超聲能場在金屬增材制造組織性能調控中的應用*

姜風春，韓筱凡，果春煥，陳祖斌，董 濤，張賀新，李海新，楊振林，孫文瑤

（1.哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學煙臺研究（生）院，煙臺 264000）

增材制造（Additive manufacturing，AM）是一種融合了計算機輔助設計、材料成形與加工技術，以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用金屬材料、非金屬材料及醫用生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。與傳統的對原材料去除、切削、組裝的加工模式不同，增材制造是一種“自下而上”材料累加的制造方法。AM又稱為3D打?。?D printing）[1]、快速原型制造（Rapid prototyping manufacturing）[2]和分層制造（Layered manufacturing）[3]等。

AM 具有眾多優點，在很多領域有著廣泛的應用前景。Edwards 等[4]的研究表明，AM 零件有著與鍛件相近的靜態或準靜態服役強度，然而由于其具有表面不光滑、各向異性、氣孔夾雜、殘余應力及過熱變形等問題[5–10]，導致零件疲勞強度低、疲勞壽命離散，這加大了AM 零件疲勞性能評估和應用的難度[11–14]。因此需要采用某些技術來改善現有增材制造構件中存在的問題，目前較為成熟的技術有在線滾壓軋制[7，15–16]、后續熱處理[17–20]和熱等靜壓處理[21–22]等。滾壓軋制技術能夠使整個橫截面（不僅是表層）產生塑性變形，因此在金屬增材制造過程中對沉積層進行滾壓處理，對于改善材料內部組織和消除殘余應力比較有效。國內學者提出的“微鑄鍛銑”復合制造技術[23–24]，是采用微型滾輪和微型擠壓裝置來輔助熔積沉積成形制造，其目的是防止熔融材料下落、流淌、坍塌，避免成形件開裂，減輕或消除殘余應力、改善組織性能，保證零件成形穩定性，提高成形精度和表面質量。國外學者在這方面也進行了一系列探索，如文獻[25]采用了兩種滾筒對電弧熔絲增材制造構件進行高壓滾動處理，然而滾壓軋制技術需要施加較大的壓力，難以用于薄壁件和形狀復雜構件；當以小載荷作用于大尺寸構件時，作用效果不明顯。后續熱處理技術較為簡單便捷，只需選取適當的加熱溫度、保溫時間和冷卻方法即可。但是不恰當的熱處理會使零件變形或者晶粒粗化，同時對于某些合金，熱處理能起到的作用很小，例如鈦合金和不可熱處理的強化鋁合金等。對于選區激光熔化技術（SLM）和選區電子束熔化技術（SEBM）所制備的小型結構件，采用熱處理技術較為方便，能較好地控制溫度、時間、壓力等來改善材料的組織和性能；對于大型結構件則需要較大的設備，不僅成本較高，而且大型的結構件熱處理過程中的溫度場、應力場較難控制。同樣地，熱等靜壓處理費用昂貴且操作不便，當對大型工件或復雜工件需要進行熱等靜壓處理時，可能會造成工件變形或者微觀結構不均勻的問題[26]。

目前，增材制造技術已經在航空航天、交通運輸、生物醫療等領域獲得了廣泛應用，但是由于本身技術特點導致金屬部件的力學性能難以滿足設計要求，尤其在大型金屬復雜構件增材制造時面臨的殘余應力和變形控制等問題更是嚴重阻礙了金屬增材制造技術的發展，因此，需要研發一種有效的處理手段來提升增材制造材料的性能。超聲能場輔助增材制造技術作為一種在線調控組織和性能的方法，不同于現有的熱處理技術、層間軋制技術和熱等靜壓技術，其利用大功率超聲波為動力源，驅動設備的沖擊頭高頻沖擊沉積件表面，能夠有效細化晶粒、改善應力分布、提升構件的力學性能。

本文總結了超聲能場對增材制造金屬材料的影響，特別分析了超聲能場“液–固”雙重作用機理，系統地闡述了超聲能場在增材制造過程中雙重作用的實現形式和在金屬微觀結構改善與性能提升中的作用。

1 超聲能場輔助增材制造方法

根據超聲能場輔助增材制造的作用效果不同，可將其分為3 類：超聲攪拌技術、超聲沖擊強化技術和新型超聲外能場輔助技術。

1.1 超聲攪拌技術

超聲攪拌技術是通過多種介質（空氣、金屬絲、基板等）將聲波傳遞到熔池中，從而在金屬凝固過程中改善組織、提高力學性能。該技術主要應用于傳統鑄造中，其裝置主要由超聲波振動部件、超聲波驅動電源和反應釜3 部分構成。其原理如圖1 所示[27]，將超聲沖擊頭置于熔體中，通過變幅桿將超聲波能量振動傳遞給工具頭，再由工具頭將超聲波能量傳遞至熔體，并產生“聲流”和“空化”的作用，從而增加熔池金屬凝固時的形核率，達到細化晶粒、均勻組織成分、減少試件殘余應力的目的。近年來，該技術被應用到增材制造當中，發展出超聲振動基板輔助電弧送絲增材制造和超聲振動基板輔助激光粉末熔化增材制造，如圖2 所示[28–29]，將超聲沖擊引入基板或者工作臺中，利用基板/工作臺的振動將超聲引入至熔池當中，同樣可以實現“空化”與“聲流”作用。但由于超聲沖擊頭直接與熔池相接觸，極易引入間隙原子（如O、C 和W 等），導致構件出現雜質、孔洞等缺陷，進而影響構件的機械性能。

