利用球头超声微锻造技术对定向能量沉积法制备的316L不锈钢的微观结构及力学性能进行研究

《Ultrasonics》：Study on ultrasonic micro-forging with ball-head on microstructure and mechanical properties of 316 L stainless steel produced by directed energy deposition

本研究设计了一种球型超声微锻装置，集成至定向能量沉积（DED）设备，同步施加超声振动与微锻压力，优化316L不锈钢的显微组织与力学性能，抑制孔隙、裂纹等缺陷，提升材料利用率及综合性能。

　　

陈晓雪|王硕|林军|王光春|翟继强|关彦进

山东大学先进装备与金属成形技术国家重点实验室，中国济南250061

摘要

增材制造技术因其设计灵活性高、材料利用率佳以及易于生产复杂部件等优点，在机电一体化、航空航天、生物医学和交通运输领域得到广泛应用。然而，由于金属部件的加热和冷却速度过快，容易出现孔洞、裂纹和熔合不完全等缺陷，导致其综合机械性能不如传统制造方法。本文自主设计了一种球形超声波微锻造装置，该装置具有较高的运动自由度，并能有效集中超声波振动能量，成功将其集成到定向能量沉积（DED）设备中，实现了DED打印过程中的超声波与微锻造同步辅助。研究了超声波振动和微锻造工艺参数对316L不锈钢部件微观结构和性能的影响。超声波振动的空化效应和声流效应可以干扰熔体，破坏柱状晶粒，促进等轴晶粒的形成；同时促进熔体内微小气泡的生长、振动和破裂，从而减少孔洞等缺陷的产生并细化晶粒尺寸。适当的微锻造压力（10%～20%的压缩程度）可以有效减少熔池的波动和飞溅，抑制成型过程中孔洞和未熔合区域的产生，进而提高部件的表面质量、密度和综合机械性能。这项研究对金属增材制造技术的发展具有重要的指导意义。

引言

增材制造（AM），也称为三维打印（3DP）技术或快速原型制作（RP）技术，是一种革命性的制造技术，出现于20世纪80年代[1]、[2]。与传统减材制造（如切割和铣削）和等温制造（如锻造和铸造）相比，AM利用“分层制造和逐层堆积”的原理，将计算机辅助设计（CAD）软件生成的数字模型切片成多个二维薄层，然后逐层堆积材料，最终制造出三维实物模型或部件[3]。该技术具有高设计灵活性[4]，能够制造出复杂的结构产品而不受传统制造方法的加工限制；通过分层堆积过程实现高材料利用率，几乎无材料浪费；并且具有强大的定制能力，可根据产品需求进行个性化生产，以满足市场个性化需求[5]。由于这些显著优势，AM技术广泛应用于机械电子[6]、航空航天[7]、生物医学[8]、军事[9]、建筑[10]、文化创作和教育[11]、[12]等多个领域，如图1所示。

定向能量沉积（DED）是一种通过熔化沉积材料来构建3D金属零件的AM工艺，使用激光、电子束或电弧等聚焦热源。由于该技术能够高效地制造出高复杂度、大尺寸的部件[13]，因此在工业领域得到广泛应用。然而，在DED过程中，由于加热和冷却速度过快，增材制造的部件容易形成内部微观缺陷（如孔洞、微裂纹和熔合不完全），以及外部宏观缺陷（如裂纹和变形[14]。当熔体的凝固速度高于气体逸出速度时会产生孔洞。由于金属材料的快速局部熔化和凝固，会产生残余应力，当残余应力超过部件的强度极限时可能会引发微裂纹[15]。熔合不完全可能是由于激光功率低、扫描速度过快或扫描距离过大等因素导致能量输入不足，无法完全熔化粉末[16]。这些缺陷降低了增材制造部件的综合机械性能，限制了增材制造技术的应用。为了改善增材制造部件的微观结构和综合性能，研究人员引入了许多辅助技术，如超声波振动、微锻造、磁场和热处理，这些辅助设备提高了部件的性能，如图2所示。

与电磁辅助和热处理辅助的增材制造技术相比，超声波微锻造辅助AM将超声波振动、锻造和AM结合成一个混合工艺，可以无缝集成到AM设备中，实现原位辅助，从而提高生产效率。此外，它同时利用超声波振动的空化效应和微锻造的压力来细化增材部件的晶粒，减少孔隙率和裂纹缺陷，从而提高其综合机械性能[25]。在各种辅助AM技术中，超声波微锻造辅助AM引起了广泛的研究关注。然而，现有的超声波探头通常存在集成度低、接触面积大和能量分散严重等问题。

