来自哈尔滨工程大学的研究人员，发展了一种超声波辅助激光熔丝增材制造的技术，引入高强度的超声波后可以有效的扰乱先生β相的外延生长倾向和减弱先生β相的织构强度，可以将粗大的柱状晶细化为等轴晶。

Ti-6Al-4V增材制造的时候形成粗大的柱状晶会降低增材制造部件的机械性能，阻碍了增材制造技术在工程领域中的应用。为了细化材料的显微组织，采用高能超声的空化作用和声流效应在金属凝固的时候进行施加，发展了一个超声振动技术来同步耦合激光丝材增材制造技术。结果发现引入高强度的超声波后可以有效的扰乱先生β相的外延生长倾向和减弱先生β相的织构强度。Ti-6Al-4V合金的显微组织自典型的粗大的晶体转变为细小的柱状晶。模拟结果证实了高强度超声产生的超声空化效应施加到熔池中是结晶特征的关键因素。

激光送丝增材制造技术(LWAM)是一种新颖的增材制造技术。具有制造成本低，沉积效率高的优点。这一技术可以应用来制造大型的和复杂的结构，可以由不同的金属和合金来进行制造。然而，由于该制造工艺具有快速熔化和快速凝固的特点，从而导致熔池存在非常急剧的温度梯度，这就导致在大多数的金属增材制造部件中形成粗大的柱状晶。这些粗大的柱状晶会导致明显的各向异性，另外一方面，也会导致LWAM制造的部件的强度，韧性，损伤容限和疲劳性能比常规的锻造的部件的性能要低。因此，以上提到的缺陷限制了LWAM技术在金属部件的增材制造上的应用，尤其是在工业中所使用的大型部件上的应用。

▲图1. 配备超声振动的LWAM技术的设置图： (a)整体排列图；(b)超声振动装置；(c)超声辅助LWAM技术的原理示意图。

Ti-6Al-4V具有低密度，高强度，优异的耐腐蚀性能和高温机械性能，从而广泛的应用在航空，交通，生物和其他领域中。最近，许多研究人员采用增材制造技术来制备轻质和复杂的钛合金部件。采用不同的增材制造技术制造的Ti-6Al-4V合金的部件的显微组织和机械性能进行了大量的研究。大量的结果表明，Ti-6Al-4V合金在增材制造的时候容易生成粗大的柱状晶，同时柱状晶会横跨好几个沉积层。最大的晶粒尺寸在制造方向上可以达到几个毫米，从而造成性能分布上的各向异性和机械性能差的后果。因此，如何采用简单且有效的办法提高沉积Ti-6Al-4V的显微组织和获得小尺寸的等轴晶粒成为Ti-6Al-4V钛合金增材制造是急需解决 的一个问题。

▲图2. 采用超声振动辅助LWAM制造Ti6Al4V合金时的显微组织和形貌图：(a) 和(b)分别是 Y-Z平面‘S’区域的显微组织和‘L + S’区域的显微组织，相应的，(c)和 (d)是X-Z平面的显微组织；(e) 和(f) 在（d）中标示的区域的显微组织。先生的β 晶界采用红色进行追踪。

在SLM增材制造Ti-6Al-4V合金时，尝试优化增材制造的工艺参数曾经在原位马氏体分解完全时进行实施，其机械性能有显著的改善。然而，基于LWAM技术的特征，通过改变工艺状态来促进在LWAM过程中的Ti-6Al-4V合金的等轴晶的生长还是非常困难的。有些研究人员发现钛合金的孕育能力可以通过添加合金元素来提高，诸如铜元素。结果表明在凝固过程中的钛合金的孕育速率可以通过添加Cu元素来得到提高，Ti-Cu合金在增材制造后可以获得细小的等轴晶，且是在没有任何热处理的前提下获得的。另外的研究表明痕量的B添加到 Ti-6Al-4V合金中，通过电弧丝材增材制造技术进行制造时，可以显著的消除增材制造 Ti-6Al-4V合金时所得到的各向异性。然而，在 Ti-6Al-4V合金中引入合金元素后，同原始材料相比较，会改变合金的组成和其他性能，会导致形成脆性相，如TiB和Ti2Cu相等，从而造成在熔池凝固的过程中造成一定程度的分离。同时这一技术在通过添加合金元素的办法进行提高显微组织和机械性能的办法在实际应用时如果对钛合金的成分有严格的要求的时候受到限制的。

图3. 样品中区域‘L+S’Y-Z平面处的先生β相的极图

除了以上提到的添加化学元素到钛合金的办法，这里还存在两个在线的办法来提高钛合金部件的显微组织和获得等轴的细晶粒，他们称之为机械辊压技术和超声振动技术。研究曾经发现，当辊压技术施加到WAAM工艺中的每一沉积层的时候，通常粗大的mm级别的柱状 β晶结构可以细化到<100 μm，从而减少了材料中β相和α相的织构强度，减弱了材料的各向异性和提高了Ti-6Al-4V合金的性能。然而，在施加辊压的时候，需要至少大于75 kN的力施加到沉积层上才能确保沉积层产生大的塑性变形而达到细化晶粒的目的，此时才会产生严重的塑性变形，当大型的载荷施加到薄壁墙结构或复杂部件中的内部空穴时，严重的时候还会损伤薄壁墙结构。因此，在增材制造复杂形状的部件的时候，这一办法对控制钛合金部件的晶粒尺寸并不适用。

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。

延伸阅读

已经证明，在DED AM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Kazan National Research Technical University Named after A.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。

图5：有无超声波进行DED增材制造Ti6Al4V钛合金的对比图

▲图解：第一排：在采用 DED (а) 和 UDED工艺时截面的金相照片，超声波的参数为 ν =100 kHz 和 P = 65 % (b); 第二排：在采用 DED (а)和 UDED (b)工艺制造部件时的横向截面的金相照片; 第三排：在 DED (a) 和 UDED (b) 工艺过程中显微结构形成的理论示意图(UDED标示超声波辅助DED).

图6. 采用超声波和没有超声波进行DED技术制造Ti6Al4V钛合金燃气涡轮发动机叶片部件的对比图

来自德克萨斯理工大学(Texas Tech University,简称TTU)的研究学者则给出了超声波振动对液态材料在凝固过程中所起到的作用，见下图7。

图7. 超声波振动作用对液态材料凝固过程的影响