圖1 超聲攪拌裝置示意圖[27]Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic mixing device[27]

圖2 超聲振動基板輔助增材制造Fig.2 Ultrasonic vibration substrate assisted additive manufacturing

1.2 超聲沖擊強化技術（UIT）

傳統的超聲沖擊強化技術[30]（又稱超聲原位沖擊技術）屬于表面強化技術，如圖3 所示[31–32]，該裝置可以按照沖擊針數量的不同分為多束沖擊針式與單束沖擊針式。傳統的超聲沖擊技術最早是由蘇聯著名科學家Statnikov 等[33]提出并應用于改善鋼的強度和壽命，之后烏克蘭研究人員將該技術用于強化焊接構件及改善焊接質量。國內外對于超聲沖擊的研究主要集中于改善缺陷[34]、細化晶粒[35]、消除殘余應力[36]等方面。然而傳統的超聲沖擊，實際作用在工件表面上的沖擊頻率并沒有達到超聲頻率（20 kHz 以上），這是因為傳統超聲沖擊裝置的沖擊針與變幅桿是分離的，對工件表面實施沖擊時，變幅桿在換能器的驅動下以超聲頻率振動，沖擊針在變幅桿的作用下沖擊工件表面，反彈后再次受到變幅桿的推動，從而不斷沖擊，沖擊針在工件表面和變幅桿之間一直進行往復運動，而沖擊工件的實際頻率只有幾百Hz，因此在工件上的沖擊根本達不到超聲頻率，只是一種機械振動沖擊。另一方面，傳統的超聲沖擊裝置中換能器的功率較低（通常在1 kW 以下），超聲沖擊作用層的深度非常小，只有幾十μm。傳統超聲沖擊裝置和技術應用于增材制造時，按照規劃的路徑對固體成形材料進行超聲沖擊處理，此刻成形層的溫度較低，只能對工件淺表層的微觀組織和力學性能有一定的加工硬化效果，難以達到改善整體增材制造構件的組織和力學性能的目的。

圖3 傳統超聲沖擊強化設備Fig.3 Conventional ultrasonic impact equipment

1.3 新型超聲外能場輔助技術

為了克服傳統超聲沖擊裝置的不足，Yuan 等[35]通過結構優化設計，把傳統的超聲沖擊裝置中的沖擊針通過工具頭和變幅桿剛性相連（圖4），實現了換能器–變幅桿–工具頭的沖擊頻率一致性，保證了作用在工件表面上的頻率真正達到超聲頻率（超聲頻率臨界值20 kHz）；并且在高溫時（在沉積層合金的再結晶溫度以上）把大功率（2 kW）的超聲能量以超聲頻率直接作用于增材制造過程中沉積的每一層金屬，提高了超聲能場的作用效果和作用深度，通過逐層改變沉積層組織和性能的方式，實現增材制造整體零部件組織改善和力學性能的提高。由于超聲沖擊裝置的特殊設計，超聲能場除了對固體沉積層的作用效果以外，對于超聲能場施加點前端緊鄰的熔覆區內的熔池凝固過程也有較好的作用效果。這是因為超聲波在金屬中具有很高的傳播速度，在對固體熔覆層施加超聲能場作用的同時，也幾乎同步作用在沉積層前端的熔池中，此時超聲能場對熔池中液態金屬凝固的干擾效果增加了形核率，并且由柱狀晶轉變成了等軸晶，從而細化了晶粒。

圖4 超聲外能場輔助增材制造Fig.4 Ultrasonic external energy field assisted additive manufacturing

上述多種超聲能場輔助增材制造方法，可將其作用機制總結為兩點：一是通過介質將超聲傳遞到熔池中實現熔池中的空化與聲流作用；二是將超聲作用于固態沉積層中以實現動態再結晶的效果。當采用創新結構設計的大功率新型超聲沖擊裝置作用于沉積層時，不僅能夠通過固態沉積層將超聲傳遞到熔池中實現熔池中的空化與聲流作用，而且在沉積層中能實現動態再結晶效果，這種對金屬增材制造過程中的熔池“液體”和沉積層“固體”的超聲沖擊作用效果，本文稱其為超聲能場的“液–固”雙重效應。

2 超聲能場的雙重作用效應

2.1 超聲能場對沉積過程熔池作用效果的驗證

超聲能場在熔池中會實現兩種作用效果，分別為空化與聲流?？栈傅氖窃谝后w中由于受到了外力的影響產生氣泡或者由原來的微小氣泡核長大隨后急劇內爆并伴有高溫、高壓和沖擊波的現象。如圖5 所示[37]，將超聲振動施加在熔池中，當超聲頻率達到一定值的時候，熔池的內部會出現局部的拉應力而形成負壓，使得一些微小氣泡核長大聚集，隨后形成空化泡，空化泡繼續長大隨后內爆，會釋放巨大的壓力并伴有瞬時的溫度變化。當超聲作用于液體中時，不但會有空化現象產生，還會在溶液中產生一種非周期運動，這種非周期運動叫做超聲波的聲流效應。由于聲波在傳遞的過程中能量會逐漸降低，溶液通過聲吸收吸取了部分超聲波的能量從而形成了聲流。文獻[38–42]中通過超高速X 射線原位觀測的方式發現，在熔池凝固過程中加入超聲波能夠實現大范圍的枝晶破碎，破碎的枝晶伴隨聲流分布在熔池各處，隨后發生重熔，對此歸納為3 種超聲輔助細化晶粒機理： （1）空化氣泡的混沌脈沖不斷壓迫枝晶，導致枝晶出現疲勞斷裂； （2）空化氣泡云突然坍縮所釋放的強大沖擊破壞了枝晶； （3）坍縮壓力作用于枝晶薄弱處并發生單調彎曲脆性斷裂，隨后又證明聲流引起的枝晶破碎重熔是誘導晶粒細化的主要機制，其中聲流將較熱的熔體不斷輸送至枝晶底部，間接引發枝晶底部重熔。由于聲流對枝晶的偏轉作用，枝晶底部出現微裂紋，進一步引起了枝晶的疲勞斷裂。如圖6 所示[37]，枝晶由于空化和聲流的綜合作用而碎裂，隨著聲流不斷將碎片循環回空化區，并使細小枝晶碎片進一步碎裂；在超聲作用停止后，未被熔化的枝晶碎片重新生長為樹枝晶，隨著枝晶的生長，枝晶間相互碰撞并進一步細化。

