众所周知，激光粉末床熔融 (LPBF)制备的高温合金具有固有的局限性，包括孔隙、严重的粗柱状晶等。在这些缺陷中，孔隙很容易引起裂纹，严重影响材料的力学性能。据报道，许多镍基高温合金在 LPBF 成形过程中容易出现孔隙。前期工作中发现LPBF成形Haynes 230合金零件的主要缺陷为未熔合和气孔，零件内部存在孔隙导致拉伸性能和磨损性能较差。此外，LPBF成形高温合金中粗柱状晶的大量存在，导致材料具有明显的各向异性，增强了材料的裂纹敏感性，从而降低了材料的力学性能。
表面处理技术是降低AM零件孔隙率、细化晶粒的有效方法，包括激光冲击强化（LSP）、超声波喷丸、喷丸、超声波冲击处理（UIT）和表面滚压技术。表面处理可以有效降低孔隙率，阻碍裂纹扩展，从而提高材料的力学性能。在前期工作中提出了原位LSP技术来改善增材制造AlSi10Mg合金的表面质量和力学性能，此外，LSP处理解决了强度和延展性的平衡问题。表面处理还可以有效细化晶粒，提高材料强度。
UIT技术具有较大的背应力、良好的工艺可控性和较低的设备成本，是降低LPBF高温合金孔隙率和细化晶粒的最佳方法之一。此外，有限元分析 (FEA) 为分析塑性变形过程提供了一种经济有效的方法，有助于预测冲击后的应力场和孔隙演变。然而，大量研究报道UIT对UIT中孔隙闭合的研究主要依赖于实验表征方法，缺乏对冲击过程中孔隙演变的系统分析。
武汉大学李辉教授团队研究了UIT时间对LPBF成形Haynes 230合金孔隙缺陷、组织、拉伸和磨损性能的影响。通过FEA模拟分析了孔隙演变和塑性变形的演变过程，分析了UIT的孔隙闭合机制。同时，利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和EBSD对亚晶结构、晶粒尺寸、织构和位错进行了表征，分析了冲击下的组织和位错形成情况。此外，进一步探讨了UIT促进LPBF成形Haynes 230合金致密化和强化的机制。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.07.036
主要附图
图 1. 粉末特性和LPBF+UIT 过程。(a) Haynes 230 粉末的SEM 形貌、粒度分布和元素分布（Ni、Cr）；(b) LPBF 工艺和扫描策略示意图；(c) UIT 工艺和策略示意图；(d) 拉伸样品和表征采样位置。
图 2. 有无UIT时 LPBF成形Haynes 230 合金在 XOZ 平面中的孔隙分布和孔隙率。（a）LPBF、（b）LPBF+UIT1、（c）LPBF+UIT2 和（d）LPBF+UIT3、（e）孔隙率和（f）最大孔隙长度。
图 3.超声波冲击对应力演变的影响。(a) 单次冲击下残余应力随时间的变化，(b) 残余应力随冲击时间的变化，(c) 剪切应力随冲击时间的变化。
图 4.有无UIT的 LPBF成形Haynes 230 合金表面第二层中间熔池在 XZ 平面的 SEM 形貌，（a）LPBF，（b）LPBF+UIT1，（c）LPBF+UIT2 和（d）LPBF+UIT3样品。
图 5. UIT 之前（a）和之后（b–d）的 XZ 平面中的 EBSD 结果。（a1–d1）IPF 图，（a2–d2）晶界图，（a3–d3）KAM 图和（a4–d4）PF。
图 6. UIT 对晶粒尺寸和长宽比的影响。(a) 平均晶粒尺寸和晶粒数量，(b) 晶粒直径分布，(c) 平均长宽比，(d) 晶粒长宽比分布。
图 7. LPBF 和 UIT 处理的 Haynes 230 合金样品的 XRD 分析。(a) 主相和 (b, c) γ 相 (200) 和 (220) 峰的放大视图。
图 8. TEM 图像。（a、b）LPBF 样品和（c-f）LPBF+UIT2样品。
图 9.有无 UIT 条件下 LPBF成形Haynes 230 合金的磨损性能。(a) 摩擦系数曲线，(b) 平均摩擦系数和磨损量。
图10.滑动磨损后磨损熔池的表面形貌和成分及磨损损伤机制。(a1,a2)LPBF，(b1,b2)LPBF+UIT3，(c,d)磨损损伤机制示意图。
图11. LPBF成形经 UIT 处理的 Haynes 230 合金的拉伸性能和断裂形貌。(a) LPBF 和 LPBF+UIT2 样品的工程应力-应变曲线、(b) 强度和延展性以及(c, d) 断裂形貌。
图12. 超声波冲击时间对孔隙演变和孔隙闭合的影响。(a) 不同深度孔隙的演变，(b) 孔隙高度，(c) 孔隙长度，(d)采用 UIT 分析的孔隙闭合。
图13. LPBF+UIT2 样品拉伸后的 TEM 图像。(a)高密度位错和位错胞，(b) 位错壁和位错环，(c) 碳化物和位错缠结，(d) M23C6 纳米颗粒和基体之间的界面。
主要结论
（1） UIT是一种有效的降低孔隙率的方法，随着超声冲击次数的增加，孔隙数量逐渐减少，形状由圆形变为扁平状，特别是250 μm范围内的小孔隙（< 30 μm）在经过一次以上冲击后基本消失。与LPBF成形试样相比，1次、2次、3次超声冲击层内部孔隙率分别降低了63.64%、71.25%、81.97%，孔隙率降低至0.2%以下。
（2）UIT有效改善了组织，随着超声冲击次数的增加，亚晶粒结构由原来的细长亚晶胞结构转变为等轴亚晶胞结构，并有效减弱织构强度，细化晶粒。
（3）UIT处理后相组成没有发生改变，由γ和M23C6组成，而且UIT促进了高密度位错的形成，改善了相结构分布，碳化物形貌由板条状结构转变为直径小于100nm的粒状结构。
（4）UIT通过细化表面晶粒和增加位错密度显著提高了耐磨性能，与未处理样品相比，平均摩擦系数分别降低了4.9%、8.5%和14.6%。随着UIT次数的增加，磨损体积逐渐减小，从LPBF中的0.23±0.04mm^3减小到LPBF+UIT3中的0.07±0.01mm^3。
（5）UIT显著提高了抗拉强度，两次UIT处理的屈服强度和极限抗拉强度分别提高了34.6%和9.6%。强度的提高主要归因于致密性的提高、位错强化和晶界强化。
作者简介
李辉，武汉大学动力与机械学院教授。2007年博士毕业于新加坡国立大学，2008年进入美国加州大学圣地亚哥分校进行博士后研究。博士毕业后就职于新加坡Hitachi Asia Ltd.研发中心，先后担任研究员、研发中心项目领导及副经理。2013年进入武汉大学任教授、博士生导师，先后入选国家中组部青年人才、“国家高层次人才特殊支持计划”科技创新领军人才。主要从事先进制造（电子制造、金属增材制造）工艺过程、在线监测及产品可靠性等研究。
个人资料来源：https://china.ioppublishing.org/news/huan-ying-wu-han-da-xue-li-hui-jiao-shou-xin-ren/
来自：AMletters
长三角G60激光联盟陈长军转载