哈工大：新型水下送絲激光增材制造技術(shù)，提高海洋工程裝備原位維護和應(yīng)急修復的質(zhì)量

來源：WLAM激光送絲增材

鈦合金，尤其是Ti-6Al-4V，由于其卓越的耐腐蝕性和高比強度，逐漸被應(yīng)用于海洋結(jié)構(gòu)如管道、深海潛水器和鉆井平臺中。在惡劣的海洋環(huán)境中，這些結(jié)構(gòu)易受腐蝕、侵蝕和靜水壓力的影響，容易在其長時間使用中產(chǎn)生蝕坑、裂紋等損傷。因此，對海洋工程裝備進行原位維護和應(yīng)急修復，滿足高精度成形和優(yōu)異性能的要求，已成為確保工程安全、經(jīng)濟有效地延長關(guān)鍵部件使用壽命的重要需求。

為了滿足海洋工程領(lǐng)域的需求，研究小組開發(fā)了一種獨創(chuàng)的水下激光增材制造方法，稱為水下送絲增材制造（ULDED）并證實了其水下操作的可行性，即使用激光沉積噴嘴在水下增材制造區(qū)域附近創(chuàng)造局部干燥空腔。然而，使用送粉ULDED方法修復的樣品表面不平整，表面粗糙度較大，特別是在兩端有明顯的凹陷，并且存在氣孔、氧化層和裂紋等宏觀缺陷。因此，研究團隊進一步探索了送絲的ULDED方法，以提高在惡劣的海洋環(huán)境中原位修復的質(zhì)量。

近日，哈爾濱工業(yè)大學同山東船舶技術(shù)研究院在工程技術(shù)領(lǐng)域頂刊Virtual and Physical Prototyping上發(fā)表了題為"Fundamental investigation into mass transfer process and microstructural transformation pathways in Ti-6Al-4V via underwater wire-laser directed energy depositio"的研究成果。在這項工作中，研究團隊利用自行設(shè)計的氣體保護噴嘴開發(fā)并實施了ULDED技術(shù)；提出了一種新方法來研究 ULDED 過程中的傳質(zhì)行為，并設(shè)計出控制傳質(zhì)的機制，以提高制造穩(wěn)定性并優(yōu)化成型性。此外，還闡明了 不同區(qū)域ULDED 成型壁的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變途徑，可以通過適當選擇ULDED熱輸入和利用固有熱處理（IHT）效應(yīng)，在原位定制微結(jié)構(gòu)和機械性能。

圖 1. 送絲ULDED 實驗系統(tǒng)