圖5 超聲在熔池中的作用[37]Fig.5 Role of ultrasonic in the molten pool[37]

圖6 金屬間碎片生長成等軸晶的微觀圖和示意圖[37]Fig.6 Microscopic and schematic diagrams of growth of intermetallic fragments into equiaxial crystals[37]

2.2 超聲能場對固態沉積層作用效果的驗證

超聲能場作用于沉積層表面以引起表面效應和體積效應，達到超聲微鍛造的目的。Blaha 等[43]在鋅單晶拉伸試驗中發現了超聲波對于金屬有顯著的非線性作用，分別是超聲軟化和超聲硬化，當超聲振動作用于金屬時，超聲軟化效應立即顯露，在振動結束后才逐漸出現超聲硬化現象。在高功率超聲振動下金屬會明顯表現出應力降低的特點，這是因為高功率超聲引起位錯吸收了足夠的聲能并將它們從固定的平衡位置中釋放，而大幅度的位錯運動早已超出平衡位置。當超聲應力與晶格缺陷產生的內應力疊加時，可以有效降低位錯的活化能，這也會使金屬內部出現永久性的變化，與此同時聲能所造成的局部加熱同樣可以刺激位錯的進一步運動。學者們早期認為在發生超聲軟化時，將不再產生位錯，隨著研究深入，發現超聲波誘導了動態恢復促進了位錯的湮滅，這也可以從低角度晶界分布更加隨機來印證這一觀點。后來有學者發現超聲軟化作用時，為擺脫釘扎效應會產生更多更大面積的位錯，進而促進晶粒細化。Sun 等[44]的工作對此做出了解釋，間隙性的沖擊所產生的局部剪切應力足以使局部位錯突破釘扎效應的約束，由于表面產生的塑性變形可以進一步促進位錯的產生，超聲所產生的沖擊載荷和超聲振蕩可以使位錯在一定時間內不斷運動，隨即發生合并與湮滅，在距離超聲處一定距離的位置形成位錯壁或者位錯胞，位錯壁和位錯胞在后續過程中進一步發生改變，以亞晶粒的形式出現在晶粒內部，隨后會因熱效應而轉化成新的細小晶粒，實現超聲動態再結晶效果。Hu 等[45]對比了有無超聲輔助下的EBSD 結果，如圖7 所示，經計算頂部區域和中心區域超聲振動對位錯密度的降低率分別為41.4%和9.5%，可以得出結論，超聲波振動導致位錯密度顯著降低并伴有等軸晶粒，這與超聲波振動引起的動態恢復效果相似。上述EBSD 結果表明，聲學軟化減少了內部的位錯，從而降低了宏觀水平上的實際流動應力。低位錯密度的原始晶粒通過加工硬化變形，從而激活位錯的產生，導致流動應力增加，使位錯密度更高，細長晶粒內部堆積子晶粒。當發生聲學軟化時，通過超聲波誘導的動態恢復促進位錯湮滅，因此隨著位錯密度的降低和晶粒中亞晶粒的減少，實際流動應力顯著降低。Yang 等[46]研究指出，高溫下獲得的熱能較高，局部存儲能較大，有利于晶界的遷移和位錯運動，提高了晶界的流動性，使動態再結晶更容易發生，如圖8 所示。

圖7 有無超聲輔助下的晶粒取向圖、KAM 圖和IQ 圖[45]Fig.7 Grain orientation map, KAM map and IQ map with and without ultrasonic assistance[45]

2.3 增材制造過程中超聲能場“液–固”雙重作用效果理論

超聲外能場輔助技術作為一種同步處理技術，在鑄造、焊接等領域應用廣泛，在液態金屬中引入超聲振動對材料凝固和結晶過程中組織和性能的影響已得到深入研究。在材料凝固過程中，超聲振動產生的超聲空化、枝晶破碎和聲流作用可以增加材料的形核，減少成分偏析，從而獲得細小的等軸晶。超聲外能場輔助增材制造的作用效果不僅限于熔池當中的聲流與空化效應，同時對于固體沉積層也具有充分的超聲動態再結晶效果。

