摘要：定向能量沉积（DED）作为增材制造（AM）领域中的一种高效且经济的技术，广泛应用于金属材料的制造。然而，其高加热和冷却速率以及显著的温度梯度往往导致快速凝固，形成跨层柱状晶粒和内部缺陷，严重影响增材制造部件的机械性能。特别是Ti-6Al-4V合金由于其低成核率

1研究背景

定向能量沉积（DED）作为增材制造（AM）领域中的一种高效且经济的技术，广泛应用于金属材料的制造。然而，其高加热和冷却速率以及显著的温度梯度往往导致快速凝固，形成跨层柱状晶粒和内部缺陷，严重影响增材制造部件的机械性能。特别是Ti-6Al-4V合金由于其低成核率，在DED过程中更容易形成粗大的柱状晶粒，限制了其在航空航天和海洋工程等领域的应用。

为了解决这一问题，研究者们提出了多种方法，包括修改打印策略、实施后处理技术、添加成核剂以及引入外部能量场等。超声波振动（UV）技术因其在焊接和铸造领域的成功应用，近年来被引入增材制造过程中，通过超声空化和声流效应促进细等轴晶的形成，从而显著提高材料的机械性能。尽管如此，现有方法仍存在局限性，如单超声源的固定位置无法动态调整，且难以完全实现柱状晶向等轴晶的转变。因此，开发一种简单、高效且环保的双向超声辅助增材制造技术，成为当前研究的重点。

近日，哈尔滨工程大学同浙江省航空发动机极端制造技术研究重点实验室、西伯利亚国立工业大学在材料科学领域期刊Materials Science and Engineering: A上发表了题为"Microstructure evolution and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy fabricated by directed energy deposition assisted with dual ultrasonic vibration"的研究成果。本文介绍了一种在定向能量沉积过程中同时和同步应用顶部和底部超声波振动的新方法，用于制造Ti-6Al-4V合金薄壁零件。通过这种方法，成功地将粗大的柱状初生β晶粒转变为等轴晶粒，并显著改善了材料的微观结构和力学性能。

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图 1 (a) 双超声辅助 DED 工艺示意图和 (b) 拉伸样品的配置和取向

图 2 Ti-6Al-4V 合金的沉积微观结构，(a, e) 样品 O，(b, f) 样品 T，(c, g) 样品 B，(d, h) 样品 D

图 3(a) 工程应力-应变曲线，(b) 平均屈服强度、抗拉强度和延伸率，(c) 本研究中使用双超声工艺制备的 Ti-6Al-4V 合金 (D 样品) 的性能与文献中报道的 Ti-6Al-4V 合金性能的比较

图 4沿构建方向的 α 相 (a, b, c, d) 和原生 β 相 (e, f, g, h) 的逆极图 和取向图，(a, e) 样品 O，(b, f) 样品 T，(c, g) 样品 B，(d, h) 样品 D

图 5不同超声处理后 Ti-6Al-4V 合金的再结晶和 KAM 图，(a, e) 样品 O，(b, f) 样品 T，(c, g) 样品 B，(d, h) 样品 D

图 6(a) 样品 O，(b) 样品 T，(c) 样品 B 和 (d) 样品 D 的 α 相的 IPF，(e) 样品 O，(f) 样品 T，(g) 样品 B 和 (h) 双超声处理的 α 相的长宽比，(i) 样品 O，(j) 样品 T，(k) 样品 B 和 (l) 样品 D 的 KAM 图，(m) 样品 O，(n) 样品 T，(o) 样品 B 和 (p) 样品 D 的BSE)图像

图 7样品 D 的TEM)图像，(a, b, c) 典型微观形态，(d, e, f) “花瓣状” 微观结构，(g, h) 纳米晶体，(i) SADE图

图 8拉伸断裂形貌，(a) 样品 O，(b) 样品 D，(c) 图 (a) 中黄色圆圈区域的放大视图，(d) 图 (b) 中红色圆圈区域的放大视图

图 9 抛光横截面的微观结构的SEM)图像，(a, c) 表示样品 O，(b, d) 表示样品 D

图 10(a) 二维模型示意图，说明超声对沉积层位移场和熔池内声压分布的影响，(b) 仅底部超声处理时熔池内的声压分布，(c) 双超声处理时熔池内的声压分布，(d) 不同超声加载条件下熔池的凝固条件、温度梯度 (G) 和凝固速率 (R) 的变化

