NASA顶刊丨超声激励对激光粉末床熔融Ti-6Al-4V熔池动态特性及微观结构的影响机制
点击关注·聚焦3D打印技术👆 粉末床熔融（PBF）增材制造（AM）技术中，因其工艺特有的宽幅温度梯度，经由前期沉积层的外延机制，加速了柱状晶的形成过程，这些定向排列的柱状晶结构引发了显著的机械各向异性，导致成品零件微观结构差异较大，为AM组件的性能预测引入了不确定性。 而在凝固期间加入超声激励，不仅可以对微观结构进行改性，还能避免调整粉末组成。该技术作用机制多元，主要涉及空化效应与声流现象。空化过程通过微小气泡在高温高压环境下的膨胀、溃灭，释放强烈冲击波，进而打断晶枝生长并促进等轴晶的形成，同时，伴随的压力波动导致的局部过冷有利于异质形核。另一方面，声流通过声能的吸收改变熔池流动模式，有效减缓局部温度梯度，促使成核颗粒均匀分布并使枝晶重熔后形成新核，从而优化微观结构。关注公众 号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！ 美国国家航空航天局（NASA）下设的研究机构兰利研究中心的研究人员针对高强度超声在PBF凝固条件下对熔池动态及Ti-6Al-4V微观结构的作用机制进行了深入探索。通过精密控制激光扫描速率与超声波激发参数，并结合线性扫描与无粉末区扫描实验，系统分析了二者对熔池特性和晶粒形态的影响。同时，利用温度场模拟估算了凝固速率与温度梯度，并与已知的柱状至等轴晶转变图谱进行比对。此外，采用耦合场声弹性有限元模拟方法评估加工中声压分布，并借助Keller-Miksis模型预测空化现象及其潜在的空腔尺度变化。通过对比有无超声条件下样品的微观结构分析，研究揭示超声波作用下晶粒的纵横比普遍减小，但对等效晶粒直径的影响仍需进一步明确。 尤为重要的是，本研究指出，在PBF工艺框架内，超声波激励对微观结构优化的主要贡献可能更多地归因于声流效应而非空化作用，这一发现为后续优化AM部件的微观结构与性能提供了新的视角和理论依据。 图1. 在（a、b、c）无超声和（d，e，f）有超声条件下，采用三种扫描速度单道扫描样品后其顶面和横截面的光学显微镜图像；（e-3）有超声条件下扫描速度为0.7 m/s的表面高分辨率图像显示了表面的球形孔隙 图2. 在（a）锁孔模式和（b）传导模式下，有超声和无超声条件下测量的熔池深度的平均值、标准偏差与模拟熔池深度，以及吸收率为0.34的（c）粉末床熔融和（d）定向能沉积下的模拟温度场示例 图3. 在（a，b）0.4 m/s，（c，d）0.7 m/s和（e，f）1.0 m/s扫描速度下，（a，c，e）有超声和（b，d，f）无超声条件下重构的原始β晶粒 图4. 等轴、混合和柱状晶生长的Hunt准则曲线的CET图 相关研究成果以题为 “Influence of ultrasonic excitation on the melt pool and microstructure characteristics of Ti-6Al-4V at powder bed fusion additive manufacturing solidification velocities” 的论文发表在增材制造国际顶刊《Additive Manufacturing》上。来源：增材制造硕博联盟