316不锈钢、TC4钛合金和超级合金因其高强度、良好的延展性和优异的耐腐蚀性成为增材制造的主要材料。Todaro等人[26]通过超声波辅助激光粉末沉积制备了Ti-6Al-4V合金，并发现高强度超声波在熔融金属中产生的空化和流动作用可以强烈搅动熔体，促进从柱状晶粒向细小等轴晶粒的转变。Peng等人[27]引入了双超声波振动，研究表明空化效应和均匀能量场改变了熔池内的凝固条件，促进了晶核形成和晶粒细化。然而，这两项研究均未使用探头或外部压力。Yang等人[28]利用超声波滚压辅助316L不锈钢板材的激光DED，通过超声波滚压产生的表面预应力来抵消激光扫描过程中的热应力，从而抑制变形。然而，超声波工具和DED头是独立操作的，未研究超声波对沉积过程的直接影响。Ye等人[29]在TC4合金的激光丝材沉积过程中使用了球形尖端超声波微锻造装置，提出超声波能量、循环热场和局部塑性变形的耦合效应加速了位错滑移和聚合，导致新的晶界形成和晶粒细化。然而，较大的接触面积仍导致孔洞和裂纹等缺陷。Zhang等人[30]研究了超声波和微锻造对DED制造的GH4169合金微观结构和晶粒特性的影响，发现外部载荷在沉积表面引起塑性变形，将顶部柱状晶粒破碎成细小晶粒条带，并压缩和密封孔洞缺陷。不过，激光沉积和超声波微锻造过程仍然是分开进行的，超声波在晶粒形态演变中的具体作用尚未明确。此外，这些研究中使用的大多数超声波探头具有圆柱形或扁平尖端，这限制了运动灵活性，与增材区域的接触面积较大，且分散了超声波能量，这些因素共同降低了改进效果。

因此，本研究设计了一种新型球形超声波微锻造探头。球体可滚动，具有更高的运动自由度和灵活性，球头与增材微区域之间为点接触。研究了微锻造深度、超声波振动功率和超声波微锻造耦合对定向能量沉积的316L不锈钢微观结构和机械性能的影响。这一创新提高了超声波能量和微锻造压力在增材部件表面的集中能力，增强了增材制造部件的性能。

节选内容

超声波微锻造设备

为了避免传统增材制造过程中常见的裂纹和孔洞等缺陷，改善金属的微观结构和表面质量，消除残余应力，从而提高部件的综合性能。同时，为了解决滚轮结构与超声波振动设备集成困难以及超声波振动能量难以集中的问题，本研究发明了一种双层

微锻造压力对316L不锈钢微观结构和性能的影响

图8展示了在不同压制深度下，通过微锻造辅助定向能量沉积形成的316L不锈钢的表面形态。不同的压制压力不仅代表了不同的变形程度，也代表了不同锻造压力对增材微区域的影响。压制压力越大，锻造效果越明显。

讨论

为了揭示超声波和微锻造压力的耦合机制，对成型部件的断裂形态、纹理类型和位错密度进行了更深入的分析和阐述。

图20显示了在不同参数下通过DED形成的316L不锈钢零件的断裂形态。所有三个样品的拉伸断裂形态均表现出具有凹痕的延性断裂特征。

结论

本文自主设计了一种球形超声波微锻造装置，该装置具有较高的运动自由度，能够有效集中超声波振动能量，并将其集成到定向能量沉积设备中，实现了DED打印过程中的超声波与微锻造同步辅助。研究了超声波和微锻造参数对DED形成的316L不锈钢部件微观结构和性能的影响。

作者贡献声明

陈晓雪：撰写初稿、进行研究、进行正式分析。王硕：进行研究、整理数据。林军：进行可视化处理、管理资源。王光春：制定方法论、整理数据。翟继强：开发软件、制定方法论。关彦进：进行验证、管理资源。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52475375、52175340）、山东省自然科学基金（项目编号：ZR2022YQ53）以及山东省重点研发计划（项目编号：2021CXGC010206）的财政支持。