超声波振动诱导的孔隙率控制机制及其在激光定向能量沉积过程中对材料机械性能的改善作用

《Advanced Engineering Materials》：Mechanisms of Ultrasonic Vibration Induced Porosity Control and Mechanical Properties Improvement in Laser Directed Energy Deposition

超声振动通过改变熔池动力学有效减少激光增材制造中的孔隙率。实验利用含空心颗粒的粉末材料，结合多物理场建模揭示：超声波产生的惯性力主导熔流，与马氏顿力竞争。气泡行为与尺寸相关：小于20μm的气泡因空化效应塌陷；20-50μm气泡获得上浮速度并逃逸熔池边缘；大于100μm的气泡受剪切力作用滞留在底部。超声处理显著提升材料性能：屈服强度从905MPa增至984MPa，抗拉强度从1283MPa增至1310MPa，延展性提高31%。该方法较传统重熔工艺同时提升强度和塑性，为增强增材制造部件可靠性提供新途径。

　　

摘要

超声波振动通过改变熔池动力学，有效降低了激光定向能量沉积过程中的孔隙率。为了研究气泡演变与超声波振动（UV）诱导的熔体流动之间的相互作用，实验使用了含有空心颗粒的1Cr12Ni3MoVN粉末，从而能够进行统计孔隙分析。多物理场建模表明，由紫外线产生的惯性力主导了熔体流动，并与马兰戈尼力（Marangoni forces）相互竞争。这种相互作用加速了熔体的循环流动，产生了足以引发空化的局部压力。气泡的行为很大程度上取决于其大小：小气泡（小于20微米）会因空化作用而破裂；中等大小的气泡（20–50微米）会获得向上的速度并从熔池边缘逸出；大气泡（100微米）则被困在熔池底部，并受到剪切力的作用而发生变形。重要的是，紫外线处理显著提升了材料的机械性能：屈服强度从905 MPa提高到984 MPa，抗拉强度从1283 MPa提高到1310 MPa，伸长率提高了31%。与传统重熔工艺（虽然能提高伸长率但会降低强度）不同，紫外线处理方法同时提升了材料的强度和延展性。这种方法为提高增材制造部件的可靠性提供了有前景的途径。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。