基于超聲在熔池中與沉積層的作用效果，Yuan 等[35]總結并且提出了超聲外能場輔助增材制造的“液–固”雙重作用，并基于此機理開發出新型超聲能場輔助成形制造技術[47]。由于超聲沖擊頭直接和變幅桿剛性連接，沖擊頭的頻率和超聲波頻率相同，使得超聲波的沖擊作用深度大幅增加，同時超聲能場和壓力場的耦合作用加大了沉積層的變形，促進動態再結晶發生。關于超聲誘導的沉積層動態再結晶發生的臨界條件是否與傳統的再結晶理論相符，還有待深入研究。這種基于“液–固”雙重作用所設計的超聲輔助技術，一方面將超聲波引入熔池，有效改善了材料內部的組織，超聲振動通過已凝固沉積層傳導至熔池內部，對熔池凝固過程的干擾使得熔池內部產生充分的超聲空化作用，熔池內部的微小氣泡將經歷膨脹、壓縮、振蕩，最后高速坍縮；另一方面，超聲振動加劇熔池內部的流動，均勻了溫度場，降低了凝固過程的溫度梯度，使得熔池內部的凝固條件從柱狀晶區向等軸晶區轉變；二者的共同作用細化了晶粒。同時，超聲振動會促使已凝固沉積層的層間區域再結晶，從而阻斷柱狀晶的外延生長；超聲振動會加劇已凝固沉積層頂部的塑性變形，在沉積層內引入大量的小角度晶界和亞晶，在后續沉積過程中頂部的塑性變形區發生重熔消失，但次表面存在的小角晶界和亞晶會在后續的沉積過程中發生再結晶現象，從而細化層間區域的晶粒。

3 超聲輔助增材制造組織性能調控研究

金屬構件增材制造過程是復雜的物理冶金過程，在極短時間內材料經歷了熔化、冷卻和凝固過程，導致構件的組織特征在高的溫度梯度和凝固速率下多為粗大的柱狀晶或樹枝晶，還存在較高的殘余應力和孔洞等缺陷。增材制造技術表現出控形易、控性難的特點，當前對增材構件的組織和性能調控是增材制造研究熱點，尤其是構件微觀組織和機械性能的在線控制。在增材制造過程中，零件內累積的殘余應力會導致疲勞性能下降從而發生變形。由于疲勞裂紋通常始于應力集中，如孔隙和夾雜物，因此這些缺陷對工件的疲勞壽命有重要影響。采用超聲能場輔助增材制造不僅能夠細化晶粒，同時能夠緩解甚至消除構件內部缺陷，改變或消除構件殘余應力狀態，增強構件的可靠性與安全性。

3.1 超聲能場對沉積層顯微組織的影響

Fan 等[48]的研究表明，經過超聲沖擊后，35#碳鋼板的表層晶粒得到細化，并且獲得了納米結構表面層，通過XRD 圖譜可知，使用UIT處理35#碳鋼之后，衍射峰寬化，驗證了晶粒得到細化，同時細晶樣品衍射峰相對于粗晶樣品略有偏移，這是由于晶格的變形，通過布拉格方程對滿足條件的變化分析，X 射線的衍射峰會發生偏移[49–50]。晶粒的大小與沖擊時間同樣存在聯系[51]，隨著沖擊時間從15 min、30 min 增加到60 min，平均晶粒尺寸從（23.1±4） nm、（19.3±2） nm 減小到（16.2±4） nm，分析認為沖擊時間增加，表面獲得更多能量，變形程度增加，晶粒進一步細化。

在超聲能場輔助增材制造中，原始粗晶中生成許多位錯，位錯不斷重復增殖、滑移、重排、湮滅這個過程，最終纏結成“位錯胞”，位錯胞通過繼續吸收位錯轉變為小角度晶界，原始粗晶被位錯胞分割，隨著沖擊進行，位錯繼續重復上述過程，大量位錯堆積在小角度晶界，加上相鄰晶粒間的滑動或轉動現象，小角度晶界轉變為大角度晶界，原始粗晶被劃分成多個細小的亞晶。繼續沖擊對材料施加變形，在亞晶內會出現許多新的位錯，形成新的位錯網絡，使材料的晶粒進一步細化，最終可以細化到納米晶尺寸[33]。

