Effect of ultrasonic impact treatment on microstructure and properties of Ti6Al4V titanium alloy manufactured by laser directed energy deposition
本研究表明，对激光定向能量沉积的 Ti6Al4V 涂层进行超声冲击处理，可以在不改变相组成的情况下细化显微组织和表面质量，从而通过晶界和塑性变形强化显著提高耐磨性和耐腐蚀性。
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想象一个我们可以逐层构建复杂金属零件的世界，就像为飞机和火箭使用的重型机械制作 3D 打印一样。这种被称为激光定向能量沉积（LDED）的技术是一项变革性的技术，用于修复昂贵的损坏部件，而无需将其熔化。然而，就像一个虽然升得很高但顶部凹凸不平的蛋糕一样，这些 3D 打印的金属零件往往表面粗糙且存在内部缺陷。它们可能会有锯齿状的边缘或隐藏的应力线，导致在工作时容易磨损或生锈。为了解决这个问题，科学家们使用了一种称为“表面强化”的方法，这就像是给金属进行一次高科技按摩，使其变得平滑且更坚韧。其中一种特定的按摩方法是利用高频声波来敲击表面，有点像一个非常快速、微小的锤子在每秒钟敲击金属数百万次，从而重新排列其内部结构。关键问题在于，我们应该敲多重？敲得太轻，则没有任何变化；敲得太重，则可能会损坏表面。找到完美的“敲击力度”对于延长这些零件的使用寿命并提高其性能至关重要。
这篇论文深入探讨了正是这样一个问题，重点研究了一种名为 Ti6Al4V 的超强金属合金，它是航空航天工业中的宠儿。研究人员使用激光 3D 打印方法构建了这种合金层，然后使用不同功率水平的超声冲击处理（UIT）对其进行了处理。你可以把 UIT 的功率想象成扬声器的音量旋钮，但它控制的不是声音，而是微小锤子敲击的力量。他们测试了五种不同的“音量”：0 W（不敲击）、400 W、600 W、800 W 和 1000 W。他们的目标是观察这些不同的敲击强度如何改变金属的外观、其内部晶粒结构以及它抵抗刮擦（磨损）和生锈（腐蚀）的能力。
结果非常明确，几乎就像是制作完美金属饰面的配方。首先，敲击并没有改变金属的化学成分；它仍然是同一种合金。然而，它在平滑表面方面表现出色。未经处理的金属表面凹凸不平、波浪起伏，并带有细小的毛刺。随着敲击功率的增加，这些凸起被压平，使表面变得更加光滑。有趣的是，他们发现将功率调至 1000 W 是最佳平衡点。如果他们尝试更高的功率（尽管本研究中没有测试更高功率），他们怀疑这可能会开始损坏表面，但在 1000 W 时，表面是最光滑且最均匀的。
在金属内部，故事甚至更加令人兴奋。激光打印过程通常会使金属留下长柱状的晶粒，这些晶粒向一个方向生长，就像一叠又高又细的铅笔。这些长晶粒会使金属在某些方向上变弱。超声敲击起到了巨大晶粒细化器的作用，将那些长柱状晶粒破碎成微小、细密的晶粒。功率越高，晶粒就变得越小、越均匀。在 1000 W 时，晶粒最为细小，形成了一个致密、紧密堆积的结构。这很重要，因为较小的晶粒会让金属变得更硬、更强，类似于由细小、紧密排列的砖块组成的砖墙比由大而松散的石头组成的墙更坚固。
当他们测试金属的抗磨损能力时，1000 W 的样本成为了冠军。未经处理的金属摩擦系数约为 0.2216，且磨损较快。但经过 1000 W 处理的样本呢？其摩擦系数降至 0.1917，并且在测试过程中损失的重量最少（约 0.3 mg）。1000 W 样本的磨损痕迹浅而平滑，深度仅为 4.7 μm，相比之下，未经处理的样本则有深而粗糙的沟槽（24.5 μm）。这就像是敲击为金属提供了一个超级护盾，使其极难被其他表面刮伤或磨损。
金属在对抗生锈的能力上也得到了提升。在盐水测试中，未经处理的金属具有 -0.663 V 的腐蚀电位，这是衡量其易于生锈程度的一个指标。1000 W 处理后的样本将其提升到了 -0.530 V，这意味着它更加稳定，不易腐蚀。研究人员发现，敲击有助于在表面形成一层更好、更均匀的保护膜，阻挡了盐水进入。该保护膜的电阻率在 1000 W 样本中最高，证实了它是防止生锈的最佳选择。
简而言之，论文得出结论：虽然激光打印创造了一个优秀的基底，但添加 1000 W 的超声冲击处理是让其变得更好的“秘密武器”。它平滑了表面，将内部晶粒粉碎成细密强韧的结构，并创造了一个抵御磨损和腐蚀的坚固护盾。研究人员建议，这个特定的功率水平是改进这些金属涂层的最佳设置，为提高高价值航空航天零件的使用寿命和性能提供了一种极具前景的方法。
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