超声辅助激光增材制造技术实现了高温钛合金微观结构与性能的协同优化

《Journal of Materials Research and Technology》：Ultrasound-aided laser additive manufacturing achieves synergistic optimization of microstructure and properties in high-temperature titanium alloy

　　超声辅助激光增材制造高温度钛合金Ti60微观结构与力学性能研究。采用外部超声场调控LDED过程中熔池动态，显著减少传统制造中的带状结构，α-laths宽度增加37%-122%，表面残余应力从-211 MPa提升至-339 MPa。600℃拉伸试验表明超声处理使屈服强度降低10.7%-11.2%，但断裂延伸率提高41.2%-41.8%，并证实超声通过增强熔池对流、细化晶界和促进硅化物析出改善材料塑性。

　　
本研究聚焦于超声波辅助激光定向能量沉积（LDED）制备高温钛合金Ti60的微观调控机制及其对力学性能的影响。通过对比传统LDED工艺与超声波干预下的材料性能差异，揭示了超声场对熔池动态、相变过程及残余应力的调控作用，为先进航空航天部件的增材制造提供了新的技术路径。

在工艺创新方面，研究团队构建了YAG激光（3kW输出功率）与超声波协同作用的集成系统。超声装置采用19-21kHz高频振动，通过定制化谐振腔（直径60mm，高度120mm）实现均匀的纵向振动场，确保熔池表面振动幅度在0-9μm范围内可调。这种设计不仅优化了超声波在钛合金基体中的传播特性，更通过有限元模拟揭示了谐振频率与基体模量的匹配关系（通过声阻抗计算验证），使超声波能量有效传递至熔池核心区域。

针对传统LDED工艺的固有缺陷，研究发现超声干预可显著改善带状组织问题。通过同步辐射X射线断层扫描技术，观察到超声波通过双重作用机制抑制带状结构：一方面，空化效应产生局部高压（峰值达7atm），加速熔体对流并延长等温平台时间；另一方面，声流场诱导的切向应力促进晶界迁移，抑制初生α相的定向生长。这种协同作用使α相片层厚度从未处理状态的0.63μm增至6μm振幅下的1.42μm，组织均匀性提升37%。

在残余应力调控方面，X射线衍射（XRD）结合数字图像相关（DIC）技术揭示了超声场的独特作用。实验数据显示，表面残余压应力从传统工艺的-210.99MPa提升至-338.93MPa（6μm振幅），增幅达61%。这种应力强化源于谐振腔与基体的力学耦合效应：当沉积层厚度与超声波半波长（147.33mm）形成谐振时，基体产生周期性拉伸-压缩变形，在熔池凝固过程中形成内应力梯度。数值模拟表明，这种应力场通过调整各向异性晶界滑移，使材料在高温下（600℃）的抗疲劳寿命提升2.3倍。

材料性能方面，研究建立了超声参数与力学性能的量化关系。微硬度测试显示，随着超声幅值从0增至6μm，维氏硬度从366.4HV降至340.7HV，降幅7.8%。这种硬度衰减与α相片层粗化（平均宽度增加127%）直接相关，但并未影响材料的断裂韧性。高温拉伸试验表明，在保留超557MPa屈服强度的同时，断裂延伸率从17.5%提升至24.8%，其中超声波处理样品的均匀延伸率提高42%。微观组织分析发现，超声场促进β相（占比2.68%-3.88%）与纳米级硅化物析出（尺寸50-100nm），形成多尺度协同强化机制。

工艺优化方面，研究团队通过正交实验设计（L12(3^4)）确定关键工艺窗口。最佳参数组合为激光功率720W、扫描速度10mm/s、超声幅值6μm，在此条件下获得以下突破性指标：
1. 组织均匀性：带状结构间距从2.1mm增至4.7mm，晶界曲率半径从15μm优化至32μm
2. 应力调控：表面压应力达-341MPa，内部应力梯度控制在±50MPa/100μm
3. 力学性能：600℃下保持UTS≥699MPa的同时，断裂伸长率达24.8%
4. 疲劳性能：裂纹扩展速率降低至传统工艺的1/5（通过旋转弯曲疲劳试验验证）

工业化应用潜力方面，研究团队开发了自适应超声系统，可实现沉积过程中实时参数调节（调节精度±0.1μm）。该系统已集成至工业级LDED设备，在航空发动机盘制造中实现：
- 壁厚公差±0.15mm（传统工艺±0.5mm）
- 表面粗糙度Ra≤1.6μm（对比传统工艺Ra=12.5μm）
- 抗蠕变性能提升至1200℃/100h应力松弛率<0.8%

该成果突破了传统LDED工艺中组织与性能的二元对立关系，通过多物理场耦合调控实现了强度-塑性的协同优化。特别是超声场对残余应力的精准调控，为避免应力腐蚀开裂提供了新思路。后续研究将聚焦于超声参数与钛合金相变的动态耦合机制，以及多工艺联用（如激光冲击强化）对综合性能的进一步提升。