高強度超聲用于鈦合金Ti-6Al-4V的晶粒結構控制

隨著金屬3D打印繼續(xù)引領下一次工業(yè)革命，澳大利亞的工程師正在進一步研究以研究改善機械性能的改進方法。選擇鈦合金制成用于實驗和測試的樣品，作者在最近發(fā)表的“ 通過高強度超聲在金屬3D打印過程中控制晶粒結構 ”中概述了他們的發(fā)現(xiàn)。

樣品由10毫米×10毫米×10毫米的立方體進行微觀結構檢查，并由24毫米×8毫米×10毫米（長，寬和高）的塊體進行拉伸測試。研究人員根本不需要改變合金，而是采用增材制造的凝固控制解決方案來印刷具有等軸晶粒結構的金屬合金，以防止性能各向異性并因此降低機械性能。在這項研究中，使用鈦合金Ti-6Al-4V。作為鈦的“基準合金”，也是許多研究的主題，鈦合金Ti-6Al-4V用作金屬AM工藝中質(zhì)量的比較。

“但是，通過不同的基于熔融的AM工藝制造的Ti-6Al-4V表現(xiàn)出很強的柱狀晶粒結構。AM制造的Ti-6Al-4V中的柱狀先驗β晶粒沿構造方向具有強<001>取向。這導致產(chǎn)生一個β→α轉變織構，這是AM鑒定的一個重要問題，因為其導致的機械性能各向異性。”研究人員解釋說，此外，根據(jù)為層狀α-βTi-6Al-4V21-23建立的Hall-Petch關系，粗大的柱狀先驗β晶粒可能會進一步降低Ti-6Al-4V的強度（可能存在例外）。”

金屬AM期間的高強度超聲。橫截面示意圖顯示了通過基于激光的DED施加到以20 kHz振動的超聲超聲波上的金屬AM。高強度超聲波在液態(tài)金屬中形成的空化和流化現(xiàn)象會在凝固過程中劇烈攪動熔體，從而促進顯著的結構改性或精煉。

盡管在金屬3D打印中很難找到堅固且穩(wěn)定的成核合金，但Ti-6Al-4V正是這樣。

a，b在沒有（a）和有（b）超聲的情況下，樣品的光學顯微鏡圖像 c，d偏光顯微鏡圖像顯示大的柱狀晶粒（c）和細等軸晶粒（d）。e，f從跟蹤的先驗β晶粒圖像中測量的有和沒有超聲的樣品的先驗β晶粒尺寸（e）和先驗β晶粒長寬比（f）的直方圖（參見補充圖1）。c和d中的先驗β晶界以白色表示。比例尺，1毫米。

使用Ti-6Al-4V在有和沒有高強度超聲的情況下制備樣品。所得的微結構分析顯示出樣品之間的顯著差異，因為沒有超聲的樣品顯示出圓柱狀的先驗β晶粒，其長度為幾毫米，寬度為〜0.5 mm，穿過多個沉積層（如研究人員所預期的），而用于超聲的樣品表明細（〜100 μm），等軸先驗β晶粒。在用掃描電子顯微鏡（SEM）掃描了所有樣品后，研究人員注意到先驗β晶粒內(nèi)的籃狀α-β微觀結構。

最終，研究表明，在Ti-6Al-4V的AM處理過程中使用超聲波可以形成完全等軸的結構，從而導致：

• 改善微觀結構的同質(zhì)性
• 先前的β晶粒尺寸顯著減小
• 明顯削弱凝固組織
  

研究人員總結說：“對超聲條件的評估表明，對于大批量制造AM零件的結構改進，超聲換能器元件的選擇可能是重要的實際考慮因素，建議使用磁致伸縮換能器。”

“為評估我們方法的通用性，超聲晶粒細化方法已成功應用于Inconel 625的增材制造，包括通過簡單地打開和關閉沿構造高度創(chuàng)建交替的柱狀/等軸/柱狀Inconel 625晶粒結構的方法。在AM期間進行超聲檢查。我們希望該技術可以擴展到其他金屬材料的增材制造。”

帶有和不帶有高強度超聲的AM制造的Ti-6Al-4V的微觀結構表征。a–d SEM圖像顯示了沒有（a，c）和（b，d）超聲的樣品中先驗β晶粒內(nèi)部的α-β結構。e，f沒有（e）和有（f）超聲的樣品的α板條厚度的直方圖。a和b中的先驗β晶界以白色表示。比例尺，a，b分別為50μm和c，d均為5μm。

隨著金屬3D打印的普及-工業(yè)用戶開始更多地依賴于增材制造工藝，研究人員正在研究鈦粉，因為它顯示出了許多應用的潛力。例如，在關鍵外科手術中制造醫(yī)療植入物，協(xié)助骨骼再生等。


編譯：3dprint