通过频率跟踪超声辅助线弧增材制造技术改性Ti-6Al-4V合金的α相，从而增强材料的强度

《Journal of Alloys and Compounds》：Strength enhancement through modifying α phase of Ti-6Al-4V alloy via frequency-tracking ultrasound assisted wire-arc additive manufacturing

　　

摘要

通过线弧增材制造（WAAM）制造的钛合金通常具有粗大的β柱状晶粒和不可控制的α相形态，这限制了机械性能的进一步提高。为了解决这个问题，我们在WAAM过程中应用了一种自设计的频率跟踪超声波，并通过实验和数值模拟研究了微观结构的演变和强化机制。与固定频率的超声波相比，频率跟踪超声波通过原位负载匹配随着沉积高度的增加而保持共振状态，从而在固液界面产生更稳定的振动。这通过空化诱导的过冷效应促进了β相的析出，有效地细化了β柱状晶粒。与β晶粒内部的细小α沉淀物不同，晶界（GB）处的α相变得粗糙且连续。这种变化源于声流作用使得β相生长前沿附近的Al耗尽和V元素偏聚受到抑制，从而分别提高了GB-α的成核温度和GI-α的成核温度。经过超声波处理的合金获得了1028 MPa的屈服强度和1114 MPa的极限抗拉强度，分别比传统的WAAM提高了65%和40%。这种性能提升主要归因于连续的、粗大的GB-α相，它抵抗了变形并有效地阻碍了位错滑移。这些发现阐明了超声波在控制Ti-6Al-4V WAAM过程中β相和α相演变中的关键作用，并为生产高性能钛合金提供了一条有希望的途径。

引言

钛合金由于其高比强度、耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、生物医学、海洋和船舶制造、化工以及汽车工业中得到了广泛的应用[1],[2],[3],[4]。作为典型的α+β双相钛合金，Ti-6Al-4V表现出优越的机械性能，这得益于六方密排（HCP）α相（作为主要的强化成分）和体心立方（BCC）β相（能够促进塑性变形并减轻应力集中）之间的协同作用[5],[6],[7],[8],[9]。通过调节两种相的体积分数、形态和尺寸，可以在不同的使用条件下实现多种强度-延展性组合[10]。增材制造（AM）为制备复杂的Ti-6Al-4V部件提供了一种新的方法[11]。然而，像WAAM这样的工艺在制造过程中会沿建造方向产生陡峭的温度梯度，从而促进β晶粒沿热流方向的择优生长，导致多层结构中出现厘米级的粗大柱状晶粒[12]。根据Burgers定向关系（BOR），β晶粒的明显晶体学纹理会引发粗大层状α相的定向析出。因此，该合金表现出显著的机械各向异性，其抗拉强度通常低于1 GPa，这限制了其在高强度航空航天结构部件中的应用[13],[14]。为了解决这些问题，已经提出了包括扫描路径优化[15],[16]、后热处理[17]以及添加成核剂[18],[19]等策略。

超声波辅助的AM由于其操作简便性、高能量密度和无污染特性而受到了关注[18]。研究表明，合金熔体中的声空化和声流可以有效地细化钛合金中的β晶粒，从而提高其机械性能[19],[20]。例如，Todaro等人[20]在基于激光的定向能量沉积Ti-6Al-4V合金的过程中使用了20 kHz的固定频率超声波，将β晶粒从500 μm的粗大柱状晶体细化至117 μm的细小等轴晶粒，使屈服强度从980 MPa提高到了1094 MPa。然而，AM制造的Ti-6Al-4V合金的强度限制并不仅仅来自粗大的β晶粒，更重要的是α相的形态和分布。理想的高强度微观结构需要同时细化β相和α相[21]。然而，之前的超声波辅助研究主要关注固化过程中的β晶粒细化，对后续固态转变β→α过程中的超声效应关注不足。这一不足主要是由于基于激光的AM冷却速率高达10? K·s?1，限制了超声波对α相析出过程的影响，从而限制了可实现的强度提升。此外，以往的研究大多采用基底耦合配置下的固定频率超声波。实际上，随着建造高度的增加，系统的共振频率会发生变化，导致失谐和声能传递效率降低。目前，动态优化声场以在整个过程中保持共振的状态尚未得到探索，这对确保超声波辅助AM的可靠性是一个关键的技术挑战[20],[22]。

在这项工作中，我们采用了频率跟踪超声波辅助的WAAM技术，实现对Ti-6Al-4V合金中β相和α相的协同调制。通过将温度和流场的有限元模拟与成核计算相结合，揭示了超声波对β相固化过程尤其是β→α固态转变的影响，并阐明了由此产生的强度提升机制。

章节摘录

实验程序

图1(a)展示了超声波辅助WAAM系统的示意图，该系统包括超声波发生器、超声波电源、熔池监控系统、机械臂、基底、焊接炬、水冷系统和TIG电源。实验过程中，超声波从Ti-6Al-4V基底的底部引入熔体中。自设计的频率跟踪超声波电源能够根据负载变化进行原位共振频率跟踪。

频率跟踪超声波的振动模式

图2(a)显示了由频率跟踪超声波在基底顶部中心激发的振动频谱信号。振动系统的共振频率f?为19.4 kHz，声压级为-6 dB，存在谐波（nf?，其中n=2,3…），表明系统具有轻微的非线性。谐波幅度显著低于基频（2f?比f?低60 dB，3f?比f?低52 dB），从而导致...

结论

本研究探讨了频率跟踪超声波辅助WAAM对Ti-6Al-4V合金中β相和α沉淀物的调制机制，并建立了微观结构与机械性能之间的关系。主要结论如下：

• (1)
  随着样品高度的增加，频率跟踪超声波在固液界面产生的振幅比固定频率模式下的更稳定，因为它保持了一个共振状态

未引用的参考文献

[58]

CRediT作者贡献声明

王建远：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、方法论、资金获取。王金昭：软件开发、方法论、实验研究、资源协调、方法论、资金获取、概念设计。翟伟：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、方法论、实验研究、资金获取、概念设计。王荣：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法论、实验研究、数据分析。吴文华：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、实验研究，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（52130405, 52504426, 52688101）和陕西省研究计划（2024ZY-JCYJ-04-07, 2025SYS-SYSZD-095, 24GJSY0012-2025XCLSXSYS-RZ-08）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

Rong Wang|Wenhua Wu|Jinzhao Wang|Jianyuan Wang|Wei Zhai

西北工业大学物理科学与技术学院，中国西安 710072