韓國科學技術院研究人員采用非接觸式脈衝(chong) 激光輔助增材製造技術製備出近乎等軸的Ti-6Al-4V合金，顯著降低合金各向異性，相關(guan) 研究成果發表於(yu) Nature旗下《Scientific Reports》期刊。

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

金屬增材製造(AM)是一種被廣泛使用的逐層累加的製造技術，用於(yu) 快速製造複雜三維結構金屬零件。然而，增材製造零件的粗柱狀晶結構導致微觀結構具有明顯擇優(you) 取向，各向異性的拉伸和疲勞性能阻礙了增材製造在製造業(ye) 中的廣泛應用。在典型的增材製造工藝中，小熔池內(nei) 會(hui) 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因其在生物醫學和航空航天工業(ye) 中的應用而成為(wei) 研究最多的材料。然而，由於(yu) 典型的Ti-6Al-4V增材製造部件具有粗大的柱狀晶，因此它們(men) 表現出各向異性的拉伸性能。將柱狀晶組織改變為(wei) 等軸晶可以有效消除材料的各向異性，從(cong) 而表現出均一力學性能。

超聲輔助AM通過向熔池提供高超聲能量，可以有效解決(jue) 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(chuan) 遞足夠的能量來攪動熔池。應用這種接觸式技術，必須解決(jue) 實施問題，因為(wei) 很難確保熔池在三維空間內(nei) 的穩定振動。最近，研究人員通過強度調製激光照射在熔池內(nei) 部傳(chuan) 遞局部超聲能量，進行原位晶粒細化。該技術在不鏽鋼板上得到驗證，表明強度調製激光可以同時進行表麵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衝(chong) 激光對熔體(ti) 影響的啟發，提出一種脈衝(chong) 激光輔助增材製造(PLAAM)技術，將非接觸式的脈衝(chong) 激光器集成到金屬粉末激光定向能量沉積（DED）係統中，所提出的技術利用激光引起的衝(chong) 擊波和熔池內(nei) 的馬蘭(lan) 戈尼對流來為(wei) 精細的等軸原始-β晶粒結構的形成創造有利環境。脈衝(chong) 激光和DED激光的工作距離分別為(wei) 43mm和9mm。使用粒徑為(wei) 45~150μm的Ti-6Al-4V工業(ye) 級粉末，分別采用常規AM和PLAAM工藝製備了120層30×30×1.3mm(高×寬×厚)的零件。

脈衝(chong) 激光輔助增材製造(PLAAM)：(a) PLAAM 係統的離軸配置；(b) 脈衝(chong) 激光在熔池內(nei) 誘發衝(chong) 擊波、空化和加速馬蘭(lan) 戈尼流，為(wei) 晶粒細化提供有利環境。

原始-β晶微觀組織結構變化：沿打印方向的傳(chuan) 統增材製造(a)和PLAAM(b)樣品光學微觀組織結構，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麵

最後，研究結果表明使用混合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衝(chong) 激光為(wei) 等軸原始β晶粒的生長創造良好的環境。由於(yu) 該技術是非接觸式的，它可以應用於(yu) 任何現有的AM設備。微觀結構表明，與(yu) 具有較大柱狀原始β晶的常規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(cong) 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於(yu) 生產(chan) 高質量的金屬AM零件。