合金钢电弧增材制造中超声波应用阶段的晶粒细化机制

《Ultrasonics》：Grain refinement mechanism of ultrasonic application stage in wire arc additive manufacturing of alloy steel

　　

摘要
超声辅助电弧增材制造 (UA-WAAM) 为细化沉积态组件中存在的粗大柱状晶提供了一条有前景的途径。然而，在熔池快速凝固过程中不同阶段施加超声的效果尚理解不足，晶粒细化机制有待澄清。基于熔池的相变温度和热历史，设计了一种新颖的分阶段特定超声应用策略。研究了五个离散的超声干预阶段：电弧熄灭前、电弧熄灭时、凝固期间、凝固后以及连续应用。使用光学显微镜和电子背散射衍射 (EBSD) 表征微观结构演化，同时从理论上模拟了空化动力学和柱状晶的力学响应，以建立定量的破碎判据。结果表明，有效的晶粒细化仅在冷却和凝固阶段施加超声时发生，将粗大柱状晶转变为细等轴晶和细化柱状晶。由于缺乏存活的核心或液态介质，电弧熄灭前或完全凝固后施加的超声产生的微观结构改性微乎其微。理论分析揭示，空化诱导的晶粒破碎是关键机制，预测的临界破碎长度 (15.3–25.8 μm) 与测量的平均晶粒尺寸 (20.9 ± 3.7 μm) 在定量上吻合。声流通过分散碎片作为异质形核位点起到辅助作用。有效超声应用的关键窗口仅限于从电弧熄灭到完全凝固的亚秒级间隔。这些发现建立了空化冲击波压力与晶粒破碎行为之间的定量关系，为优化 WAAM 中节能超声策略提供了科学基础。

引言
增材制造 (AM)，通常称为三维 (3D) 打印，已成为现代工业生产中一种颠覆性的范式，提供了前所未有的设计自由度，并能够从数字模型直接制造几何复杂的组件 [1], [2]。在过去三十年中，增材制造技术逐渐从原型工具过渡到用于终端金属零件的可行制造路线，这得益于对轻质结构和材料效率的需求 [3], [4]。在金属增材制造工艺的光谱中，电弧增材制造 (WAAM) 引起了学术界和工业界的极大关注，特别是在航空航天、海洋、能源设备和汽车领域 [5], [6], [7]。与其他金属增材制造技术相比，WAAM 具有独特的优势，包括更高的沉积速率 (高达每小时几千克)、更低的资本设备成本以及制造大型结构件的独特能力 [8], [9]。

尽管具有这些优势，WAAM 工艺的固有热特性为获得理想的沉积态微观结构和力学性能带来了重大挑战。在 WAAM 沉积过程中，移动电弧产生高度局域化的热输入，形成一个小体积的熔池，该熔池经历极端的温度梯度 (通常为 $10^2$–$10^3$ K/mm) 和快速冷却速率 ($10^2$–$10^3$ K/s) [10]。这种非平衡凝固环境促进了沿着最大热耗散方向的粗大柱状晶的外延生长。这种粗大且各向异性的晶粒结构通常对力学性能有害，导致与锻制或锻造等效材料相比，强度、塑性和疲劳阻力降低 [11], [12], [13]。此外，由于反复的热循环和受限收缩，WAAM 制造组件中的残余应力积累和凝固开裂倾向加剧 [14], [15]。因此，开发有效的策略在 WAAM 加工过程中调控晶粒形态并实现细化、等轴的微观结构，是扩大这一有前景技术的工业采用的先决条件。

已经探索了各种策略来细化 WAAM 的沉积态晶粒，包括工艺参数优化 (如送丝速度、移动速度、层间温度) [16] 以及应用外部场，如超声、电磁搅拌和机械振动 [17]。其中，超声辅助 WAAM (UA-WAAM) 作为一种特别有前景且环境友好的技术脱颖而出，因为它不改变合金成分，不需要额外的机械处理步骤，并且可以很容易地集成到现有系统中 [18]。引入熔池的高频 (20–40 kHz) 超声振动产生了一系列非线性效应，其中声学空化和声流被认为是负责微观结构改性的主要机制 [19]。这些效应共同影响凝固期间固相的形核、生长和破碎 [20]。Abhinav 等人 [21] 的现场高速成像直接捕捉到了 Al-3 wt% Zr 合金在超声激发下初生 Al?Zr 枝晶的破碎。进行了数值模拟以阐明熔池内的多物理场相互作用，揭示超声激发显著改变了凝固金属的压力分布和流动速度 [22]。Chen 等人 [23] 在 316 L 不锈钢的 WAAM 过程中对基板施加了超声振动，观察到平均晶粒尺寸减少了 45%，屈服强度相应增加。同样，Yang 等人 [24] 证明超声振动 WAAM 加工 Ti-6Al-4 V 合金促进了柱状晶向等轴晶转变 (CET) 并抑制了粗大 β 柱状晶的形成。Wang 等人 [25] 证明超声辅助钛合金定向能量沉积将粗大柱状晶细化为细等轴晶，并增强了抗疲劳裂纹扩展能力。在沉积过程中引入超声导致凝固态微观结构从粗大柱状晶向细等轴晶发生显著转变，伴随着抗拉强度、硬度和延伸率的提高 [26], [27]。

