超声波能场辅助激光熔丝增材制造钛合金细化晶粒的技术来自哈尔滨工程大学的研究人

来自哈尔滨工程大学的研究人员，发展了一种超声波辅助激光熔丝增材制造的技术，引入高强度的超声波后可以有效的扰乱先生β相的外延生长倾向和减弱先生β相的织构强度，可以将粗大的柱状晶细化为等轴晶。
Ti-6Al-4V增材制造的时候形成粗大的柱状晶会降低增材制造部件的机械性能，阻碍了增材制造技术在工程领域中的应用。为了细化材料的显微组织，采用高能超声的空化作用和声流效应在金属凝固的时候进行施加，发展了一个超声振动技术来同步耦合激光丝材增材制造技术。结果发现引入高强度的超声波后可以有效的扰乱先生β相的外延生长倾向和减弱先生β相的织构强度。 Ti-6Al-4V合金的显微组织自典型的粗大的晶体转变为细小的柱状晶。模拟结果证实了高强度超声产生的超声空化效应施加到熔池中是结晶特征的关键因素。
激光送丝增材制造技术(LWAM)是一种新颖的增材制造技术。具有制造成本低，沉积效率高的优点。这一技术可以应用来制造大型的和复杂的结构，可以由不同的金属和合金来进行制造。然而，由于该制造工艺具有快速熔化和快速凝固的特点，从而导致熔池存在非常急剧的温度梯度，这就导致在大多数的金属增材制造部件中形成粗大的柱状晶。这些粗大的柱状晶会导致明显的各向异性，另外一方面，也会导致LWAM制造的部件的强度，韧性，损伤容限和疲劳性能比常规的锻造的部件的性能要低。因此，以上提到的缺陷限制了LWAM技术在金属部件的增材制造上的应用，尤其是在工业中所使用的大型部件上的应用。

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▲图1.配备超声振动的LWAM技术的设置图：(a)整体排列图；(b)超声振动装置；(c)超声辅助LWAM技术的原理示意图。
Ti-6Al-4V具有低密度，高强度，优异的耐腐蚀性能和高温机械性能，从而广泛的应用在航空，交通，生物和其他领域中。最近，许多研究人员采用增材制造技术来制备轻质和复杂的钛合金部件。采用不同的增材制造技术制造的Ti-6Al-4V合金的部件的显微组织和机械性能进行了大量的研究。大量的结果表明， Ti-6Al-4V合金在增材制造的时候容易生成粗大的柱状晶，同时柱状晶会横跨好几个沉积层。最大的晶粒尺寸在制造方向上可以达到几个毫米，从而造成性能分布上的各向异性和机械性能差的后果。因此，如何采用简单且有效的办法提高沉积Ti-6Al-4V的显微组织和获得小尺寸的等轴晶粒成为Ti-6Al-4V钛合金增材制造是急需解决的一个问题。

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▲图2.采用超声振动辅助LWAM制造Ti6Al4V合金时的显微组织和形貌图：(a)和(b)分别是Y-Z平面‘S’区域的显微组织和‘L+S’区域的显微组织，相应的， (c)和(d)是X-Z平面的显微组织；(e)和(f)在（d）中标示的区域的显微组织。先生的β晶界采用红色进行追踪。
在SLM增材制造Ti-6Al-4V合金时，尝试优化增材制造的工艺参数曾经在原位马氏体分解完全时进行实施，其机械性能有显著的改善。然而，基于LWAM技术的特征，通过改变工艺状态来促进在LWAM过程中的Ti-6Al-4V合金的等轴晶的生长还是非常困难的。有些研究人员发现钛合金的孕育能力可以通过添加合金元素来提高，诸如铜元素。结果表明在凝固过程中的钛合金的孕育速率可以通过添加Cu元素来得到提高， Ti-Cu合金在增材制造后可以获得细小的等轴晶，且是在没有任何热处理的前提下获得的。另外的研究表明痕量的B添加到Ti-6Al-4V合金中，通过电弧丝材增材制造技术进行制造时，可以显著的消除增材制造Ti-6Al-4V合金时所得到的各向异性。然而，在Ti-6Al-4V合金中引入合金元素后，同原始材料相比较，会改变合金的组成和其他性能，会导致形成脆性相，如TiB和Ti2Cu相等，从而造成在熔池凝固的过程中造成一定程度的分离。同时这一技术在通过添加合金元素的办法进行提高显微组织和机械性能的办法在实际应用时如果对钛合金的成分有严格的要求的时候受到限制的。
【超声波能场辅助激光熔丝增材制造钛合金细化晶粒的技术】

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图3.样品中区域‘L+S’Y-Z平面处的先生β相的极图
除了以上提到的添加化学元素到钛合金的办法，这里还存在两个在线的办法来提高钛合金部件的显微组织和获得等轴的细晶粒，他们称之为机械辊压技术和超声振动技术。研究曾经发现，当辊压技术施加到WAAM工艺中的每一沉积层的时候，通常粗大的mm级别的柱状β晶结构可以细化到<100μm ，从而减少了材料中β相和α相的织构强度，减弱了材料的各向异性和提高了Ti-6Al-4V合金的性能。然而，在施加辊压的时候，需要至少大于75kN的力施加到沉积层上才能确保沉积层产生大的塑性变形而达到细化晶粒的目的，此时才会产生严重的塑性变形，当大型的载荷施加到薄壁墙结构或复杂部件中的内部空穴时，严重的时候还会损伤薄壁墙结构。因此，在增材制造复杂形状的部件的时候，这一办法对控制钛合金部件的晶粒尺寸并不适用。