Yuan 等[35]在激光熔絲增材制造（LWAM）中采用剛性連接式的新型沖擊裝置，提出了超聲外能場輔助增材制造“四區域”理論，如圖9 所示，超聲振動作用起始點為B，而AB點之間區域R是參考區域，該區域僅為激光增材制造過程；當超聲作用于B點時，增材制造過程已至C點，因此BC間S區是超聲波振動僅作用于沉積層（固體）的區域；對于CD之間區域L+S包括超聲波振動對熔池（液體）和沉積區域（固體）的影響；當超聲裝置行至D點時，增材制造過程已完成，超聲裝置結束工作，因此對DE之間L區僅存在超聲裝置作用于CD階段通過沉積層傳播至熔池中的振動作用。該研究表明，在未施加超聲能場時，Ti-6Al-4V 合金的顯微組織中出現了平行于試樣構建方向的從基板處到沉積件頂部的粗大柱狀β 晶粒，如圖10 所示[35]，這是由增材制造過程中的熱量積累造成的，是普通增材過程中難以避免的問題。在循環沉積時，第一層沉積層由于沉積在基板上，熱量能夠從基板和空氣中通過傳導、對流和輻射散失，從而形成非常細小的等軸晶，繼續沉積時，隨著沉積層數的增高，熔池的熱量主要從熔池上方的空氣中散失，由于溫度梯度較大，因此容易形成柱狀晶，每次沉積新一層時，沉積件表面被重新加熱，溫度升高到β轉變溫度以上，轉變結構中保留的β以相同的方向重新生長，柱狀晶在沉積層中延伸。一旦發生上述重構，β晶粒變粗，并在新層凝固期間作為外延柱狀生長的基底。因此，在沒有經過后處理的增材制造Ti-6Al-4V 零件中，隨著每個新層的添加，在固態和凝固過程中柱狀β 晶粒逐漸生長粗化，由于<001>結晶方向平行于凝固前沿的最大熱梯度方向，該取向為擇優取向，最終導致在沉積件中形成了強<001>織構[52]。經過超聲能場處理后，試樣顯微組織中的晶粒得到細化，原有的從沉積件底部到頂部的粗大柱狀晶破碎，形成平均晶粒尺寸約為（152±93） μm 的細晶，原來強烈的織構在超聲能場的作用下也被消除，取向趨于隨機。通過圖11 和12[35]可以明顯發現熔池中出現空化與聲流現象，微氣泡芯經歷膨脹、壓縮、振蕩的過程，最后高速坍塌。而在空化氣泡破裂的過程中，會在非常小的體積內產生較大的溫度梯度和壓力梯度。一方面，較大的局部溫度梯度會導致凝固過程中過冷的增加；另一方面，瞬時高強度沖擊波和強對流會在熔池中引起射流，從而加速熔體的流動，并使熔池中溶質發生完全對流。以上兩個因素的結合將提高熔池中的形核速率，從而細化晶粒。此外，空化還可以誘發枝晶碎裂。因此在所設計試驗中不僅有超聲振蕩促進位錯運動進而引發組織內部動態再結晶，同時還發現采用剛性連接超聲裝置可以有效將超聲傳遞至熔池當中，并且實現空化與聲流。與此同時還發現熔池“液–固”界面處的溫度梯度G和凝固速度R是影響熔池內部等軸晶形成的重要因素。施加超聲振動后的熔池開始時先生成柱狀晶，但是隨著超聲作用時間延長，熔池頂部更大范圍內的凝固條件都落入到等軸晶區域。這也證明超聲振動在熔池凝固過程中所產生的聲流效應能夠有效降低熔池內部的溫度梯度，均勻化熔池內部溫度場，從而進一步促進熔池內部柱狀晶向等軸晶的轉變，擴大凝固過程中熔池頂部的等軸晶區域。Wang 等[53]對于超聲外能場輔助增材制造中的動態再結晶過程做出了更為詳盡的解釋，如圖13 所示，超聲外能場所引入的位錯為重結晶提供了更高的存儲能量，因此重結晶速率更快；通過超聲外能場產生的應變和后續沉積的熱作用共同作用對位錯進行重排，在此過程中可能發生位錯的湮滅，在熱作用下，位錯傾向于聚集到晶界；此外，晶粒中的位錯也可以聚集并形成位錯壁，位錯壁可以防止位錯向晶界移動；隨著位錯的進一步聚集，這些位錯壁逐漸形成小角度晶界（LAGB），相鄰亞晶之間的取向差增大。在后續沉積過程的熱效應下，LAGB 容易遷移并逐漸轉變為大角度晶界（HAGB），并形成新的晶粒。

圖9 LWAM 過程輔助超聲波振動原理圖[35]Fig.9 Schematic diagram of LWAM process assisted ultrasonic vibration[35]

圖10 利用超聲波振動輔助LWAM 制造的Ti–6Al–4V 合金的微觀形貌和微觀結構[35]Fig.10 Micromorphology and microstructures of Ti–6Al–4V alloy fabricated by LWAM assisted with ultrasonic vibration[35]

圖11 超聲在沉積層上的傳播和分布規律[35]Fig.11 Propagation and distribution of ultrasonic waves in sedimentary layer[35]

圖12 熔池內部聲壓的分布情況[35]Fig.12 Distribution of sound pressure in molten pool[35]

圖13 超聲對于沉積層中位錯密度的影響[53]Fig.13 Effect of ultrasonic on dislocation density in sedimentary layers[53]

Yuan 等[54]還嘗試將超聲能場引入LWAM 過程，認為超聲沖擊可以細化ER321 不銹鋼的顯微組織，如圖14 所示（不同層間的界面用黑色虛線標記）；未施加超聲沖擊時，在兩個連續沉積層的微觀組織中顯示出典型的柱狀晶組織（圖14（a）），并且沿著試樣沉積方向外延生長，同時每層頂部存在少量細等軸晶組織，這可能是因為在LWAM 的條件下，沉積下一層時，快速加熱導致熔池下方熱處理區的晶粒發生再結晶，因此形成了一小部分細等軸晶組織[12]；相比而言，超聲沖擊的沉積層的顯微組織更加均勻，等軸晶組織幾乎完全取代柱狀晶組織（圖14（b））。

圖14 LWAM 的ER321 不銹鋼多道多層樣品的微觀結構[54]Fig.14 Microstructure of multi-pass multilayer sample of ER321 stainless steel by LWAM[54]