最近，UA-WAAM 的范围已扩展到传统钢铁和钛合金之外的多种工程合金。在 UA-WAAM 过程中，系统地研究了 NiTi 合金 [28]、殷钢 [29] 和镁合金 [30] 的晶粒细化行为和潜在机制。与此同时，对于镍基高温合金，开发了结合超声滚压 [31] 或混合等离子弧与微滚压 [32] 的混合策略用于 IN718，证明了沉积态微观结构的同时细化和力学性能的提升。Ma 等人 [33] 开发了一种可熔化超声探头辅助的 Al-Mg 合金 WAAM 工艺，将晶粒尺寸从 39 μm 减少到 14 μm，并将孔隙率降低到 0.29%。同样，Song 等人 [34] 证明 Al 合金的 UA-WAAM 显著细化了晶粒结构，减轻了残余应力，并将冲击韧性和抗拉强度分别提高了 76% 和 12%。

然而，对现有文献的关键审查揭示了一个关键问题仍未得到解决。绝大多数这些研究采用了连续超声应用策略，即在从电弧引燃到完全凝固和冷却的整个沉积周期内启动超声。虽然这种方法可靠地证明了超声晶粒细化的有效性，但它从根本上模糊了潜在的物理机制。它混淆了超声在熔池热演化不同阶段的有效性，从而阻止了对能量输入和工艺效率的合理优化。因此，超声能量真正有效的精确温度窗口仍然模糊不清。在熔池保持过热状态的电弧引燃期间，超声是否必不可少？超声在凝固过程中是否表现出特定的晶粒细化温度窗口？空化增强形核和冲击波诱导破碎是贡献相等，还是在 WAAM 的快速凝固过程中有一种机制占主导地位？这些问题不仅仅是学术性的，答案对于设计节能超声策略具有重大意义。

WAAM 熔池经历极其瞬时的热循环，在几秒内从过热液态状态过渡到完全凝固 [35]。这种独特的热历史导致了关于在 WAAM 熔池快速凝固的不同阶段应用超声有效性的重大知识空白。超声在熔池不同温度阶段的具体作用，从过热液态状态到液固共存再到完全固态，仍然知之甚少。解决这些问题对于推进超声与熔池相互作用的基本理解至关重要。尽管具有实际意义，但已发表的文献中明显缺乏将 WAAM 熔池离散温度阶段的超声效应解耦的系统实验研究。

为了填补这一知识空白，本研究对合金钢的 UA-WAAM 晶粒细化机制进行了全面调查，特别着重于阐明超声的温度阶段特定有效性。基于填充丝材料的相变温度和静止熔池的模拟热历史，构思了一种新颖的分阶段特定超声应用策略。设计了五种不同的实验条件以隔离以下超声效应：电弧熄灭前 (完全液态)、电弧熄灭时 (整个凝固范围)、凝固期间 (液固共存)、凝固后 (固态转变) 以及整个过程中的连续应用。使用光学显微镜和电子背散射衍射 (EBSD) 详细表征了所得的微观结构特征，以量化晶粒尺寸分布。此外，建立了一个理论框架来模拟液态钢环境中空化气泡的动力学，并基于梁理论预测易受冲击波诱导破碎影响的临界晶粒长度。通过将实验观察与理论预测相关联，本工作旨在确定主导的晶粒细化机制并定义 WAAM 中有效超声应用的关键工艺窗口。预计这些发现将为优化实际 WAAM 应用中的超声参数提供科学基础，从而促进生产具有细化和均匀微观结构的高性能金属组件，同时尽量减少不必要的能源消耗。

章节片段
材料
本研究使用的基板材料为 5CrNiMo，尺寸为 260 mm × 150 mm × 8 mm，填充焊丝为直径 1.2 mm 的 RMD535。两种材料的化学成分列于表 1 中。

超声辅助 WAAM 系统
UA-WAAM 的实验平台由三个集成的子系统组成：WAAM 沉积单元、超声辅助模块和沉积平台，如图 1 所示。WAAM 沉积单元由六轴 ABB 机器人组成

超声应用期间分阶段的微观结构演化
为了阐明超声应用不同阶段的微观结构演化，进行了六组静止焊接实验，包括五组在不同温度阶段施加超声的实验和一组无超声应用作为空白对照组。图 7 展示了五种超声应用策略下凝固熔池的光学显微照片，揭示了取决于应用的明显不同的微观结构特征

空化阈值与气泡动力学行为
液态钢中空化的启动需要声压幅值超过最小阈值。与理想的均匀液体不同，WAAM 中的熔池包含来自保护气氛的溶解气体和焊丝中的固有水分，这显著降低了理论空化阈值。在这种非均匀条件下，修正的布莱克 (Blake) 阈值判据提供了对空化起始更准确的描述 [38]：
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结论
本研究系统阐明了合金钢超声辅助电弧增材制造 (UA-WAAM) 中的分阶段晶粒细化机制。通过基于相变温度和熔池热历史设计了一种五阶段超声应用策略。使用光学显微镜和 EBSD 表征了不同超声应用阶段下的微观结构演化，并对空化动力学和柱状晶的力学响应进行了建模

CRediT 作者贡献声明
Feilong Ji: 撰写 – 原稿，软件，方法学，概念化。Xiaohong Wang: 数据整理，概念化。Bowen Dong: 撰写 – 审阅与编辑，验证。Huan Yuan: 撰写 – 审阅与编辑。Zeqi Hu: 撰写 – 原稿，软件，方法学。Xunpeng Qin: 验证，方法学。Lin Hua: 项目管理。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢
作者衷心感谢湖北省自然科学基金 (No. 2026AFC0083, No. 2026AFC0115)、湖北龙种实验室开放基金 (No. 2024KF-06)、湖北理工学院湖北省智能交通技术与装置重点实验室开放基金项目 (No. 2026XM102) 以及国家自然科学基金 (No. 52571040) 的支持。

Feilong Ji | Xiaohong Wang | Bowen Dong | Huan Yuan | Zeqi Hu | Xunpeng Qin | Lin Hua
湖北理工学院机电工程学院，湖北省智能交通技术与装置重点实验室，中国黄石 435003