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( 二 ) 来自哈尔滨工程大学的研究人

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图4：(a)在不同时间时熔池的声压分布；(b)在熔池中的平均声压；(c)在不同的初始半径的条件下气泡半径的变化
另外一个提高材料显微组织和机械性能的办法是超声振动技术，该技术广泛的应用到焊接工业和铸造领域中。其高强度的超声对凝固和结晶过程中的材料的显微组织和机械性能的作用曾经得到了广泛系统的研究。结果表明，在材料的凝固过程中，声空化和声流可以增加材料的孕育和减少凝固材料的分离偏析，从而可以得到细化的等轴晶。在最近，这一高强度的超声技术应用到增材制造技术当中来控制Ti-6Al-4V合金的凝固过程。结果表明Ti-6Al-4V合金的显微组织可以从粗大的柱状晶转换成等轴的晶粒，其原因是超声能场作用在沉积层中的熔池中造成的，因为高能超声波造成的声空化和声流对液态金属的作用可以使劲的搅动在凝固过程中的熔池，由此促进了凝固组织显著的改善或晶粒细化。
需要认识到的是，在介质中传播的时候，超声波存在由于声波的衰减，包括扩散衰减，散射衰减和粘性衰减的问题，超声波的能量就会随着传播距离的增加而逐渐衰减。因此，随着沉积层数量和部件尺寸的增加，超声波能量场在对部件顶部的熔池中的凝固过程中的作用就会越来越小。因此，这一技术在增材制造技术制备大尺寸部件的时候是不适用的。同时，在实施这一技术的时候，超声波能场必须自部件底部进行施加以实现同步追踪和精确的干涉沉积层顶部的熔池。这一在底部的超声装置和在顶部的高能束流的沉积必须依据扫描路径实现同轴同步，意味着这一技术不适合用来制备大尺寸和复杂形状的钛合金部件的增材制造。为了解决这一挑战，来自哈尔滨工程大学的研究人员提出了一个新颖的超声振动器件来适应超声波振动辅助增材制造技术。在这一工作中，换能器，超声幅度转换器，工具头均刚性的集成在LWAM装置中。在这一在线的显微组织改善的LWAM装置在实施的时候，每一沉积层被同步处理，枝晶的外延生长被打扰，粗大的柱状晶由于高能超声波的作用而得到细化。
在当前的研究工作中，研究人员聚焦在研究高能超声波对LWAM技术制造Ti-6Al-4V合金的显微组织的影响。首先，为了研究超声波振动的影响和确保实验结果的可行度，设计单道多层样品来进行沉积以研究超声波对沉积层在不同状态的影响。这就意味着，在沉积层中至少有四个区域，他们诱导有或无超声振动的影响。第二，高能超声波在LWAM工艺中的熔池中由于高能超声波诱导的超声空化通过有限元模拟和数值计算的办法进行了研究。最后，基于实验研究和计算的结果，显微组织从粗大的住状晶到细小的柱状晶的转变的机理也进行了研究。
主要结论
在当前的研究工作中，高能超声波用来进行在LWAM的过程中在线同步处理沉积时的每一沉积层。引入的高能超声波可以有效的打破枝晶的外延生长的倾向，细化了钛合金的显微组织到一定的程度。在沉积层中产生了大量的等轴晶。同时证明这一超声波载荷可以有效的解决在增材制造过程中粗大枝晶的形成问题。细小的晶粒可以通过优化工艺参数，包括补偿，载荷的角度，超声波输入的幅度等。这一高能超声波的处理用来提高显微组织的办法也可以应用到采用增材制造技术制造其他合金的系统中。在未来的工作中，等轴晶的形成机理，优化相关的工艺参数等问题也将被研究。
已经证明，在DEDAM制造过程中，沉积的金属部件的晶粒尺寸影响着部件的机械性能。而晶粒尺寸又受到制造工艺参数的影响。
来自俄罗斯KazanNationalResearchTechnicalUniversityNamedafterA.N.Tupolev的研究人员提出了一个新办法，利用超声波辅助的DED技术来改变Ti6Al4V钛合金的显微组织。变化超声波的频率和功率影响到粉末和激光光斑的相互作用。从而有可能实现部件的显微组织的均匀性，如果有必要，还可以实现梯度显微结构的制造，主要取决于制造的需要。在不同的频率和超声波功率的作用下，对显微组织进行了系统的研究。在高载荷作下的摩擦磨损实验结果表明，采用超声波振动后的部件，其摩擦系数要比单独采用DED的要低得多。这些结果的获得均同晶粒细化密切相关。循环载荷作用下的疲劳抗力是单独采用DED的两倍多。在采用超声波作用时，产生的不规则的针状结构的细小的晶粒是疲劳裂纹不易产生的原因。相关结果见图５－７。