Zhou 等[55–56]以空氣為介質將超聲傳至熔池當中，將其應用于24CrNiMoY 合金鋼，研究了合金鋼的組織演變、性能及其動態再結晶機制。試驗裝置示意圖見圖15 上部[55–56]，和常見的超聲沖擊裝備相比，該裝置中的超聲發生器不接觸熔池或者沉積零件，因此超聲沖擊頭不會對沉積件表面形成機械壓力，僅通過產生的超聲作用于熔池，利用超聲波對沉積過程中熔池內的液態金屬在凝固過程中產生的聲空化、聲流和共振效應，以達到細化晶粒、減少孔隙缺陷、改善材料機械性能的作用。研究表明，通過施加超聲，材料的孔隙率顯著降低，而且超聲發生器與基板的角度對沉積結果也有一定影響，當超聲波作用的角度為60°時，板條狀貝氏體的平均條帶寬度減少60%（從34.9 μm至14 μm），晶粒尺寸減小46%（從0.87 μm 至0.47 μm），材料的組織和晶粒都得到了細化，并且后續試驗證明相較于未施加超聲的樣品，以60°施加超聲的材料力學性能大幅提高。圖15 下部顯示了在直接激光沉積和非接觸超聲輔助復合工藝作用時，合金鋼熔池中的半固化態處的結晶過程；未經超聲波處理的合金鋼在半固態下的動態再結晶行為主要由直接激光沉積期間的熱循環和熱應變激發，動態再結晶所需的應變能由位錯儲存能提供。施加360 W 的非接觸超聲波處理時，由于超聲波能量的作用，半凝固區的晶粒內開始出現高密度的位錯，為動態再結晶提供更多的能量，刺激了動態再結晶行為，并使動態再結晶持續發生。最終，在超聲作用下，再結晶分數從9.7%增加到21.8%。如圖16 所示，當超聲波功率超過360 W，晶粒內的位錯密度顯著增加，在加熱和超聲波的塑性變形作用下，少數晶粒開始快速異常生長，并在生長的過程中吞并相鄰的細的再結晶晶粒，使樣品的再結晶分數降低到11.8%，但仍高于未加超聲處理的數值。

圖15 非接觸式超聲輔助直接激光沉積復合工藝作用時熔池中半固化態位置處再結晶程度示意圖[55–56]Fig.15 Schematic representation of the degree of recrystallization at position of semi-solidified state in molten pool during action of non-contact ultrasonic assisted direct laser deposition composite process[55–56]

3.2 超聲能場對構件缺陷的作用效果

構件缺陷是制約增材制造發展最大的問題，其中包括較高的孔隙率和高熱輸入量導致的微裂紋等。例如，鋁合金自身易吸附氫元素，所以孔隙率更高，需要加以控制。利用超聲波振動和空化效應進行金屬熔體脫氣是解決增材制造孔隙率高的有效手段，在加入超聲之后孔隙明顯減少，并且隨著超聲振幅增大，孔隙率逐漸降低。Xu[57–59]等深入研究了熔體的超聲波脫氣，發現超聲振動可以在幾min 內獲得穩定的氫濃度，與熔體初始氫濃度無關；熔體體積越小，熔體溫度越高，脫氣效果越好；超聲脫氣機理總結為超聲空化效應，超聲振動可以有效地降低鋁合金孔隙率。Li 等[51，60]研究了超聲的功率和作用時間對鑄錠氣孔率和晶粒細化的影響，結果表明，在超聲功率高于空化閾值時脫氣效果明顯，超聲攪拌作用有利于熔體溫度均勻化，隨著作用時間的增加，晶粒先細化后粗化。

為了解決增材制造零件孔隙率高和組織不均勻的問題，Zhu 等[61]研究了超聲輔助電弧焊接技術，探討了超聲對MGH956 合金焊接接頭孔隙和性能的影響，結果表明，引入超聲后接頭孔隙急劇減少，抗拉強度顯著提高；隨著超聲頻率的降低，氣泡尺寸增加，更利于氣泡上浮。Xu 等[62]發現增材制造過程中前一沉積層表面形貌對于孔隙率具有較大影響，并認為表面黏附的金屬球包含未熔化的粉末，外熔池的液滴飛濺所導致的不平整沉積層是孔隙形成的主要原因；在新層沉積過程中，粗糙的表面會導致氣體滯留，金屬球間隙處的過熱氣體迅速膨脹使孔隙形成，而高頻超聲沖擊使沉積層更加平整，可去除黏附的金屬球，有助于消除孔隙成形點。Chen 等[63]使用超聲輔助TIG焊接技術進行了2195 鋁鋰合金薄板的焊接，研究了焊接速度和超聲功率對孔隙率和氣孔尺寸的影響，如圖17 所示，結果表明，隨著焊接速度降低，孔隙率降低，氣孔尺寸增大；隨著超聲功率的增大，孔隙率和孔徑先減小后增大；瞬態空化較弱時，微氣泡容易逸散，孔隙率降低，而瞬態空化強度進一步增大，會導致孔隙率和孔徑增大。Todaro 等[64]研究發現，在采用振幅30 μm+超聲頻率20 kHz 的超聲沖擊輔助下，獲得近乎完全致密（孔隙率接近0.01%）的增材制造構件，如圖18 所示。

圖17 不同超聲波功率下縱向截面的孔隙分布[63]Fig.17 Pore distribution in the longitudinal section at different ultrasonic powers[63]

圖18 增材制造的316L 不銹鋼在有無超聲輔助下的缺陷對比[64]Fig.18 Comparison of defects in additively manufactured 316L stainless steel with and without ultrasonic assistance[64]

桶形拋光[65]、噴丸[66]、超聲噴丸[67]、超聲沖擊[68]等都會對增材制造構件的性能產生正面影響。Lesyk等[69]比較了上述4 種后處理技術對選區激光熔化Inconel 718 合金零件表面形貌、孔隙率、顯微硬度和殘余應力的影響（表1），可以看出經過超聲沖擊處理后的試樣的綜合性能更為優秀。

