超聲波!一種細晶強化新手段

2021-02-15 材料科學與工程




傳統3D列印合金的微觀結構通常是由細長粗大的柱狀晶組成。由於柱狀晶的機械性能較差，增大了列印過程出現開裂的趨勢，這使得它們在工程應用中受到限制。來自澳大利亞RMIT大學的一項最新研究表明，超聲波處理可以改變3D列印金屬材料內部微觀結構，從而獲得比傳統3D列印材料更高的強度。相關論文以題為「Grain structure control during metal 3D printing by high-intensity ultrasound」於1月9日發表在Nature Communications。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13874-z

3D列印過程的超聲處理示意圖

研究人員使用兩種主要的商業級合金進行試驗：一種通常用於飛機零件和生物機械植入物的鈦合金，Ti-6Al-4V；另一種通常用於海洋和石油工業的鎳基高溫合金，Inconel 625。經過超聲波處理的3D列印合金，發現其微觀結構發生了明顯變化：組織變成了細小等軸晶！說明組織在列印過程是各個方向均勻形成的。

超聲波處理前後的顯微組織對比

測試結果表明，與常規增材製造的材料相比，超聲處理後的3D列印材料強度得到提升，抗拉伸強度和屈服強度提高了12％。

3D列印Ti-6Al-4V合金的力學性能

該團隊還發現，在列印過程中簡單地開關超聲波發生器，就可以獲得不同的微觀結構和成分的3D列印材料，這種方法非常有利於獲得梯度組織材料。

通過列印過程中開關超聲波，可以實現晶粒結構的改變

這項研究成果有望推動金屬3D列印用超聲波設備的發展。同時，儘管文章中主要是針對鈦合金和鎳基高溫合金，該方法有望在不鏽鋼、鋁合金、鈷合金等其他商用金屬中得到運用。這項技術如果得以推廣，將有利於大規模獲得性能優異的3D列印金屬結構零件或梯度合金。

來源：材料科學與工程公眾號

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