皇家墨尔本理工大学马前团队Nat. Commun.：高强度超声控制金属3D打印过程中的晶粒结构

【引言】

基于熔融的金属增材制造（AM）工艺的特点是熔池较小，并且从固液界面到液态金属的温度梯度都很陡。因此，凝固过程显示出层与层之间强烈的外延生长趋势，这导致在大多数增材制造的金属材料中沿构造方向形成柱状晶粒，这会导致性能各向异性，降低机械性能并增加热撕裂的趋势。因此，金属增材制造的关键目标是在整个零件中用细的等轴晶粒代替粗大的柱状晶粒。钛合金Ti-6Al-4V是钛行业的基准合金，也是目前研究最广泛的金属AM合金。然而，不同熔合工艺制备的Ti-6Al-4V具有较强的柱状晶粒结构。AM制造的Ti-6Al-4V中的柱状prior-β晶粒沿构造方向具有强<001>取向。这就产生了一个β→α的转变织构，这是AM鉴定的重要考虑因素，因为它导致了力学性能的各向异性。此外，根据为层状α–β Ti-6Al-4V建立的Hall-Petch关系，粗大的柱状prior-β晶粒可能会进一步降低Ti-6Al-4V的强度，这通常不利于组件鉴定或目标应用。高强度超声在从液体到固体的结晶过程中的应用会明显影响结晶材料的性能。然而，利用超声成功抑制AM过程中的柱状晶粒结构的研究尚未见报道。

【成果简介】

近日，在皇家墨尔本理工大学马前教授团队（通讯作者）带领下，与昆士兰大学合作，采用高强度超声控制AM制造的Ti-6Al-4V的凝固和晶粒结构，这使圆柱prior-β晶粒完全转变为等轴细晶粒（约100μm），从而使屈服应力和拉伸强度提高了12％。 进一步证明了所提出的方法适用于镍基高温合金Inconel 625的增材制造，基于熔合的AM具有较强的柱状晶粒，因此可以预期它同样适用于其它金属材料的AM。对增材制造过程中超声场的评估表明，对于大体积增材制造过程中超声晶粒细化，超声换能器元件的选择可能是重要的实际考虑因素，建议采用解决方案。相关成果以题为“Grain structure control during metal 3D printing by high-intensity ultrasound”发表在了Nat. Commun.上。

【图文导读】

图1 金属增材制造过程中的高强度超声

横截面示意图显示通过激光DED施加到以20 kHz的频率振动超声探头的金属AM。高强度超声在液态金属中形成的声空化和流场，可以在凝固过程中剧烈搅动熔体，从而促进明显的结构改性或细化。

图2 高强度超声细化AM制造的Ti-6Al-4V的晶粒

a，b）在没有（a）和有（b）超声处理的情况下，样品的光学显微镜图像。

c，d）偏光显微镜图像显示大的柱状晶粒（c）和细等轴晶粒（d）。

e，f）有和没有超声处理的样品的prior-β晶粒尺寸（e）和prior-β晶粒长宽比（f）的直方图。c和d中的prior-β晶界以白色表示。比例尺：1 mm。

图3 通过有和没有高强度超声的AM制造的Ti-6Al-4V的微观结构表征

a–d ）SEM图像显示了没有（a，c）和有（b，d）超声的样品中prior-β晶粒内部的α-β结构。

e，f）没有（e）和有（f）超声的样品的α板条厚度的直方图。a和b中的prior-β晶界以白色表示。比例尺：a，b中的50μm和c，d中的5μm。

图4 通过高强度超声的AM制造的Ti-6Al-4V中的织构变化

a，c）在没有（a）和有（c）超声的样品中，α相沿构建方向（z）的反极图（由EBSD测量）。

b，d）在没有（b）和有（d）超声的样品中，β相沿构建方向（z）的反极图（从a和c中的α相图重建）。

e，f）在没有（e）和有（f）超声的样品中测得α相的{0001}轮廓极图（以MUD：均匀分布的倍数）。

g，h）在没有（g）和有（h）超声的样本中重建的β相的{001}轮廓极图（在MUD中）。b和d中的黑线表示高角度晶界（取向错误> 10°）。比例尺：250μm。

图5 AM制造的Ti-6Al-4V的拉伸性能

a）未超声和有超声的样品的工程应力-应变曲线。误差棒代表三个测试的一个标准偏差。

b）在这项工作中，与超声波相比，通过化学添加，AM制造的Ti-6Al-4V的屈服应力变化。 

c）根据文献和这项工作，拉伸屈服应力与prior-β晶粒尺寸的平方根成反比。c中的实线表示最佳拟合的霍尔-佩奇线（σ_y=σ₀+ kd^-1/2，σ₀：摩擦应力；k：材料常数；d：晶粒尺寸），而虚线定义为沿线性拟合的±0.15σ₀（其中σ₀= 710 MPa）。

图6：使用和不使用高强度超声的Inconel 625的AM

a，b）在没有（a）和有（b）超声的样品中，γ相沿构建方向（z）的反极图。

c，d）在没有（c）和有（d）超声的样品中，γ相的{001}轮廓极图（以MUD：均匀分布的倍数）。

e）在AM过程中通过开启和关闭超声波制作的样品的构建方向（z）绘制反极图。 比例尺，250μm。比例尺：250μm。

图7：Ti-6Al-4V的增材制造过程中的高强度超声条件

【小结】

总之，高强度超声已被用于解决金属AM中一个长期存在的问题，即强外延生长促进了沿构建方向的柱状晶粒的形成。在Ti-6Al-4V的增材制造过程中使用超声波能够形成完全等轴的结构，从而改善了微观结构的均匀性，显着减小了prior-β晶粒尺寸，并显着削弱了凝固组织。这项工作强调了prior-β晶粒细化在AM Ti-6Al-4V的拉伸性能中的重要作用。对超声条件的评估表明，超声换能器元件的选择可以成为大批量制造AM构件结构优化的一个重要的实际考虑，建议使用磁致伸缩换能器。为了评估方法的通用性，将超声波晶粒细化方法成功应用于Inconel 625的增材制造，包括通过简单地打开和关闭超声波，沿着构建高度创建交替的柱状/等轴/柱状的Inconel 625晶粒结构。团队希望这项技术可以推广到其他金属材料的增材制造。

文献链接：Grain structure control during metal 3D printing by high-intensity ultrasound（Nat. Commun.， 2020，DOI:10.1038/s41467-019-13874-z）

本文由木文韬翻译。

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