韩国科学技术院研究人员采用非接触式脉冲激光辅助增材制造技术制备出近乎等轴的Ti-6Al-4V合金，显著降低合金各向异性，相关研究成果发表于Nature旗下《Scientific Reports》期刊。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-022-26758-y

金属增材制造(AM)是一种被广泛使用的逐层累加的制造技术，用于快速制造复杂三维结构金属零件。然而，增材制造零件的粗柱状晶结构导致微观结构具有明显择优取向，各向异性的拉伸和疲劳性能阻碍了增材制造在制造业中的广泛应用。在典型的增材制造工艺中，小熔池内会急剧形成热梯度，导致柱状晶粒沿打印方向外延生长。在各种金属AM材料中，Ti-6Al-4V因其在生物医学和航空航天工业中的应用而成为研究最多的材料。然而，由于典型的Ti-6Al-4V增材制造部件具有粗大的柱状晶，因此它们表现出各向异性的拉伸性能。将柱状晶组织改变为等轴晶可以有效消除材料的各向异性，从而表现出均一力学性能。

超声辅助AM通过向熔池提供高超声能量，可以有效解决上述问题。但是，必须将超声波换能器连接到底板底部，以有效地传递足够的能量来搅动熔池。应用这种接触式技术，必须解决实施问题，因为很难确保熔池在三维空间内的稳定振动。最近，研究人员通过强度调制激光照射在熔池内部传递局部超声能量，进行原位晶粒细化。该技术在不锈钢板上得到验证，表明强度调制激光可以同时进行表面熔化和超声波的生成。

在这项研究中，作者团队受接触式超声技术和脉冲激光对熔体影响的启发，提出一种脉冲激光辅助增材制造(PLAAM)技术，将非接触式的脉冲激光器集成到金属粉末激光定向能量沉积（DED）系统中，所提出的技术利用激光引起的冲击波和熔池内的马兰戈尼对流来为精细的等轴原始-β晶粒结构的形成创造有利环境。脉冲激光和DED激光的工作距离分别为43mm和9mm。使用粒径为45~150μm的Ti-6Al-4V工业级粉末，分别采用常规AM和PLAAM工艺制备了120层30×30×1.3mm(高×宽×厚)的零件。

脉冲激光辅助增材制造(PLAAM)：(a) PLAAM 系统的离轴配置；(b) 脉冲激光在熔池内诱发冲击波、空化和加速马兰戈尼流，为晶粒细化提供有利环境。

原始-β晶微观组织结构变化：沿打印方向的传统增材制造(a)和PLAAM(b)样品光学微观组织结构，z和x分别是打印方向和横向方向，在(a)和(b)中观察到的原始β晶的长度(c)和纵横比(d)的直方图，重叠的直方图以较深的颜色显示

常规AM(a, b)和PLAAM (c, d)样品的EBSD分析，z和(x,y)分别是打印方向和横向平面

最后，研究结果表明使用混合AM技术(PLAAM)可以对Ti-6Al-4V零件进行原位晶粒细化。该技术利用高功率密度脉冲激光为等轴原始β晶粒的生长创造良好的环境。由于该技术是非接触式的，它可以应用于任何现有的AM设备。微观结构表明，与具有较大柱状原始β晶的常规AM样品相比，PLAAM样品具有更小且更加等轴的β晶粒。使用PLAAM技术时，β相的极密度最大值从16降低到7.7，表明使用PLAAM可以将AM的Ti-6Al-4V织构减弱。等轴原始-β晶具有各向同性和高拉伸性能，该技术有望被广泛研究用于生产高质量的金属AM零件。