西工大Nature子刊：通過超聲波強化金屬3D打印中的晶粒細化作用

2025年9月19日，南極熊獲悉，西北工業(yè)大學與武漢科技大學、新加坡國立大學和愛爾蘭都柏林圣三一學院合作，開發(fā)了一種用于激光增材制造的非接觸式超聲方法。

這項研究以題為“Non-contact ultrasound to assistlaser additive manufacturing”的論文發(fā)表在《自然通訊》上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62803-w

研究表明通過氣體介質(zhì)傳輸?shù)陀?20 W·cm2 的超聲波可以細化晶粒并提高機械性能，而不會產(chǎn)生空化現(xiàn)象。在使用 Inconel718 進行的測試中，屈服應力從 456 MPa 增加到582 MPa（+27.6%），抗拉強度從 915 MPa 增加到 994 MPa（+8.6%），而延展性幾乎保持不變，約為 40%。使用不銹鋼 316L 也獲得了類似的結果，表明該方法具有廣泛的適用性。

激光增材制造通常會產(chǎn)生柱狀晶粒，這是因為熔池中的熱梯度較大，從而限制了機械性能。傳統(tǒng)的超聲輔助加工采用換能器和基材之間的直接接觸，發(fā)射強度超過 200 W·cm2 的超聲。雖然這種高強度方法可以細化晶粒，但卻會帶來不穩(wěn)定性。計算機斷層掃描顯示孔隙率從 212.4 增加到 1911.6 W·cm2，并伴有凸起和凹坑，從而將構建高度限制在 15 毫米以下。相比之下，非接觸模式通過載氣發(fā)射強度低于 20 W·cm2 的超聲，避免了空化現(xiàn)象。高達 100 毫米的樣品達到了接近全密度，并在整個沉積過程中保持了晶粒細化。

△非接觸式低強度超聲波傳輸示意圖。在此模式下，帶有能量放大器的超聲波換能器與送粉器固定連接。圖片來自《自然通訊》。

西北工業(yè)大學的研究小組將換能器安裝到粉末噴嘴上，在沉積粉末層時與熔池保持固定距離。這種配置確保了超聲波在各個高度上的穩(wěn)定傳輸，從而產(chǎn)生了均勻的等軸結構。晶粒尺寸分析顯示，未使用超聲波時平均晶粒尺寸為 73.7 μm，使用 17.5 W·cm2 的非接觸式超聲波時降至 44.6 μm。接觸式超聲波在 849.6 W·cm2下可獲得 30.2 μm 的更細晶粒，但孔隙率和表面缺陷急劇增加。晶粒轉(zhuǎn)變點也不同：非接觸式樣品中等軸晶粒出現(xiàn)在 1.0 毫米以上，而高強度構建中的晶粒出現(xiàn)在 0.6 毫米以上。接觸傳輸效果在 10 毫米以上減弱，晶?；謴蜑橹鶢罱Y構，而噴嘴安裝方法在整個 100 毫米塊中保持細化。

現(xiàn)場監(jiān)測和多物理場模擬闡明了物理機制。低強度超聲波與馬蘭戈尼驅(qū)動流相結合，在熔池中產(chǎn)生高頻震動運動。這種運動使枝晶臂承受超過材料 37.3 MPa 屈服強度的循環(huán)應力，導致疲勞斷裂和碎裂。計算表明，枝晶應力從無超聲波時的 30.9 MPa 上升到非接觸式超聲波下的 71.3 MPa。與產(chǎn)生劇烈氣泡破裂和沖擊波的空化不同，聲流維持了穩(wěn)定的熔池表面。低強度條件下的孔隙率僅略有上升，從 7.9 W·cm2 上升到 17.5W·cm2，證實在細化的同時避免了缺陷。

△超聲波對 Inconel 718 熔合缺陷的影響。圖片來自《自然通訊》。

早期在焊接、覆層和鑄造領域的研究得出結論，空化是晶粒細化的主要原因，而聲流的作用被認為可以忽略不計。最近的同步加速器X射線成像揭示了激光增材制造中的聲流，但仍然將細化歸因于空化，因為這些測試中的強度超過了閾值。本研究證明了在無法發(fā)生空化的情況下，等軸晶粒仍能細化，證明了僅靠聲流就能實現(xiàn)細化。這一結果解決了長期以來對聲流作用的不確定性，并解決了超聲輔助增材制造的可擴展性問題。

機械性能測試凸顯了可重復性的差異。非接觸式樣品表現(xiàn)出一致的屈服強度，集中在582MPa附近，極限抗拉強度在994 MPa左右。接觸式超聲成形的屈服強度差異很大：由于孔隙率和微觀結構不均勻，屈服強度范圍為427至757 MPa，抗拉強度范圍為890至1070 MPa。作者報告稱，非接觸式技術在兩種測試合金中均實現(xiàn)了可重復的性能，這與高強度超聲的波動性形成鮮明對比。

△超聲波對 Inconel 718 單軌晶粒結構的影響。圖片來自《自然通訊》。

這項研究表明，細化晶粒無需空化作用，從而重新定義了超聲輔助冶金學的假設。低于20W·cm2的非接觸式超聲可在航空航天和能源領域廣泛使用的合金中產(chǎn)生細化晶粒、可重復的強度和無缺陷的表面。研究人員指出，這種方法也適用于熔池穩(wěn)定性至關重要的激光熔覆和焊接。研究結果確立了聲流作為微觀結構控制的可行機制，并指出了制造大型復雜金屬部件的可重復策略。