揭示金属制造中的熔池动力学

使用超声波手动摇动或振动熔融金属有助于减少成品金属部件中的气泡、裂纹和晶粒尺寸。金属3D打印研究人员推测振动是提高质量的关键，但到目前为止，其机制尚未得到很好的理解。

由宾夕法尼亚州立大学工程学院工程科学和声学副教授克里斯托弗·库贝(ChristopherKube)领导的研究小组利用高能X射线成像技术，拍摄了液态金属冷却时的横截面图像。

他们的研究结果证实了该领域长期存在的假设，即通过局部压力变化，超声波振动会促使气泡数量增加、体积增大、迁移到熔池表面并破裂。

超声波处理或超声波振动也会增加金属冷却的速度，有助于抑制更多气泡的形成。该团队在《通讯材料》上发表了他们的研究成果。

“金属增材制造工艺本身就限制了零件的质量，”Kube说道。“我们的工作旨在通过利用超声波等外力来缓解这些限制，从而更好地控制工艺，生产出质量更高、性能更好的零件。”

为了得出这一发现，阿贡国家实验室先进光子源的合作者利用高能同步加速器X射线对铝合金样品进行成像，该样品同时被激光熔化并被超声波换能器超声处理。

库贝解释说，与医生办公室使用的X射线不同，同步加速器X射线可以穿过金属并以每秒数十万帧的速度成像，从而非常快速地看到材料内部的变化。

结果是一段X射线视频，可直接显示气泡的行为。Kube的实验室随后通过计算流体动力学模拟证实了这一结果。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学博士生、论文第一作者LovejoyMutswatiwa解释说，金属凝固得越快，晶粒尺寸就越小。

“晶粒大小会影响材料的性能，包括耐腐蚀性、强度、韧性、延展性和弯曲性，”Mutswatiwa说道。“晶粒越细，金属越坚固，越能承受压力。”

右图为对铝合金样品进行超声波处理。通过影响局部压力变化，超声波处理使气泡变大、数量增加并在熔池表面破裂，从而提高成品的质量。图片来源：ChrisKube和LovejoyMutswatiwa

穆茨瓦蒂瓦表示，实验装置——单束激光熔化一个微小点——让研究人员能够推断出当激光沿着规定路径的点熔化时会发生什么。

“如果我们从小规模上理解这一过程，就很容易将其应用于整个增材制造过程，”Mutswatiwa说道。“这些结果还可以帮助我们将更多合金整合到增材制造过程中。”

Mutswatiwa解释道，目前，传统制造业中使用的合金超过10,000种，但由于孔隙率和开裂问题，其中只有不到10%可用于增材制造。

“我们正试图增加可打印的合金数量，同时保持传统制造的质量，”他说。“虽然这仍是一项高度实验性的技术，但在金属制造中使用超声波有望帮助避免金属缺陷。”

Kube的团队最近获得了一项为期三年的资助，用于将超声波技术扩展为一种大规模增材制造工艺，即气体金属线弧增材制造。该项目旨在将该技术从基础研究转变为实际应用，以帮助美国海核舰队的制造工作。

“我们在小规模上证明了超声波可以影响增材制造中的熔池，”Kube说道。“我们的下一步是积极利用这种影响来帮助海生产出质量更高、性能更好的零件。”