温莎大学与武汉科技大学、南洋理工大学和都柏林三一学院的研究团队联合开发了一种无接触超声波技术，用于金属3D打印中的晶粒细化。研究表明，低于 20 W·cm² 强度的超声波能通过气体介质传输，避免了气蚀现象，有效细化金属晶粒并提高机械性能。在Inconel 718和不锈钢316L的实验中，屈服强度和抗拉强度显著提升，同时保持了良好的延展性。这一技术不仅在激光增材制造中表现出色，还可以应用于激光堆焊和焊接中，具有广泛的工业应用潜力。
西安的西北工业大学与武汉科技大学、新加坡国立大学和都柏林三一学院合作，展示了一种用于激光增材制造的非接触超声波方法。该研究发表在《自然通讯》期刊，表明通过气体介质传输不超过20 W·cm²的超声波，可以细化晶粒并提高机械性能，而不会引发气蚀现象。在Inconel 718的实验中，屈服强度从456 MPa增加到582 MPa（+27.6%），抗拉强度从915 MPa增加到994 MPa（+8.6%），而延展性几乎保持恒定，约为40%。在不锈钢316L的实验中也得到了类似的结果，表明该方法具有广泛的适用性。
激光增材制造通常由于熔池中的陡峭热梯度而产生柱状晶粒，从而限制了机械性能。传统的超声辅助加工方法通过换能器与基材的直接接触，将超声波强度提高到200 W·cm²以上。虽然这种高强度的方法可以细化晶粒，但也会引入不稳定性。通过计算机断层扫描（CT）发现，在强度为212.4 W·cm²到1911.6 W·cm²的实验中，孔隙度增大，并且伴随出现了凸起和凹坑，限制了构建的高度不得超过15毫米。相比之下，非接触模式通过载气以不超过20 W·cm²的强度传输超声波，避免了气蚀现象。在这种模式下，样本高度可达100毫米，且密度几乎达到全密度，且在整个沉积过程中晶粒始终保持细化。
低强度非接触超声传输模式示意图。在该模式下，超声换能器与能量放大器固定在粉末送粉器上。图片来源：Nature Communications。
西北工业大学的研究团队将换能器安装在粉末喷嘴上，并在沉积过程中保持与熔池的固定距离。该配置确保了在不同高度上的超声波稳定传输，产生了均匀的等轴结构。晶粒尺寸分析显示，未使用超声波的样品平均晶粒尺寸为73.7 μm，而在17.5 W·cm²的非接触超声作用下，晶粒尺寸减少至44.6 μm。使用接触超声时，在849.6 W·cm²的强度下，晶粒尺寸为30.2 μm，但孔隙度和表面缺陷急剧增加。晶粒转变点也有所不同：在非接触样品中，等轴晶粒出现在1.0毫米以上，而在高强度构建样品中则出现在0.6毫米处。接触传输效应在10毫米以上减弱，晶粒重新变为柱状结构，而喷嘴安装的方法在100毫米高度的样品中保持了晶粒的细化。
现场监测和多物理场仿真阐明了物理机制。低强度超声波结合Marangoni驱动流动，在熔池中产生了高频的震动运动。这种运动使得树枝晶臂承受的循环应力超过材料的37.3 MPa屈服强度，导致疲劳断裂和碎裂。计算显示，未使用超声波时树枝晶应力为30.9 MPa，而在非接触超声作用下应力增加到71.3 MPa。与气蚀现象不同，气蚀会产生剧烈的气泡崩溃和冲击波，而声流效应保持了稳定的熔池表面。在低强度条件下，孔隙度仅微幅增加，从7.9 W·cm²增至17.5 W·cm²，证实了在不产生缺陷的情况下实现了晶粒细化。
超声波对Inconel 718熔合缺陷的影响。图片来源：Nature Communications。
早期的焊接、熔覆和铸造研究认为气蚀是晶粒细化的主要原因，声流效应被认为可以忽略不计。最近的同步辐射X射线成像揭示了激光增材制造中的声流现象，但仍将晶粒细化归因于气蚀现象，因为这些实验中的强度超过了阈值。本研究证明了在不能发生气蚀的条件下，声流效应能够细化晶粒，从而解决了长期存在的声流效应作用不明确的问题，并解决了超声辅助增材制造中气蚀现象的可扩展性问题。
机械性能测试突出了重复性的差异。非接触样品显示了一致的屈服强度，集中在582 MPa附近，抗拉强度集中在994 MPa左右。接触超声样品的性能差异较大：屈服强度从427 MPa到757 MPa不等，抗拉强度从890 MPa到1070 MPa不等，主要由于孔隙度和非均匀微观结构的影响。作者报告称，非接触技术在所测试的两种合金中实现了可重复的性能，这与高强度超声的变化性形成鲜明对比。
超声波对Inconel 718单道次晶粒结构的影响。图片来源：Nature Communications。
通过证明气蚀不是晶粒细化的必要条件，这项研究重新定义了超声辅助冶金的假设。低于20 W·cm²的非接触超声波能在广泛应用于航空航天和能源领域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，这一方法还可应用于激光熔覆和焊接中，尤其适用于需要保持熔池稳定性的情况。研究结果确立了声流效应作为微观结构控制的可行机制，并为制造大型复杂金属部件提供了可重复的策略。
