3D打印|《Nature》子刊：高密度超声进行3D打印来细化晶粒( 二 ) Nature|机械|互联网医疗

其中：a–d ）SEM图像显示了没有（a ， c）和有（b ， d）超声的样品中prior-β晶粒内部的α-β结构。
e ， f）没有（e）和有（f）超声的样品的α板条厚度的直方图。 a和b中的prior-β晶界以白色表示。比例尺：a ， b中的50μm和c ， d中的5μm 。
引入强力效果的孕育颗粒可以实现柱状晶到等轴晶的转变。改变AM参数会改变热温度梯度G和生长速率V ，从而有可能是西安等轴晶。然而，满足金属等轴凝固所需要的G值在AM的时候很难实现。例如，根据Ti-6Al-4V合金和IN７１８合金的G－V曲线，需要１到２被数量级的低G值才能实现合金的等轴凝固。工艺控制中孕育颗粒的加入会扩大G－V曲线的范围。这一理论被证明AM制造AI合金的时候，可以添加Al3(ScZr)、TiB2、Al3Zr和TｉC来实现。比较遗憾的是，要找到一个稳定的且强力有效的适用于大多数商议上应用的重要合金的孕育剂还是很困难的。 Ti-6Al-4V合金就是这样的一类合金。实际上，引入外来的孕育粒子会不可避免的改变合金的化学成分和清洁度。此外，如果孕育粒子在液相中团聚，这也是很难比避免的。很显然会造成负面效应或者由此造成随后工艺和应用上的障碍。基于这一点，获得细小的等轴晶且不需要借助孕育颗粒，这一点如果可以实现，在工程上是非常重要的。

图4 通过高强度超声的AM制造的Ti-6Al-4V中的织构变化
其中：a ， c）在没有（a）和有（c）超声的样品中， α相沿构建方向（z）的反极图（由EBSD测量）。
b ， d）在没有（b）和有（d）超声的样品中， β相沿构建方向（z）的反极图（从a和c中的α相图重建）。
e ， f）在没有（e）和有（f）超声的样品中测得α相的{0001轮廓极图（以MUD：均匀分布的倍数）。
g ， h）在没有（g）和有（h）超声的样本中重建的β相的{001轮廓极图（在MUD中）。 b和d中的黑线表示高角度晶界（取向错误> 10°）。比例尺：250μm 。
应用高能超声来将液相金属到固相进行细化晶粒，可以显著的影响到晶化材料的凝固组织。液相的超声波激励可以造成声学空穴：气泡的形成、生长和爆炸，会在液相金属的熔体中即时发生（时间在0.00003S）。这是最近采用超快同步辐射X射线影像测量得到的结果。气泡的爆炸会产生强烈的局部冲击，温度可以达到～5000°C ，压力可以达到～100MPa（1000bar）。金属系统在凝固时的声学空穴会搅动熔体来活化合金中所存在的孕育颗粒，从而有效的提供了促进焊接中细小等轴晶晶的形成和传统铸造工艺过程中的细小等轴晶的形成。然而，在AM制造Ti-6Al-4V合金的过程中成功的抑制柱状晶结构的形成还未见报道。

图5AM制造的Ti-6Al-4V的拉伸性能
a）未超声和有超声的样品的工程应力-应变曲线。误差棒代表三个测试的一个标准偏差。
b）在这项工作中，与超声波相比，通过化学添加， AM制造的Ti-6Al-4V的屈服应力变化。
c）根据文献和这项工作，拉伸屈服应力与prior-β晶粒尺寸的平方根成反比。 c中的实线表示最佳拟合的霍尔-佩奇线（σy=σ0+ kd-1/2 ， σ0：摩擦应力；k：材料常数；d：晶粒尺寸），而虚线定义为沿线性拟合的±0.15σ0（其中σ0= 710 MPa）。
基于我们长期使用超声对轻合金进行晶粒细化的研究，我们应用高能超声来控制AM制造Ti-6Al-4V时的凝固和晶粒结构。这一发展构想，将促进柱状初生β晶向等轴细晶（～１００μm）的转变，将会导致合金屈服强度和拉伸性能至少12%的提高。我们进一步的展示了该方法在AM制造In 625镍基合金上的可行性，同样在AM制造时，呈现出强柱状晶的倾向。同时可以期待，该技术可以同样应用到AM制造其他的金属材料中。对AM制造时得到的超声辅助的合金，可以揭示出超声能够成为AM大体积制造时进行超声晶粒细化的一个重要选择，并且强烈推荐采用这一技术。