韓國科學技術院研究人員采用非接觸式脈沖激光輔助增材制造技術制備出近乎等軸的Ti-6Al-4V合金，顯著降低合金各向異性，相關研究成果發(fā)表于Nature旗下《Scientific Reports》期刊。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41598-022-26758-y

金屬增材制造(AM)是一種被廣泛使用的逐層累加的制造技術，用于快速制造復雜三維結(jié)構金屬零件。然而，增材制造零件的粗柱狀晶結(jié)構導致微觀結(jié)構具有明顯擇優(yōu)取向，各向異性的拉伸和疲勞性能阻礙了增材制造在制造業(yè)中的廣泛應用。在典型的增材制造工藝中，小熔池內(nèi)會急劇形成熱梯度，導致柱狀晶粒沿打印方向外延生長。在各種金屬AM材料中，Ti-6Al-4V因其在生物醫(yī)學和航空航天工業(yè)中的應用而成為研究最多的材料。然而，由于典型的Ti-6Al-4V增材制造部件具有粗大的柱狀晶，因此它們表現(xiàn)出各向異性的拉伸性能。將柱狀晶組織改變?yōu)榈容S晶可以有效消除材料的各向異性，從而表現(xiàn)出均一力學性能。

超聲輔助AM通過向熔池提供高超聲能量，可以有效解決上述問題。但是，必須將超聲波換能器連接到底板底部，以有效地傳遞足夠的能量來攪動熔池。應用這種接觸式技術，必須解決實施問題，因為很難確保熔池在三維空間內(nèi)的穩(wěn)定振動。最近，研究人員通過強度調(diào)制激光照射在熔池內(nèi)部傳遞局部超聲能量，進行原位晶粒細化。該技術在不銹鋼板上得到驗證，表明強度調(diào)制激光可以同時進行表面熔化和超聲波的生成。

在這項研究中，作者團隊受接觸式超聲技術和脈沖激光對熔體影響的啟發(fā)，提出一種脈沖激光輔助增材制造(PLAAM)技術，將非接觸式的脈沖激光器集成到金屬粉末激光定向能量沉積（DED）系統(tǒng)中，所提出的技術利用激光引起的沖擊波和熔池內(nèi)的馬蘭戈尼對流來為精細的等軸原始-β晶粒結(jié)構的形成創(chuàng)造有利環(huán)境。脈沖激光和DED激光的工作距離分別為43mm和9mm。使用粒徑為45~150μm的Ti-6Al-4V工業(yè)級粉末，分別采用常規(guī)AM和PLAAM工藝制備了120層30×30×1.3mm(高×寬×厚)的零件。

脈沖激光輔助增材制造(PLAAM)：(a) PLAAM 系統(tǒng)的離軸配置；(b) 脈沖激光在熔池內(nèi)誘發(fā)沖擊波、空化和加速馬蘭戈尼流，為晶粒細化提供有利環(huán)境。

原始-β晶微觀組織結(jié)構變化：沿打印方向的傳統(tǒng)增材制造(a)和PLAAM(b)樣品光學微觀組織結(jié)構，z和x分別是打印方向和橫向方向，在(a)和(b)中觀察到的原始β晶的長度(c)和縱橫比(d)的直方圖，重疊的直方圖以較深的顏色顯示

常規(guī)AM(a, b)和PLAAM (c, d)樣品的EBSD分析，z和(x,y)分別是打印方向和橫向平面

最后，研究結(jié)果表明使用混合AM技術(PLAAM)可以對Ti-6Al-4V零件進行原位晶粒細化。該技術利用高功率密度脈沖激光為等軸原始β晶粒的生長創(chuàng)造良好的環(huán)境。由于該技術是非接觸式的，它可以應用于任何現(xiàn)有的AM設備。微觀結(jié)構表明，與具有較大柱狀原始β晶的常規(guī)AM樣品相比，PLAAM樣品具有更小且更加等軸的β晶粒。使用PLAAM技術時，β相的極密度最大值從16降低到7.7，表明使用PLAAM可以將AM的Ti-6Al-4V織構減弱。等軸原始-β晶具有各向同性和高拉伸性能，該技術有望被廣泛研究用于生產(chǎn)高質(zhì)量的金屬AM零件。