表1 4 種后處理對SLM Inconel 718 合金的影響[69]Table 1 Impact of four post-processing technologies on SLM Inconel 718[69]

3.3 超聲能場對構件殘余應力的作用效果

超聲在沉積層中的振蕩效應與熔池中的聲流攪拌效果，可以有效改變金屬應力場。在超聲的高頻作用下，殘余應力可轉變為有益且較大的殘余壓應力。通過粉末冶金制造的Ti-6Al-4V 合金表面的殘余應力為-35 MPa（負號代表殘余應力為壓應力），經UIT 后，殘余應力增加到-570 MPa[70]。激光沖擊噴丸、水射流空化噴丸（WjCP）、水射流噴丸（WjSP）和多針超聲沖擊處理AISI 304 不銹鋼后，可分別獲得–470 MPa、-377 MPa、-519 MPa、–693 MPa 的殘余壓應力[71]。這些處理都能產生殘余壓應力，有利于增強材料防腐性、耐磨性和延長疲勞壽命，其中UIT 能夠產生最大的殘余壓應力。焊接接頭常因不均勻受熱使各個區域的顯微組織存在較大差異，形成熱應力和組織應力，導致焊接接頭力學性能較差。采用UIT 后，在細化組織的同時，還能夠將焊接接頭的殘余拉應力轉變為殘余壓應力，有效提高焊接接頭的力學性能[72]。Zhou 等[73]采用有限元與試驗結合的方式對超聲能場如何改變殘余應力形式進行了預測，結果如圖19 所示，構件塑性變形區存在一定程度的殘余壓應力，其中在2.2 mm 的塑性變形區內，σx和σz均超過-150 MPa，這也證實了超聲引發的塑性變形可以將應力狀態從拉應力變為壓應力，從而提高材料的疲勞強度。Xing 等[74]研究了UIT對SLM 制造的鋁合金試樣殘余應力的影響，測量了試樣各不同頂面沿厚度方向的殘余應力變化，發現殘余拉應力轉化為壓應力，最大轉換差為170 MPa；然而隨著深度的增加，作用效果降低，有效深度為1.5～2 mm；從殘余應力變化的角度來看，UIT 對提高SLM 制造的試樣的抗應力腐蝕性具有積極作用。

圖19 沉積層在σx、σy、σz 3 個方向上的殘余應力[73]Fig.19 Residual stress of the sedimentary sample in three directions: σx, σy, σz[73]

4 超聲能場對增材制造構件機械性能的影響

超聲能場作用于材料的增材制造過程，通過對材料的內部組織進行調控，從而可以大幅提升構件的機械性能。

4.1 力學性能

增材制造過程的特殊性使增材制造構件的組織不均勻，在頂部、沉積層與底部呈現不同形貌，力學性能也因此受到不同程度的影響。研究表明，超聲沖擊作用不僅能夠改善沉積層內部的組織結構與應力狀態，同時還可顯著提高沉積層的機械性能[75–76]。Wang 等[77]研究了超聲能場對激光沉積Inconel 718 合金機械性能的影響，發現超聲處理使沉積層的屈服強度和抗拉強度分別提高了34%和12%，而塑性始終保持在17%左右。Wang 等[78]對超聲沖擊強化的316L 不銹鋼的組織和機械性能研究發現，超聲沖擊處理后試樣的屈服強度提高65.4%。Diao 等[79]對電弧增材制造（WAAM）的ER321 不銹鋼試件的力學性能進行了測試（圖20），經UIT，試件的屈服強度（YS）顯著提高至425.5 MPa，同時總伸長率（TE）略有增加；應力–應變曲線和應變硬化曲線如圖20（b）所示，兩條曲線的交點是縮頸點，有無超聲輔助下的試樣的伸長率（UE）分別為50%和48%。Wang 等[53]對超聲沖擊強化的304 不銹鋼的機械性能研究發現，平均屈服強度從368.9 MPa 增加到401.8 MPa，平均極限拉伸強度（UTS）從589.7 MPa 增加到622.9 MPa，平均伸長率從40.7%增加到46.9%；其中拉伸性能的改善歸因于晶粒細化和位錯強化，在引入超聲沖擊處理后，微觀結構為細等軸晶粒，可以有效提高綜合力學性能；此外，梯度晶粒結構還可以有效增強晶粒之間的配位變形，改善材料的塑性性能。Wang 等[80]研究了不同超聲功率對于馬氏體不銹鋼延伸率的影響，發現隨著超聲功率不斷增加，增材制造試樣的極限抗拉強度并沒有發生明顯變化，而延伸率卻從5.5%提升至8%，強度和伸長率的乘積（PSE）提高了52.9%，這意味著超聲處理是提高激光增材制造的1Cr12Ni3MoVN 合金韌性的有效途徑。

圖20 WAAM 制造的ER321 不銹鋼的力學性能比較[79]Fig.20 Comparison of mechanical properties of ER321 stainless steel by WAAM[79]