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关键结论

(1) 将超声振动（UV）引入定向能量沉积（DED）过程，能够原位细化Ti-6Al-4V合金的初生β晶粒。这种方法促进了等轴晶粒的形成，抑制了柱状晶粒的外延生长，从而最终提升了材料的力学性能。在经过多次往复沉积的多层样品中观察到的等轴晶体晶粒表明，双超声振动处理比单超声振动处理更为有效。

(2) 在DED过程中引入双超声振动，促使α相的生长模式从平行排列转变为径向排列。这种改变有助于减少晶界连续性，增强晶粒之间的机械互锁，从而改善材料的整体力学性能。

(3) 与未经过超声处理的条件相比，采用双超声技术制造的Ti-6Al-4V合金的抗拉强度（UTS）、屈服强度（YS）和断裂伸长率分别显著提高了26.7%、24.7%和104%。这些结果表明，超声振动的引入有效减少了增材制造过程中Ti-6Al-4V合金粗大柱状晶粒的形成。

(4) 超声振动的引入改变了熔池内的凝固条件，并在Ti-6Al-4V合金的凝固过程中诱导了柱状晶到等轴晶的转变。此外，熔池内超声空化作用的产生促进了晶粒的细化和微结构特性的提升。在本研究中，超声条件的应用促进了熔池内完全等轴晶粒的形成，这与通过微观结构分析观察到的实验结果一致。

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通讯作者

果春焕，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院教授、材料科学与工程专业博士生和硕士生导师，美国加州大学圣地亚哥分校访问学者。主要从事轻质高强金属基复合材料设计与制备、先进材料成形制造、先进材料动态力学行为等方面的研究。目前，作为项目负责人承担了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目等10余项；作为项目骨干参加了国家自然基金面上项目、国家重点研发计划项目等20余项目；发表论文90余篇，其中SCI论文50余篇，申请发明专利50余项，授权国际和国内发明专利30余项；现担任MSEA、Materials & Design等国际期刊的审稿人；作为主要发起人，成功组织了多次高层学术论坛，促进哈尔滨工程大学与俄罗斯科学研究院西伯利亚分院签署了战略合作协议；多次参加了在马来西亚、意大利、美国等国举办的国际和国内的学术会议并做口头报告。

姜风春，男，1963年2月出生，工学博士，教授，材料学科博士生导师。国家重点研发计划“增材制造与激光制造”项目首席专家。现任黑龙江省增材制造创新团队负责人、哈尔滨工程大学先进材料成形与制造团队负责人、烟台研究（生）院先进材料与制造技术团队负责人、山东省“十大产业”智库首批专家、中国力学学会爆炸力学专业委员会委员、科工局 军用材料基础与应用技术专家、 中国3D打印联盟理事。1987年7月毕业于哈尔滨船舶工程学院金属材料及热处理专业，1994年4月和2000年4月在哈尔滨工程大学分别获得机械学硕士学位和固体力学博士学位，先后在该校被聘任为助教、讲师和副教授。2001年6月至2011年4月在美国University of California, San Diego（UCSD）机械与航空航天系工作，先后任博士后研究员和助理项目科学家，2011年4月全职回国工作，组建了先进材料成形与制造研究团队。目前主要进行金属复合材料优化设计与制造、增材制造技术与装备，开展了重型增减材复合制造技术与装备研究领域、研发了国内第一台超声波快速固结成形与增材制造装置，应用超声波快速成形与制造技术在国内率先开展了金属层状复合材料与结构、以及金属空心球复合材料制造技术研究。迄今为止，已经发表学术论文160 余篇，申请国家发明专利30余项。

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论文引用

FangChao Peng, Chunhuan Guo, Fengchun Jiang, Ding Yuan, Hanyu Yin, Qianfei Sun a, Hexin Zhang, Tao Dong, Dongsheng Guo, Sergey Konovalov. Microstructure evolution and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy fabricated by directed energy deposition assisted with dual ultrasonic vibration:Materials Science and Engineering: A925(2025) 147934

DOI:https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.147934

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来源：江苏激光联盟