皇家墨爾本理工大學馬前團隊Nat. Commun.：高強度超聲控制金屬3D打印過程中的晶粒結構

【引言】

基于熔融的金屬增材制造（AM）工藝的特點是熔池較小，并且從固液界面到液態金屬的溫度梯度都很陡。因此，凝固過程顯示出層與層之間強烈的外延生長趨勢，這導致在大多數增材制造的金屬材料中沿構造方向形成柱狀晶粒，這會導致性能各向異性，降低機械性能并增加熱撕裂的趨勢。因此，金屬增材制造的關鍵目標是在整個零件中用細的等軸晶粒代替粗大的柱狀晶粒。鈦合金Ti-6Al-4V是鈦行業的基準合金，也是目前研究最廣泛的金屬AM合金。然而，不同熔合工藝制備的Ti-6Al-4V具有較強的柱狀晶粒結構。AM制造的Ti-6Al-4V中的柱狀prior-β晶粒沿構造方向具有強<001>取向。這就產生了一個β→α的轉變織構，這是AM鑒定的重要考慮因素，因為它導致了力學性能的各向異性。此外，根據為層狀α–β Ti-6Al-4V建立的Hall-Petch關系，粗大的柱狀prior-β晶粒可能會進一步降低Ti-6Al-4V的強度，這通常不利于組件鑒定或目標應用。高強度超聲在從液體到固體的結晶過程中的應用會明顯影響結晶材料的性能。然而，利用超聲成功抑制AM過程中的柱狀晶粒結構的研究尚未見報道。

【成果簡介】

近日，在皇家墨爾本理工大學馬前教授團隊（通訊作者）帶領下，與昆士蘭大學合作，采用高強度超聲控制AM制造的Ti-6Al-4V的凝固和晶粒結構，這使圓柱prior-β晶粒完全轉變為等軸細晶粒（約100μm），從而使屈服應力和拉伸強度提高了12％。 進一步證明了所提出的方法適用于鎳基高溫合金Inconel 625的增材制造，基于熔合的AM具有較強的柱狀晶粒，因此可以預期它同樣適用于其它金屬材料的AM。對增材制造過程中超聲場的評估表明，對于大體積增材制造過程中超聲晶粒細化，超聲換能器元件的選擇可能是重要的實際考慮因素，建議采用解決方案。相關成果以題為“Grain structure control during metal 3D printing?by high-intensity ultrasound”發表在了Nat. Commun.上。

【圖文導讀】

圖1?金屬增材制造過程中的高強度超聲

橫截面示意圖顯示通過激光DED施加到以20 kHz的頻率振動超聲探頭的金屬AM。高強度超聲在液態金屬中形成的聲空化和流場，可以在凝固過程中劇烈攪動熔體，從而促進明顯的結構改性或細化。

圖2?高強度超聲細化AM制造的Ti-6Al-4V的晶粒

a，b）在沒有（a）和有（b）超聲處理的情況下，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）有和沒有超聲處理的樣品的prior-β晶粒尺寸（e）和prior-β晶粒長寬比（f）的直方圖。c和d中的prior-β晶界以白色表示。比例尺：1 mm。

圖3?通過有和沒有高強度超聲的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）和有（b，d）超聲的樣品中prior-β晶粒內部的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prior-β晶界以白色表示。比例尺：a，b中的50μm和c，d中的5μm。

圖4 通過高強度超聲的AM制造的Ti-6Al-4V中的織構變化

a，c）在沒有（a）和有（c）超聲的樣品中，α相沿構建方向（z）的反極圖（由EBSD測量）。

b，d）在沒有（b）和有（d）超聲的樣品中，β相沿構建方向（z）的反極圖（從a和c中的α相圖重建）。

e，f）在沒有（e）和有（f）超聲的樣品中測得α相的{0001}輪廓極圖（以MUD：均勻分布的倍數）。

g，h）在沒有（g）和有（h）超聲的樣本中重建的β相的{001}輪廓極圖（在MUD中）。b和d中的黑線表示高角度晶界（取向錯誤> 10°）。比例尺：250μm。

圖5?AM制造的Ti-6Al-4V的拉伸性能

a）未超聲和有超聲的樣品的工程應力-應變曲線。誤差棒代表三個測試的一個標準偏差。

b）在這項工作中，與超聲波相比，通過化學添加，AM制造的Ti-6Al-4V的屈服應力變化。?

c）根據文獻和這項工作，拉伸屈服應力與prior-β晶粒尺寸的平方根成反比。c中的實線表示最佳擬合的霍爾-佩奇線（σ_y=σ₀+ kd^-1/2，σ₀：摩擦應力；k：材料常數；d：晶粒尺寸），而虛線定義為沿線性擬合的±0.15σ₀（其中σ₀= 710 MPa）。

圖6：使用和不使用高強度超聲的Inconel 625的AM

a，b）在沒有（a）和有（b）超聲的樣品中，γ相沿構建方向（z）的反極圖。

c，d）在沒有（c）和有（d）超聲的樣品中，γ相的{001}輪廓極圖（以MUD：均勻分布的倍數）。

e）在AM過程中通過開啟和關閉超聲波制作的樣品的構建方向（z）繪制反極圖。 比例尺，250μm。比例尺：250μm。

圖7：Ti-6Al-4V的增材制造過程中的高強度超聲條件

【小結】

總之，高強度超聲已被用于解決金屬AM中一個長期存在的問題，即強外延生長促進了沿構建方向的柱狀晶粒的形成。在Ti-6Al-4V的增材制造過程中使用超聲波能夠形成完全等軸的結構，從而改善了微觀結構的均勻性，顯著減小了prior-β晶粒尺寸，并顯著削弱了凝固組織。這項工作強調了prior-β晶粒細化在AM Ti-6Al-4V的拉伸性能中的重要作用。對超聲條件的評估表明，超聲換能器元件的選擇可以成為大批量制造AM構件結構優化的一個重要的實際考慮，建議使用磁致伸縮換能器。為了評估方法的通用性，將超聲波晶粒細化方法成功應用于Inconel 625的增材制造，包括通過簡單地打開和關閉超聲波，沿著構建高度創建交替的柱狀/等軸/柱狀的Inconel 625晶粒結構。團隊希望這項技術可以推廣到其他金屬材料的增材制造。

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

本文由木文韜翻譯。

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