4.2 顯微硬度與耐磨性

對高強鋼而言，超聲能場的壓應力使局部區域的位錯密度增加，引起組織快速硬化[81]。與此同時，沉積層表面因塑性變形使粗大柱狀晶發生碎化，引起沉積層晶粒細化，并促進其組織均勻化[82–84]。原始AlxCoCrFeMnNi（x=0、0.5、1.0）樣品的顯微硬度分別是165HV0.1（CoCrFeMnNi）、175HV0.1（Al0.5Co CrFeMnNi）、405HV0.1（Al1.0CoCr FeMnNi），經過UIT 后，材料表面硬化，顯微硬度分別是308.5HV0.1、314HV0.1、450.8HV0.1，且前兩者都能形成約400 μm 的硬化層，而當x=1.0時，僅形成約40 μm 的硬化層，可見材料成分對超聲沖擊處理后的硬度值和硬化層厚度有較大影響。相比于常溫條件，在低溫條件下UIT 所獲得的顯微硬度值更高。在液氮處理的低溫UIT 條件下，一方面UIT能夠細化晶粒，產生晶界強化，另外一方面低溫下更容易發生孿晶孿生和γ→ε 和γ→α′馬氏體相變，發生相變強化。材料的硬度依賴于微觀結構，而應變溫度決定微觀結構。沖擊頭對金屬表面的沖擊載荷越大，硬化層厚度越大，顯微硬度值也就更大。超聲沖擊誘導的納米組織也有利于沉積層硬度的提高。Li 等[75]對超聲沖擊輔助增材制造的GH3090 高溫合金構件進行了性能測試與分析，如圖21 所示，由測試結果發現顯微硬度在熔覆層的頂部呈現與其深度相關的梯度規律，而在核心和底部呈均勻分布，這是由于熔覆層表面布滿細小的等軸晶，隨著深度增加晶粒逐漸長大，在中部與底部以粗大的柱狀晶為主；超聲處理后的顯微硬度隨著超聲功率的增大而增加；超聲沖擊導致沉積層頂部表面產生微小的塑性變形，從而產生殘余壓應力，提高了顯微硬度；與未處理構件相比，超聲功率為150 W、300 W和450 W時，顯微硬度分別提高了7%、20%和46%。Ye 等[85]認為超聲沖擊是一種提高合金顯微硬度和硬化層深度的可行方法，但也有研究表明超聲沖擊產生的塑性變形對微觀組織細化的作用有限[7，15]。Yuan 等[35]以試驗與模擬結合的方法研究了超聲微鍛造對鈦合金的作用效果，發現超聲能場對熔池的干擾作用是合金組織細化的主要原因，超聲能量有效阻斷了枝晶的外延生長趨勢，細化了鈦合金的微觀組織，并產生了等軸晶，因此顯著提高了鈦合金構件的顯微硬度。超聲外能場輔助增材制造還可以增強材料的耐磨性能，Li 等[86]在低碳鋼基體上通過氬弧堆焊沉積耐磨鐵基合金涂層，利用超聲沖擊誘導涂層納米化；對有無經過超聲處理的涂層進行比較，經超聲處理后涂層橫截面呈現出明顯的梯度微觀結構，而且涂層顯現出更高的硬度彈性模量比、更低的摩擦系數和磨損損失；納米晶結構的引入，使磨損機理也從沉積態涂層的黏著磨損轉變為UIT 處理涂層的研磨型磨損。

圖21 超聲沖擊輔助增材制造GH3090 高溫合金構件的微觀組織與顯微硬度[75]Fig.21 Microstructure and microhardness of GH3090 high-temperature alloy components by UIT assisted additive manufacturing[75]

5 結論與展望

超聲外能場輔助技術在細化增材制造構件組織和晶粒、改變應力狀態的同時，可大幅消除缺陷、提升綜合力學性能，廣泛適用于金屬增材制造的在線組織性能調控。然而隨著研究的逐漸深入，以下6 點問題亟待解決。

（1）超聲沖擊裝置功率較低是當前主要問題，單個超聲沖擊裝置功率受到了換能器材料種類的限制，難以獲得大的超聲功率，并且設備的輸出功率不穩定。所以，采用新的換能器材料提升超聲沖擊裝置的功率是需要解決的首要問題。

（2）雖然目前適用于大多數沉積式增材制造方式，但受SLM 與SEBM 特殊的鋪粉方式和成形艙的限制，超聲外能場輔助會導致粉床上的粉末振動、形狀損壞、精度不高、粉末積聚和損失等問題，迄今還無法應用到選區熔化成形制造中，這也是一個需要解決的重要技術問題。

（3）目前超聲外能場輔助增材制造技術研究涉及的金屬類型較少，只對不銹鋼、鈦合金、鋁合金和高熵合金等有初步探索，缺少系統化研究，因此需要建立超聲外能場輔助下的多金屬體系化研究，揭示不同金屬種類、不同增材制造類型與超聲外能場技術之間的耦合關系。

（4）目前對于超聲外能場對熔池凝固過程中形核、結晶等行為的研究較多，并形成了經典的“聲流”和“空化”理論，但是對超聲外能場輔助增材制造沉積層引發的動態回復與再結晶現象未引起足夠重視。

（5）超聲外能場輔助增材制造過程是一個復雜的多物理場耦合作用過程，影響和控制著超聲能場作用下宏觀尺度熔池傳熱–流動行為及微觀尺度枝晶形核– 生長行為。采用數值分析方法模擬如此復雜的過程，面臨著宏微觀模型關系復雜、宏微觀特征時間和空間尺度差異大和大量數據同步求解困難等問題。

（6）在應用方面，應研發大尺寸金屬復雜構件組織增材制造在線調控技術，并在各種增材制造工藝中推廣；開發超聲能場輔助增材制造技術與裝備，不僅能解決增材制造構件的缺陷問題，還可極大程度減少零件生產的損耗、提高零件質量、加快生產效率，促進金屬增材制造技術的發展和應用推廣。