Appl. Phys. Rev:揭示超声振动辅助增材中熔池的动态流动特性

在金属增材过程中，超声的引入会改变晶粒形核及生长过程从而实现调节微观组织、改善成形零部件力学性能的目的，因此，超声振动辅助增材制造受到越来越多的关注。现阶段，超声-流动-凝固之间复杂的相互作用所导致的熔池动态特性仍未被清晰地揭示，这将直接影响对超声振动辅助金属增材过程中的定量预测，金属组织调控以及力学性能分析。本工作融合高速成像技术与高保真多物理场热流体流动模型揭示了超声振动产生的惯性力对熔池流动特性的影响，并基于此开发了一种最大程度地减少超声引起缺陷的混合成形策略，最终成形件获得了比传统金属增材制造材料更高的强度。

近日，国际著名期刊Applied Physics Reviews上发表了题为“Manipulating molten pool dynamics during metal 3D printing by ultrasound”的研究论文，揭示了超声场辅助下熔池的流动特性以及凝固后熔道表面缺陷的形成机制，并基于此开发了一种既可以消除缺陷，又能改善成形材料力学性能的混合成形策略。

作者首先通过将高速成像技术与高保真多物理场热流体流动模型相结合揭示了超声对增材过程中熔池流动行为的影响。相比于传统增材过程形成的熔池，超声场在熔池中所产生的惯性力成为熔池内部的主要驱动力，其直接导致熔池长度的增加，熔池表面呈凹陷状并伴随着鱼鳞样的波纹。图1所示为传统增材与超声振动辅助增材两种过程中熔池的形貌和流场信息。视频1-2展示超声振动辅助条件下熔池真实动态与模拟动态的实时变化。

图1 传统增材与超声振动增材中熔池流动状态与流动模式

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超声的施加还会引起飞溅形成机理的改变。图2中展示了两种成形过程中飞溅的数量、尺寸以及速度的对比。相比于传统增材，超声条件下飞溅的尺寸与数量都有所增加。然而，飞溅从熔池中逃逸的速度降低。研究发现，超声辅助增材过程产生的飞溅多因超声作用下表面流体流动速度过快而脱离熔池的，因此飞溅尺寸大且速度慢；而传统增材形成的大多数飞溅都与熔池局部温度过高等原因有关，因此飞溅尺寸小但速度快。

图2 传统增材与超声振动增材中飞溅形成机制，尺寸，数量以及速度对比图

为消除凝固过程产生的表面缺陷而开发了一种混合成形策略方法并获得具有粗细交替的分层微观组织结构。在混合成形策略中，由于超声振动产生细晶粒层的存在，混合成形策略所得到零部件的屈服强度（提高了28%）和极限抗拉强度（提高了15%）要高于传统增材获得的零部件。因此，这种方式在未来可以极大地提升成形零部件的力学性能。

图3 传统增材与超声振动增材中的组织变化以及力学性能

本研究工作得到了中国国家自然科学基金，新加坡AME IRG Grant等项目的支持，东北大学机械工程与自动化学院博士生杨志超与王书豪为本论文的第一作者，新加坡国立大学闫文韬教授和东北大学朱立达教授为本论文的通讯作者。

论文链接：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0082461