圖 2. X 射線高速成像系統(tǒng)示意圖

圖 3. 金相結(jié)構(gòu)和拉伸試驗試樣的位置

圖 4. 不同氣體流速下 ULDED 過程中

殘留水的流動模式以及單個珠子的表面外觀、

輪廓和橫截面。(a) 10 L/min (b) 14 L/min

(c) 18 L/min (d) 20 L/min (e) 20 L/min

圖 5：(a) 不同氣體流速下 UWLD 過程中

局部干燥腔內(nèi)殘留水層的深度。

(b) 10 L/min 時激光照射區(qū)周圍的高速圖像。

(c) 14 L/min (d) 18 L/min

(e) 20 L/min (f) 30 L/min 氣體流速

圖 6. (a) 液滴傳輸模式下的金屬絲熔化和傳質(zhì)過程

(b, c) 液滴加熱和受力分析示意圖

(d) 液橋受力分析示意圖

圖 7. (a) 液滴傳輸模式下的單軌表面外觀

(b) 液體傳輸模式和 (c) 擴散傳輸模式

圖 8. (a) 液橋傳遞模式下的金屬絲熔化和傳質(zhì)過程

(b、c）加熱和受力分析示意圖

圖 9. (a) 線材在平展傳輸模式下的熔化和傳質(zhì)過程

(b、c）加熱和受力分析示意圖

圖 10. 層間增量為 0.5 mm的 ULDED 薄壁樣品

制造過程中的傳質(zhì)行為

(a) 第一層 (b) 第二層

(c) 第三層 (d) 第七層

圖 11. 層間增量為 0.9 mm的 ULDED 薄壁樣品

制造過程中的傳質(zhì)行為

(a) 第一層。(b) 第二層。

(c) 第五層。(d) 第九層

圖 12. 層間增量為 1.1 mm的 ULDED 薄壁樣品

制造過程中的傳質(zhì)行為。(a) 第一層。(b) 第二層。

(c) 第七層。(d) 第九層

圖 13. 不同層間增量下 ULDED 薄壁樣品

的表面形貌。(a) 0.5 mm。(b) 0.7 mm。

(c) 0.9 mm。(d) 1.1 mm

圖 14. 0.5 毫米層間增量的 ULDED 薄壁樣品

制造過程中的加熱和受力分析示意圖

(a1, a2) 第一層。(b) 第二層。

(c1, c2) 后續(xù)層

圖 15. 1.1 毫米層間增量的 ULDED 薄壁樣品

制造過程中的加熱和力分析示意圖。

(a) 初始階段。(b, c) 后期階段

圖 16. 不同熱輸入下薄壁樣品的表面形態(tài)

(a) 200 W/mm (b) 250 W/mm

(c) 312.5 W/mm

關(guān)鍵結(jié)論
1. 開發(fā)了一種新型水下送絲激光增材制造（ULDED）技術(shù)。局部干燥腔內(nèi)波動的殘余水層和氣溶膠顆粒會吸收、散射和折射激光束，高密度的氧氣和氫氣會促進缺陷的形成，導致珠粒不均勻和纏繞，并伴有裂縫和氣孔。

2. 在建立穩(wěn)定的局部干腔后，觀察到了液滴傳輸、液橋傳輸和擴散傳輸模式。在表面張力和重力的持續(xù)作用下，液橋模式促進了金屬絲的充分熔化和通過液橋的順利轉(zhuǎn)移，而不會出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，因此表現(xiàn)出卓越的工藝穩(wěn)定性和成型質(zhì)量。

3. 通過對原料金屬的加熱和受力條件進行微調(diào)，可控制傳質(zhì)行為，使其在整個 ULDED 過程中都有利于液橋模式。這種方法成功地消除了沉積缺陷，并在各種熱輸入條件下實現(xiàn)了具有優(yōu)異成型性和表面質(zhì)量的 ULDED 壁。

4. 在 200 W/mm 的熱輸入條件下，頂部區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)以具有層次排列的針狀 α′ 馬氏體為特征。在底部區(qū)域，經(jīng)過多次熱循環(huán)后，α′→α+β分解產(chǎn)生了片狀α，破壞并取代了之前的α′，同時保留了α′馬氏體的形態(tài)和結(jié)晶特征。

5. 隨著熱輸入或熱累積的增加，α板條源于擴散控制轉(zhuǎn)變（β→α），而非馬氏體分解。α+β結(jié)構(gòu)包括從連續(xù)的GB-α（裝飾前β晶界）開始平行生長的α板條群組成，同時在前β晶粒內(nèi)形成籃織微結(jié)構(gòu)。


通訊作者
郭寧，哈爾濱工業(yè)大學（威海）研究生處（學科辦）處長，長聘教授/博士生導師。主要從事極端環(huán)境焊接/增材制造、特種焊接技術(shù)與裝備的研究工作。中國材料研究學會青年工作委員會理事、中國機械工程學會表面工程分會委員、中國焊接學會計算機輔助焊接工程專業(yè)委員會委員、中國航海學會救助打撈專業(yè)委員會委員。曾獲山東省泰山學者青年專家，“十二五”機械工業(yè)先進科技工作者的榮譽稱號。



論文引用
Yunlong Fu，Mengqiu Yu , Di Wu , Zhiming Zhao , Dexin Wang and Ning Guo. Fundamental investigation into mass transfer process and microstructural transformation pathways in Ti-6Al-4V via underwater wire-laser directed energy deposition: Virtual and Physical Prototyping19(2024)-Issue 1.

DOI: https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2374051