哈工程：超聲能場(chǎng)輔助激光熔絲增材制造鈦合金晶粒細(xì)化技術(shù),！

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

金屬增材制造過(guò)程中,，由于材料經(jīng)過(guò)了快速的熔化和凝固,，熔池內(nèi)部產(chǎn)生大的溫度梯度和冷卻速率,，導(dǎo)致材料內(nèi)部形成粗大的柱狀晶組織（例如鈦合金絲材的增材制造組織往往呈現(xiàn)粗大柱狀晶特征）,。這些柱狀晶不但引起增材制造材料的各向異性,，而且導(dǎo)致增材制造材料的塑韌性,、損傷容限和疲勞性能較低。因此,，如何采用簡(jiǎn)單易行的工藝方法改善金屬沉積成形組織,，獲得小尺寸等軸晶組織是金屬增材制造技術(shù)推廣應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

大功率超聲能場(chǎng)已被廣泛應(yīng)用于鑄造和焊接領(lǐng)域的晶粒細(xì)化,，主要是由于超聲波在金屬熔體凝固過(guò)程中產(chǎn)生的聲空化和聲流效應(yīng),、以及引發(fā)的均勻化溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)等積極影響�,；�于��,，超聲能場(chǎng)在金屬增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用成為一種可能。

近日,，哈爾濱工程大學(xué)先進(jìn)材料成形制造團(tuán)隊(duì)提出了一種在激光熔絲增材制造（Laser and wire additive manufacturing, LWAM）過(guò)程中引入超聲振動(dòng)（Ultrasonic vibration, UV）的金屬增材制造技術(shù),，利用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法，研究了大功率超聲能場(chǎng)對(duì)增材制造過(guò)程中鈦合金的組織演化規(guī)律,。相關(guān)結(jié)果以題為“Grain refining ofTi-6Al-4V alloy fabricated by laser and wire additive manufacturing assistedwith ultrasonic vibration”發(fā)表于近期的Ultrasonics Sonochemistry,。論文第一作者為哈爾濱工程大學(xué)在讀博士生袁丁，通訊作者為哈爾濱工程大學(xué)姜風(fēng)春教授和果春煥副教授,。

論文連接：
https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105472

本研究依托的項(xiàng)目是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“大型金屬制件超聲微鍛造輔助激光增材制造技術(shù)與裝備”,，該項(xiàng)目由哈爾濱工程大學(xué)牽頭,，北京三帝科技股份有限公司、鞍鋼集團(tuán)公司,、清華大學(xué)和中國(guó)航空制造技術(shù)研究院等12家單位參與,。研究者在激光熔絲增材制造過(guò)程中同步施加了超聲沖擊作用，將超聲能場(chǎng)引入增材制造沉積過(guò)程中（詳見(jiàn)圖1）,。由于研制的超聲沖擊裝置采用了創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，使超聲波以真正的超聲頻率（20kHz）作用于熔池，發(fā)揮了大功率超聲能場(chǎng)對(duì)凝固過(guò)程的作用效果,，抑制了鈦合金粗大柱狀晶的形成（詳見(jiàn)圖2）,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈦合金增材制造構(gòu)件組織和性能的調(diào)控。后續(xù)的研究表明,，本文提出的超聲能場(chǎng)輔助成形技術(shù)中的超聲能場(chǎng)可通過(guò)對(duì)熔池的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的微觀組織和性能控制,；另外，超聲波還可同時(shí)對(duì)金屬沉積層進(jìn)行沖擊時(shí)效,，實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件殘余應(yīng)力的在線調(diào)控,，減少大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的變形開(kāi)裂傾向。由此可見(jiàn),，該技術(shù)在大型金屬構(gòu)件高能束直接沉積增材制造中具有廣泛的應(yīng)用前景,。

圖1 超聲能場(chǎng)輔助激光熔絲增材制造裝置：(a) 總體布置圖；(b) 超聲振動(dòng)裝置,；(c) 超聲能場(chǎng)輔助激光熔絲增材制造過(guò)程示意圖

圖2 超聲振動(dòng)輔助激光熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金的沉積層形貌和顯微組織觀察：(a),、(b)分別為區(qū)域‘S’和區(qū)域‘L+S’Y-Z平面的顯微組織；(c),、(d) 分別為區(qū)域‘S’和區(qū)域‘L+S’X-Z平面的顯微組織,。(e)、(f)為(d)中紅框區(qū)域的放大圖

圖3 區(qū)域‘L+S’頂層的初生β晶的晶粒尺寸和晶�,？v橫比的定量統(tǒng)計(jì)

圖4 區(qū)域‘L+S’初生β晶的極圖

上述試驗(yàn)結(jié)果證明,，大功率超聲能場(chǎng)的同步引入有效地抑制了鈦合金初生β晶的外延生長(zhǎng)趨勢(shì)，細(xì)化了鈦合金的晶粒結(jié)構(gòu),，并且促使等軸晶的形成（詳見(jiàn)圖3 和圖4）,。為了研究超聲振動(dòng)對(duì)熔池內(nèi)部的作用機(jī)制，運(yùn)用有限元模擬方法對(duì)超聲振動(dòng)過(guò)程中熔池內(nèi)部聲壓和聲空化現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,，充分揭示了這種超聲引入方式對(duì)熔池凝固過(guò)程作用的有效性（詳見(jiàn)圖5-圖7）,。

圖5 (a)沉積層的位移場(chǎng)分布；(b)沿線1和線2的位移分布,；(c)熔池附近點(diǎn)M位移時(shí)間曲線

圖6 (a)不同時(shí)刻熔池內(nèi)部聲壓分布云圖；(b)熔池內(nèi)部平均聲壓,；(c)熔池內(nèi)不同氣泡半徑變化曲線

圖7 不同超聲振幅條件下熔池內(nèi)部不同半徑氣泡的半徑變化規(guī)律：(a) 0.125MPa (本文),；(b)0.39MPa(預(yù)測(cè))

研究者成功地將超聲能場(chǎng)以同步耦合的方式引入到金屬激光熔絲增材制造過(guò)程中,，研究結(jié)果表明，超聲振動(dòng)的引入對(duì)增材制造過(guò)程中的凝固組織將產(chǎn)生積極影響,，能夠有效抑制柱狀晶的生長(zhǎng),、弱化織構(gòu)以及促使等軸晶的形成。這種方法的提出為解決金屬增材制造粗大柱狀晶組織問(wèn)題提供了一種適用的技術(shù),，可用于大型金屬構(gòu)件增材制造過(guò)程組織性能的在線調(diào)控,。

團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介：
哈爾濱工程大學(xué)先進(jìn)材料成形制造團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有教授3人，副教授5人,，講師（工程師）7人,，研究生60余人，2017年入選黑龍江省增材制造創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),。主要開(kāi)展先進(jìn)金屬?gòu)?fù)合材料設(shè)計(jì)與成形制造,、激光增減材復(fù)合制造等研究，近年來(lái),，團(tuán)隊(duì)先后承擔(dān)了國(guó)家科技部,、軍委、科工局以及省市地方的科研項(xiàng)目,。在先進(jìn)材料成形制造領(lǐng)域取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性的成果,，在超聲波快速固結(jié)成形和超聲能場(chǎng)輔助增材制造方面具有優(yōu)勢(shì)。團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利30余項(xiàng),，獲得授權(quán)專利10余項(xiàng),，發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇。