高强度超声控制金属3D打印过程中的晶粒结构

供稿人:王程冬、鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　

基于熔融沉积的金属增材制造工艺的特点是熔池较小，并且从固液界面到液态金属的温度梯度都很陡。结果，凝固过程会显示出层与层之间强烈的表层滑行生长趋势，这导致在大多数增材制造的金属材料中沿构造方向出现柱状晶粒。这些长的柱状晶粒会引起性能各向异性，降低机械性能并增加热撕裂的趋势。因此，金属增材制造的主要目标是在整个零件中用细的等轴晶粒代替粗的柱状晶粒。

澳大利亚皇家墨尔本理工大学的研究团队研究发现，在不改变合金化学性质的情况下，高频声波会对3D打印合金的内部微观结构产生显著的影响，使其比传统的打印方式更加一致、牢固。该团队使用钛合金Ti-6Al-4V作为模型合金，通过高强度超声激光粉末沉积实现 Ti-6Al-4V样品中从柱状晶粒到细微等轴晶粒的完全转变，改善了微观结构的均匀性，显著减小了β晶粒尺寸，并显着削弱固化质地，与传统的金属增材制造的柱状Ti-6Al-4V构件相比，屈服应力和拉伸强度提高了12％，合金晶体非常细小，完全等轴，这意味着它们在打印整个金属部件的各个方向上均等地形成。

该团队表明他们采用的超声波方法主要用于两种商用合金：一种是通常用于飞机部件和生物学可植入的钛合金Ti-6Al-4V，另一种是通常用于海洋和石油工业的镍基高温合金Inconel 625，并且有望应用于增材制造过程中呈现柱状晶粒结构的其他金属材料。另外，通过在打印过程中简单地打开和关闭超声波发生器，该团队还展示了如何用不同的微观结构和成分来制造3D打印对象的特定部分，未来可用于功能梯度材料的制造。

图1为金属增材制造中超声处理示意图。通过高强度超声在液态金属中形成声空化和流动，可以在凝固过程中剧烈搅动熔体，从而促进显着的结构改性或细化。

参考文献：
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