沿构建方向的PBF-LB/M工艺中原位超声处理效果评估

《Journal of Manufacturing Processes》：Assessment of in-situ ultrasonic treatment effects along the build direction in the PBFLB/M process

　　

摘要
为获得增材制造（AM）零件所需的力学性能，通常需要对成形态中非常规微观组织进行后处理。然而，这会削弱AM作为一种供应链短、时间敏感制造方法的优势。为缓解这一问题，原位晶粒改性方法（如扫描策略和场辅助）正被研究作为后处理的替代方案。在其他场辅助方法中，超声处理（UT）提供了一种低成本、高可转移性且有效的解决方案。然而，对于较高尺寸的成形件，超声波的衰减及其与材料亚晶粒结构的相互作用仍缺乏理解。本研究采用高倍成像和显微硬度分析，研究了沿构建方向由低强度UT引起的晶粒组织演变。研究发现，低于以往报道水平的低能量UT能够引起有益的组织改性。然而，波传播的衰减沿构建方向是瞬态的，并取决于空间取向，例如相对于保护气流的上游和下游位置。但其取决于波衰减，且在超过总构建高度25%后，效应变得可忽略。研究发现，UT使底部区域Laves相的面积分数降低了7%。尽管存在这一局限，研究发现，在PBF-LB/M工艺中，使用仅为行业标准（持续使用值）2.1%的低功率UT即可获得有利的晶粒组织改性。

论文解读：PBF-LB/M工艺中原位超声处理沿构建方向效应的系统评估

**研究背景与问题**
增材制造（AM）技术能够制造复杂几何形状、功能梯度材料并支持分布式制造，显著缩短供应链并整合零部件。然而，AM零件在成形态常具有非常规微观组织，如孔隙、晶粒组织、亚晶粒结构、析出相和凝固组织，这些特征显著影响零件性能。传统打印参数虽能优化致密度和表面粗糙度，却无法全面控制晶粒尺寸和织构。当前主流做法是依赖后处理（如热处理、热等静压）来调控组织，但这削弱了AM快速响应的优势，且热处理方法需针对材料、工艺和应用专门定制。因此，发展原位晶粒改性方法成为重要方向。在各类场辅助方法中，超声处理（UT）因低成本、高可转移性和有效性而受到关注。然而，对于基于构建板的PBF-LB/M（激光粉末床熔融）工艺，低强度超声波的衰减规律及其与亚晶粒结构相互作用的机制尚不明确。现有研究多采用高于空化阈值（100 W/cm²）的高强度UT，且样品高度较低，缺乏对UT能量沿构建方向衰减的系统研究。为此，本研究旨在评估低强度UT在PBF-LB/M工艺中沿构建方向的效应极限，以及气流方向对UT作用的影响。

**关键技术方法**
研究人员采用Open Additive PBF-LB/M系统，以Inconel 718粉末（粒径18–53 μm）打印拉伸、立方体和疲劳样品。超声系统由压电换能器和变幅杆组成，安装在构建板下方，工作频率约23.5 kHz，构建板表面振动幅值0.35 μm（峰峰值），对应超声强度（I）为2.12 W/cm²。通过Chladni板实验确定构建板模态，选取波腹区域样品进行分析。研究中设置了施加UT与不施加UT（No-UT）两种打印条件，UT在打印2.5 mm高度后启动。材料表征采用光学显微镜和MATLAB图像分割评估孔隙率；采用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）识别枝晶区域，并分别以人工和半自动图像处理方法测量一次枝晶臂间距（PDAS）；利用亮度阈值分割定量Laves相面积分数（AF）、颗粒数和长宽比（AR）；采用维氏显微硬度计（载荷1 kgf，保载10 s）测量样品顶部和底部夹持区域硬度。样品选取考虑了上游和下游表面（相对于保护气流方向），每间隔1 mm沿构建高度采集大量PDAS数据。

**研究结果**
**孔隙率分析**：通过图像分割和Archimedes法测量孔隙率，结果显示No-UT条件下样品密度大于99%，而UT条件下孔隙率显著增加。Mann-Whitney U检验表明两种条件存在显著差异。沿构建方向的孔隙率分布图显示，UT样品在底部和几何形状突变处出现若干峰值，但整体分布趋势与No-UT相似。
**一次枝晶臂间距（PDAS）分析**：对上游表面，UT样品底部（2.5–10 mm）和中段（10–20 mm）PDAS值显著低于No-UT，而顶部（20–27 mm）无显著差异，表明超声能量随距离衰减；对下游表面，仅在顶部显示显著差异。UT在上游表面约8 mm高度处发生明显组织转变。广义线性混合效应模型（GLMM）统计验证了这些差异。
**析出相定量**：UT影响Laves相形貌和分布。在上游表面顶部区域，颗粒数增加、面积分数降低，长宽比不变；底部区域颗粒数和面积分数均降低，长宽比不变。下游表面顶部和底部颗粒数分别增加26.9%和18.2%，长宽比分别降低2.2%和4.2%，面积分数无显著差异。GLMM分析表明，UT有效改变了Laves相颗粒数和面积分数，总体而言底部区域Laves面积分数降低约7%。
**显微硬度分析**：No-UT样品顶部和底部硬度无显著差异；UT样品顶部与底部硬度差异显著，顶部硬度较低且数据分散度更大，表明UT改进了底部组织从而部分补偿了孔隙率增加带来的硬度损失。

**讨论与结论**
讨论指出，UT引起的PDAS变化在上游和下游表面表现不同，这与保护气流对熔池温度的影响有关：上游气流带走热量，冷却速率高；下游表面热量积累，冷却速率低（经计算上游冷却速率约2,059,567 °C/s，下游约584,708 °C/s），导致下游PDAS更大。低强度UT（2.1 W/cm²）虽远低于文献中100 W/cm²的空化阈值，但由于PBF-LB/M熔池极小、寿命极短，仍能通过空化和声流效应使长链状Laves相破碎并改变亚晶粒尺寸。UT效应在底部区域明显，但随高度增加而衰减，超过约8 mm（上游）后作用减弱。研究结论指出，低强度UT可在PBF-LB/M工艺中实现形态上不同的亚晶粒组织修饰，但需根据构建方向和气流条件进行可调的UT控制，以在全高度范围内获得理想力学性能。该研究为低强度UT在增材制造中原位组织调控的应用提供了定量依据。