哈工大：新型水下送丝激光增材制造技术，提高海洋工程装备原位维护和应急修复的质量

来源：WLAM激光送丝增材

钛合金，尤其是Ti-6Al-4V，由于其卓越的耐腐蚀性和高比强度，逐渐被应用于海洋结构如管道、深海潜水器和钻井平台中。在恶劣的海洋环境中，这些结构易受腐蚀、侵蚀和静水压力的影响，容易在其长时间使用中产生蚀坑、裂纹等损伤。因此，对海洋工程装备进行原位维护和应急修复，满足高精度成形和优异性能的要求，已成为确保工程安全、经济有效地延长关键部件使用寿命的重要需求。

为了满足海洋工程领域的需求，研究小组开发了一种独创的水下激光增材制造方法，称为水下送丝增材制造（ULDED）并证实了其水下操作的可行性，即使用激光沉积喷嘴在水下增材制造区域附近创造局部干燥空腔。然而，使用送粉ULDED方法修复的样品表面不平整，表面粗糙度较大，特别是在两端有明显的凹陷，并且存在气孔、氧化层和裂纹等宏观缺陷。因此，研究团队进一步探索了送丝的ULDED方法，以提高在恶劣的海洋环境中原位修复的质量。

近日，哈尔滨工业大学同山东船舶技术研究院在工程技术领域顶刊Virtual and Physical Prototyping上发表了题为"Fundamental investigation into mass transfer process and microstructural transformation pathways in Ti-6Al-4V via underwater wire-laser directed energy depositio"的研究成果。在这项工作中，研究团队利用自行设计的气体保护喷嘴开发并实施了ULDED技术；提出了一种新方法来研究 ULDED 过程中的传质行为，并设计出控制传质的机制，以提高制造稳定性并优化成型性。此外，还阐明了 不同区域ULDED 成型壁的微观结构转变途径，可以通过适当选择ULDED热输入和利用固有热处理（IHT）效应，在原位定制微结构和机械性能。

图 1. 送丝ULDED 实验系统

图 2. X 射线高速成像系统示意图

图 3. 金相结构和拉伸试验试样的位置

图 4. 不同气体流速下 ULDED 过程中

残留水的流动模式以及单个珠子的表面外观、

轮廓和横截面。(a) 10 L/min (b) 14 L/min

(c) 18 L/min (d) 20 L/min (e) 20 L/min

图 5：(a) 不同气体流速下 UWLD 过程中

局部干燥腔内残留水层的深度。

(b) 10 L/min 时激光照射区周围的高速图像。

(c) 14 L/min (d) 18 L/min

(e) 20 L/min (f) 30 L/min 气体流速

图 6. (a) 液滴传输模式下的金属丝熔化和传质过程

(b, c) 液滴加热和受力分析示意图

(d) 液桥受力分析示意图

图 7. (a) 液滴传输模式下的单轨表面外观

(b) 液体传输模式和 (c) 扩散传输模式

图 8. (a) 液桥传递模式下的金属丝熔化和传质过程

(b、c）加热和受力分析示意图

图 9. (a) 线材在平展传输模式下的熔化和传质过程

(b、c）加热和受力分析示意图

图 10. 层间增量为 0.5 mm的 ULDED 薄壁样品

制造过程中的传质行为

(a) 第一层 (b) 第二层

(c) 第三层 (d) 第七层

图 11. 层间增量为 0.9 mm的 ULDED 薄壁样品

制造过程中的传质行为

(a) 第一层。(b) 第二层。

(c) 第五层。(d) 第九层

图 12. 层间增量为 1.1 mm的 ULDED 薄壁样品

制造过程中的传质行为。(a) 第一层。(b) 第二层。

(c) 第七层。(d) 第九层

图 13. 不同层间增量下 ULDED 薄壁样品

的表面形貌。(a) 0.5 mm。(b) 0.7 mm。

(c) 0.9 mm。(d) 1.1 mm

图 14. 0.5 毫米层间增量的 ULDED 薄壁样品

制造过程中的加热和受力分析示意图

(a1, a2) 第一层。(b) 第二层。

(c1, c2) 后续层

图 15. 1.1 毫米层间增量的 ULDED 薄壁样品

制造过程中的加热和力分析示意图。

(a) 初始阶段。(b, c) 后期阶段

图 16. 不同热输入下薄壁样品的表面形态

(a) 200 W/mm (b) 250 W/mm

(c) 312.5 W/mm

关键结论
1. 开发了一种新型水下送丝激光增材制造（ULDED）技术。局部干燥腔内波动的残余水层和气溶胶颗粒会吸收、散射和折射激光束，高密度的氧气和氢气会促进缺陷的形成，导致珠粒不均匀和缠绕，并伴有裂缝和气孔。

2. 在建立稳定的局部干腔后，观察到了液滴传输、液桥传输和扩散传输模式。在表面张力和重力的持续作用下，液桥模式促进了金属丝的充分熔化和通过液桥的顺利转移，而不会出现缩颈现象，因此表现出卓越的工艺稳定性和成型质量。

3. 通过对原料金属的加热和受力条件进行微调，可控制传质行为，使其在整个 ULDED 过程中都有利于液桥模式。这种方法成功地消除了沉积缺陷，并在各种热输入条件下实现了具有优异成型性和表面质量的 ULDED 壁。

4. 在 200 W/mm 的热输入条件下，顶部区域的微观结构以具有层次排列的针状 α′ 马氏体为特征。在底部区域，经过多次热循环后，α′→α+β分解产生了片状α，破坏并取代了之前的α′，同时保留了α′马氏体的形态和结晶特征。

5. 随着热输入或热累积的增加，α板条源于扩散控制转变（β→α），而非马氏体分解。α+β结构包括从连续的GB-α（装饰前β晶界）开始平行生长的α板条群组成，同时在前β晶粒内形成篮织微结构。


通讯作者
郭宁，哈尔滨工业大学（威海）研究生处（学科办）处长，长聘教授/博士生导师。主要从事极端环境焊接/增材制造、特种焊接技术与装备的研究工作。中国材料研究学会青年工作委员会理事、中国机械工程学会表面工程分会委员、中国焊接学会计算机辅助焊接工程专业委员会委员、中国航海学会救助打捞专业委员会委员。曾获山东省泰山学者青年专家，“十二五”机械工业先进科技工作者的荣誉称号。



论文引用
Yunlong Fu，Mengqiu Yu , Di Wu , Zhiming Zhao , Dexin Wang and Ning Guo. Fundamental investigation into mass transfer process and microstructural transformation pathways in Ti-6Al-4V via underwater wire-laser directed energy deposition: Virtual and Physical Prototyping19(2024)-Issue 1.

DOI: https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2374051