江蘇雷射聯盟導讀：
據悉，來自皇家墨爾本理工大學(RMIT University)的研究人員使用高頻聲波減少長柱狀晶粒結構和印刷過程中增加的開裂的趨勢。
基於熔融的金屬增材製造(AM)工藝的特點是熔池較小，並且從固液界面到液態金屬的溫度梯度都很陡。因此，凝固過程在層與層之間顯示出很強的外延生長趨勢，而成核事件的數量由於缺乏有效的核清潔劑顆粒和較小的熔池體積（通過外延生長而迅速消耗）而受到限制。這導致在大多數增材製造的金屬材料中沿構造方向出現柱狀晶粒，這會導致性能各向異性，降低機械性能並增加熱撕裂的趨勢。因此，金屬增材製造的關鍵目標是在整個零件中用細的等軸晶粒代替粗大的柱狀晶粒。
來自皇家墨爾本理工大學(RMIT University)的研究人員利用聲音振動在3D列印過程中將金屬合金晶粒搖動成更緊密的形狀。高頻聲波可能會對3D列印合金的內部微觀結構產生重大影響，從而使它們比常規印刷的合金更一致，更堅固。研究成果2020年1月9日發表在Nature Communications上，題目為"Grain structure control during metal 3D printing by high-intensity ultrasound"。這項有希望的研究結果可能會激發新形式的增材製造。
如果看3D列印合金的微觀結構，它們通常是由細長的大晶體組成。由於它們較低的機械性能和在印刷過程中增加的開裂的趨勢，這使得它們在工程應用中不那麼受歡迎。但在研究人員的印刷過程中使用超聲波處理的合金的微觀結構看起來明顯不同：合金晶體非常細小且完全等軸，這意味著它們在整個印刷金屬零件上的各個方向均等地形成。
該團隊使用兩種主要的商業級合金展示了他們的超聲方法：一種通常用於飛機零件和生物機械植入物的鈦合金，稱為Ti-6Al-4V；一種通常用於海洋和石油工業的鎳基高溫合金，稱為Inconel 625。
使用基於雷射的定向能量沉積（DED）製備了沒有和有高強度超聲的Ti-6Al-4V樣品。研究人員將合金直接沉積在以20 kHz振動的Ti-6Al-4V超聲焊極的工作表面上來將超聲波引入熔體中（圖1），其中超聲焊極材料選擇為Ti-6Al-4V（對於AM如果使用其他合金，則可以相應地更換超聲焊極材料）。超聲波發生器端面的最大可達到振幅為30μm。
圖1. 金屬AM過程中的高強度超聲
圖2. 通過高強度超聲波對增材製造的Ti-6Al-4V進行晶粒細化。偏光顯微鏡圖像顯示大柱狀晶粒（左）和細等軸晶粒（右）
圖3. 使用和不使用高強度超聲波的增材製造的鈦-6Al-4V的微結構特
圖6. 使用和不使用高強度超聲的Inconel 625AM
儘管研究人員使用鈦合金和鎳基高溫合金進行的實驗，但他們希望該方法可以適用於其他商業金屬，例如不鏽鋼，鋁合金和鈷合金。並且，他們預計該技術可以擴大規模，以實現3D列印大多數與工業相關的金屬合金，以用於性能更高的結構零件或結構漸變合金。
本文來源：Nature Communications (2020).DOI: 10.1038/s41467-019-13874-z