澳大利亚RMIT大学和昆士兰大学的研究人员已经证明高能超声波可以对3D打印合金内部微观组织产生重大影响。在3D打印过程中，利用声音振动使合金晶粒更加细小致密，从而得到强度更高的合金。这一突破性的进展可能会引发高能超声在3D打印中的广泛应用。
这项研究发表于nature杂志 [Todaro et al. Nat. Commun. (2019) DOI: 10.1038/s41467-019-13874-z]，主要研究了控制3D打印件晶粒结构，获得高强结构件的方法。采用超声振动的方法对以下两种合金3D打印进行测试，一种是用于飞机制造和生物植入物的钛合金，另一种则是用于海洋及石油工业的镍基合金。这种附加超声振动的3D打印有望推广应用于工业合金以获得高性能结构件。
如下图1所示，在LMD成形过程中，频率为20KHZ的高能超声作用于熔池，使液相中产生声空穴和液流扰动，促使合金晶粒细化。
图1、高能超声作用于LMD成型
传统3D打印合金微观组织通常表现为大而细长的晶粒结构，该结构会导致合金力学性能下降以及打印中裂纹的出现，因此并不适用于工程应用。本研究中合金微观组织与传统3D打印结构明显不同，合金晶粒呈现细小的等轴晶，且沿各方向均匀一致。相比于传统3D打印零件，附加超声振动的打印件抗拉强度与屈服应力提升12%。
图2、高能超声处理增材制造Ti6Al4V拉伸性能
通过在3D打印过程中打开和关闭超声器，可以制造具有不同微观结构及成分的特殊3D打印件。在打印过程中，快速的温度变化使合金晶粒沿成型方向生长为巨大的柱状晶。通过在打印中采用超声波处理可以使零件整体获得细小而均匀的晶粒，解决上述问题。该文共同作者马倩告诉今日材料：“这项研究证明了一种可以使金属3D打印合金呈现细小而均匀晶粒的新方法。”
这种方法不需要改变合金化学成分或者在打印中引入新的增强颗粒，适用于商业应用，包括铝合金、不锈钢、钴基合金的打印。该团队希望将这种方法商业化，并建立更广泛的超声波-3D打印体系。
图3、3D打印钛合金微观组织
(a)传统3D打印-大而细长的晶粒 (b)附加超声发生器3D打印-细小均匀的晶粒
本文章内容来源于《Materials today》 2020年1月23日
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