中国3D打印机网西工大Nature子刊：通过超声波强化金属3D打印中的晶粒细化作用
2025年9月19日，西北工业大学与武汉科技大学、新加坡国立大学和爱尔兰都柏林圣三一学院合作，开发了一种用于激光增材制造的非接触式超声方法。 这项研究以题为“Non-contact ultrasound to assistlaser additive manufacturing”的论文发表在《自然通讯》上。
研究表明通过气体介质传输低于 20 W·cm² 的超声波可以细化晶粒并提高机械性能，而不会产生空化现象。在使用 Inconel718 进行的测试中，屈服应力从 456 MPa 增加到582 MPa（+27.6%），抗拉强度从 915 MPa 增加到 994 MPa（+8.6%），而延展性几乎保持不变，约为 40%。使用不锈钢 316L 也获得了类似的结果，表明该方法具有广泛的适用性。
激光增材制造通常会产生柱状晶粒，这是因为熔池中的热梯度较大，从而限制了机械性能。传统的超声辅助加工采用换能器和基材之间的直接接触，发射强度超过
200 W·cm² 的超声。虽然这种高强度方法可以细化晶粒，但却会带来不稳定性。计算机断层扫描显示孔隙率从 212.4 增加到 1911.6
W·cm²，并伴有凸起和凹坑，从而将构建高度限制在 15 毫米以下。相比之下，非接触模式通过载气发射强度低于 20 W·cm²
的超声，避免了空化现象。高达 100 毫米的样品达到了接近全密度，并在整个沉积过程中保持了晶粒细化。
△非接触式低强度超声波传输示意图。在此模式下，带有能量放大器的超声波换能器与送粉器固定连接。图片来自《自然通讯》。
西北工业大学的研究小组将换能器安装到粉末喷嘴上，在沉积粉末层时与熔池保持固定距离。这种配置确保了超声波在各个高度上的稳定传输，从而产生了均匀的等轴结构。晶粒尺寸分析显示，未使用超声波时平均晶粒尺寸为
73.7 μm，使用 17.5 W·cm² 的非接触式超声波时降至 44.6 μm。接触式超声波在 849.6 W·cm²下可获得 30.2
μm 的更细晶粒，但孔隙率和表面缺陷急剧增加。晶粒转变点也不同：非接触式样品中等轴晶粒出现在 1.0 毫米以上，而高强度构建中的晶粒出现在
0.6 毫米以上。接触传输效果在 10 毫米以上减弱，晶粒恢复为柱状结构，而喷嘴安装方法在整个 100 毫米块中保持细化。
现场监测和多物理场模拟阐明了物理机制。低强度超声波与马兰戈尼驱动流相结合，在熔池中产生高频震动运动。这种运动使枝晶臂承受超过材料
37.3 MPa 屈服强度的循环应力，导致疲劳断裂和碎裂。计算表明，枝晶应力从无超声波时的 30.9 MPa 上升到非接触式超声波下的
71.3 MPa。与产生剧烈气泡破裂和冲击波的空化不同，声流维持了稳定的熔池表面。低强度条件下的孔隙率仅略有上升，从 7.9 W·cm² 上升到
17.5W·cm²，证实在细化的同时避免了缺陷。
△超声波对 Inconel 718 熔合缺陷的影响。图片来自《自然通讯》。
早期在焊接、覆层和铸造领域的研究得出结论，空化是晶粒细化的主要原因，而声流的作用被认为可以忽略不计。最近的同步加速器X射线成像揭示了激光增材制造中的声流，但仍然将细化归因于空化，因为这些测试中的强度超过了阈值。本研究证明了在无法发生空化的情况下，等轴晶粒仍能细化，证明了仅靠声流就能实现细化。这一结果解决了长期以来对声流作用的不确定性，并解决了超声辅助增材制造的可扩展性问题。
机械性能测试凸显了可重复性的差异。非接触式样品表现出一致的屈服强度，集中在582MPa附近，极限抗拉强度在994
MPa左右。接触式超声成形的屈服强度差异很大：由于孔隙率和微观结构不均匀，屈服强度范围为427至757 MPa，抗拉强度范围为890至1070
MPa。作者报告称，非接触式技术在两种测试合金中均实现了可重复的性能，这与高强度超声的波动性形成鲜明对比。
△超声波对 Inconel 718 单轨晶粒结构的影响。图片来自《自然通讯》。
这项研究表明，细化晶粒无需空化作用，从而重新定义了超声辅助冶金学的假设。低于20W·cm²的非接触式超声可在航空航天和能源领域广泛使用的合金中产生细化晶粒、可重复的强度和无缺陷的表面。研究人员指出，这种方法也适用于熔池稳定性至关重要的激光熔覆和焊接。研究结果确立了声流作为微观结构控制的可行机制，并指出了制造大型复杂金属部件的可重复策略。
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