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韓國科學(xué)技術(shù)院研究人員采用非接觸式脈沖激光輔助增材制造技術(shù)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(guān)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(shù)，用于快速制造復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)金屬零件。然而，增材制造零件的粗柱狀晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)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(dǎo)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(xué)和航空航天工業(yè)中的應(yīng)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(xué)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(yīng)用這種接觸式技術(shù)，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(jìn)行原位晶粒細(xì)化。該技術(shù)在不銹鋼板上得到驗證，表明強度調(diào)制激光可以同時進(jìn)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(shù)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(shù)，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(shù)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(xì)的等軸原始-β晶粒結(jié)構(gòu)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(xì)化提供有利環(huán)境。

原始-β晶微觀組織結(jié)構(gòu)變化：沿打印方向的傳統(tǒng)增材制造(a)和PLAAM(b)樣品光學(xué)微觀組織結(jié)構(gòu)，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(shù)(PLAAM)可以對Ti-6Al-4V零件進(jìn)行原位晶粒細(xì)化。該技術(shù)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(shù)是非接觸式的，它可以應(yīng)用于任何現(xiàn)有的AM設(shè)備。微觀結(jié)構(gòu)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(shù)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(gòu)減弱。等軸原始-β晶具有各向同性和高拉伸性能，該技術(shù)有望被廣泛研究用于生產(chǎn)高質(zhì)量的金屬AM零件。