结构的同质性
• 先前的β晶粒尺寸显着减小
• 明显削弱凝固组织
  

研究人员总结说：“对超声条件的评估表明，对于大批量制造AM零件的结构改进，超声换能器元件的选择可能是重要的实际考虑因素，建议使用磁致伸缩换能器。”

“为评估我们方法的通用性，超声晶粒细化方法已成功应用于Inconel 625的增材制造，包括通过简单地打开和关闭沿构造高度创建交替的柱状/等轴/柱状Inconel 625晶粒结构的方法。在AM期间进行超声检查。我们希望该技术可以扩展到其他金属材料的增材制造。”

带有和不带有高强度超声的AM制造的Ti-6Al-4V的微观结构表征。a–d SEM图像显示了没有（a，c）和（b，d）超声的样品中先验β晶粒内部的α-β结构。e，f没有（e）和有（f）超声的样品的α板条厚度的直方图。a和b中的先验β晶界以白色表示。比例尺，a，b分别为50μm和c，d均为5μm。

随着金属3D打印的普及-工业用户开始更多地依赖于增材制造工艺，研究人员正在研究钛粉，因为它显示出了许多应用的潜力。例如，在关键外科手术中制造医疗植入物，协助骨骼再生等。


编译：3dprint