3D打印|《Nature》子刊：高密度超声进行3D打印来细化晶粒 Nature|机械|互联网医疗

文章图片

文章图片

文章图片

文章图片

据悉，来自澳大利亚RMIT大学的一项最新研究表明，超声波处理可以改变3D打印金属材料内部微观结构，从而获得比传统3D打印材料更高的强度。相关论文以题为“Grain structure control during metal 3D printing by high-intensity ultrasound”发表在Nature Communications 。

摘要：
金属的增材制造（AM），又叫３D金属打印，比较典型的会导致沿着制造方向形成柱状晶，对大多数的金属进行制造均会发生这种情况。长的柱状晶会导致性能上的各向异性，这通常会对部件的性能评定或应用产生不利影响。在本文中，通过不改变合金化学成分的办法，研究人员通过凝固控制的办法来打印金属，获得了等轴晶的显微组织和优化的机械性能。使用Ti-6Al-4V合金为样本，研究人员通过高密度的超声来获得几乎完全从等轴晶转变为细小（～１００μm）等轴晶。结果是屈服强度和拉伸强度，同传统工艺制备的柱状晶Ti-6Al-4V合金相比较，提高了１２％。我们同时展示了该技术的普适性，在Inconel　625镍基高温合金上获得了相似的细小晶粒。同时我们认为这一方法同样可以应用在其他的金属材料中，这些材料在使用传统的AM技术制造时会呈现出柱状晶结构。

图1金属增材制造过程中的高强度超声辅助示意图
熔化为基础的增材制造（AM）工艺，其显著的特征是熔池小、温度梯度陡。其结果是，其凝固工艺呈现出层层之间强烈的外延生长特征，同时由于缺乏强力的孕育颗粒和小的熔池体积（迅速的被外延生长所消耗）。这就导致柱状晶在大多数的金属制造时会沿着制造方向生长，从而造成性能上的各向异性、机械性能下降、增加产生热裂纹的倾向。因此，金属AM制造的一个关键目标是取代粗大的柱状晶而形成细小的等轴晶。

图2高强度超声细化AM制造的Ti-6Al-4V的晶粒
其中：a ， b）在没有（a）和有（b）超声处理的情况下，样品的光学显微镜图像。
c ， d）偏光显微镜图像显示大的柱状晶粒（c）和细等轴晶粒（d）。
e ， f）有和没有超声处理的样品的prior-β晶粒尺寸（e）和prior-β晶粒长宽比（f）的直方图。 c和d中的prior-β晶界以白色表示。比例尺：1 mm 。
Ti-6Al-4V合金是钛合金中的标杆合金，并且可以说是金属打印中应用最为广泛的合金。实际上，对每一金属打印来说，这也成为评估金属打印的标杆。然而，采用不同的熔化方式进行金属打印的Ti-6Al-4V合金呈现出强烈的柱状晶结构。 AM制造的Ti-6Al-4V合金中的初生β晶粒的显著特征是沿着制造方向上的强烈的＜００１＞方向。这就造成了β－α转变结构，这是AM质量鉴定中很重要的一环。这是因为会造成机械性能的各向异性。此外，粗大的柱状晶，初生的β晶粒会进一步的降低Ti-6Al-4V合金的强度，这一结论是依据建立的薄层α－β　Ti-6Al-4V合金中的 Hall-Petch关系式所得出的。

图3通过有和没有高强度超声的AM制造的Ti-6Al-4V的微观结构表征