哈工大新型水下送絲激光增材制造技術海洋工程裝備修復的創新突破

2024-07-18

在當今的工程領域，材料的性能和制造技術的創新對于各個行業的發展都具有至關重要的意義。尤其是在海洋工程這樣充滿挑戰和極端環境的領域，對材料的耐腐蝕性和強度要求極高，鈦合金Ti-6Al-4V因其卓越的性能逐漸成為海洋結構中的關鍵材料。然而，海洋環境的惡劣性使得這些海洋工程裝備在長期使用中不可避免地會產生各種損傷，如蝕坑、裂紋等。因此，如何對這些裝備進行高效、高質量的原位維護和應急修復，成為了確保工程安全和延長關鍵部件使用壽命的關鍵問題。

然而，研究的道路并非一帆風順。最初使用送粉ULDED方法修復的樣品存在著諸多問題，表面不平整，粗糙度較大，特別是在兩端有明顯的凹陷，并且還存在氣孔、氧化層和裂紋等宏觀缺陷。這些缺陷嚴重影響了修復后的部件性能和使用壽命，無法滿足海洋工程對于高精度成形和優異性能的要求。面對這些問題，研究團隊并沒有退縮，而是進一步探索了送絲的ULDED方法，希望通過改進技術來提高在惡劣海洋環境中原位修復的質量。

近日，哈爾濱工業大學同山東船舶技術研究院在工程技術領域的頂刊Virtual and Physical Prototyping上發表了題為"Fundamental investigation into mass transfer process and microstructural transformation pathways in Ti-6Al-4V via underwater wire-laser directed energy depositio"的研究成果。在這項開創性的工作中，研究團隊首先自行設計并開發了用于ULDED技術的氣體保護噴嘴。這個噴嘴的設計旨在為水下增材制造過程提供更好的氣體保護，減少氧氣和氫氣等氣體對制造過程的不利影響，從而提高制造的穩定性和質量。

為了深入理解ULDED過程中的復雜物理化學變化，研究團隊提出了一種全新的方法來研究傳質行為。傳質過程在材料的熔化、沉積和凝固等環節中起著關鍵作用，直接影響著最終部件的成型性和性能。通過對傳質行為的精確研究，研究人員能夠更好地理解和控制制造過程中的物質傳遞和能量交換，從而為優化制造工藝提供理論依據。

在此基礎上，他們還設計出了控制傳質的機制。通過精確調控各種工藝參數，如激光功率、掃描速度、送絲速度等，研究人員成功地提高了制造的穩定性，并顯著優化了成型性。這使得制造出的部件具有更好的尺寸精度和表面質量，大大提高了其在實際應用中的可靠性和性能。

此外，研究團隊還深入闡明了不同區域ULDED成型壁的微觀結構轉變途徑。微觀結構決定了材料的力學性能、物理性能和化學性能等關鍵特性。通過了解和控制微觀結構的轉變，研究人員能夠在原位定制微結構和機械性能，使得修復后的部件在特定的工作環境下具有最佳的性能表現。

為了更直觀地展示研究成果，研究團隊提供了一系列詳細的實驗數據和圖像。例如，通過X射線高速成像系統，他們能夠實時觀察和記錄水下增材制造過程中的物質傳輸和相變過程，為理論分析提供了有力的實驗支持。

他們還對不同氣體流速下ULDED過程中殘留水的流動模式以及單個珠子的表面外觀、輪廓和橫截面進行了詳細的分析。結果表明，氣體流速對殘留水的分布和珠子的成型質量有著顯著的影響。在較低的氣體流速（如10 L/min）下，殘留水層較厚，導致激光能量的吸收和散射增加，從而影響了金屬絲的熔化和沉積過程，使得珠子表面出現不均勻和凹陷等缺陷。隨著氣體流速的增加（如14 L/min至20 L/min），殘留水層逐漸變薄，激光能量能夠更有效地作用于金屬絲，珠子的成型質量得到顯著改善。然而，當氣體流速過高（如30 L/min）時，雖然殘留水層幾乎被完全排除，但強烈的氣流可能會導致金屬液滴的飛濺和不穩定沉積，同樣會影響成型質量。

此外，研究人員還對液滴傳輸、液橋傳輸和擴散傳輸這三種模式下的金屬絲熔化和傳質過程進行了深入分析。在液滴傳輸模式下，由于表面張力和重力的作用，金屬液滴在傳輸過程中容易出現縮頸現象，導致金屬絲的熔化不充分和傳質不穩定。相比之下，液橋傳輸模式在表面張力和重力的持續作用下，能夠促進金屬絲的充分熔化和通過液橋的順利轉移，表現出卓越的工藝穩定性和成型質量。擴散傳輸模式則介于兩者之間，但其成型效果仍不如液橋傳輸模式。

通過對不同層間增量下ULDED薄壁樣品制造過程中的傳質行為進行研究，研究人員發現，較小的層間增量（如0.5 mm）有助于減少熱量積累和殘余應力，從而提高薄壁樣品的成型質量和表面平整度。而較大的層間增量（如1.1 mm）則可能導致熱量過度積累和殘余應力增大，容易引起薄壁樣品的變形和裂紋等缺陷。

在對不同熱輸入下薄壁樣品的表面形態進行研究時發現，較低的熱輸入（如200 W/mm）會導致金屬絲熔化不充分，從而形成不均勻的沉積層和表面缺陷。隨著熱輸入的增加（如250 W/mm至312.5 W/mm），金屬絲能夠充分熔化，沉積層的均勻性和表面質量得到顯著改善。但過高的熱輸入也可能會導致過熱和過度熔化，從而影響微觀結構和性能。

關鍵結論方面，首先，研究團隊成功開發了一種新型水下送絲激光增材制造（ULDED）技術。在局部干燥腔內，波動的殘余水層和氣溶膠顆粒會對激光束產生吸收、散射和折射作用，這不僅降低了激光能量的有效利用率，還會導致制造過程中的溫度分布不均勻。同時，高密度的氧氣和氫氣會與熔化的金屬發生反應，促進缺陷的形成，最終導致珠粒不均勻和纏繞，并伴有裂縫和氣孔等問題。

其次，在建立穩定的局部干腔后，研究人員觀察到了液滴傳輸、液橋傳輸和擴散傳輸三種模式。其中，液橋傳輸模式在表面張力和重力的協同作用下，能夠有效地促進金屬絲的充分熔化和順利轉移，避免了縮頸現象的發生，從而展現出卓越的工藝穩定性和成型質量。

再者，通過對原料金屬的加熱和受力條件進行精細調節，研究人員成功地控制了傳質行為，使其在整個ULDED過程中都有利于液橋模式。這種精準的控制方法有效地消除了沉積缺陷，并在各種熱輸入條件下實現了具有優異成型性和表面質量的ULDED壁。

此外，在200 W/mm的熱輸入條件下，頂部區域的微觀結構呈現出具有層次排列的針狀α′馬氏體特征。這種微觀結構具有較高的硬度和強度，但韌性相對較低。在底部區域，經過多次熱循環后，α′→α+β分解產生了片狀α，破壞并取代了之前的α′，同時保留了α′馬氏體的形態和結晶特征。這一微觀結構的轉變導致底部區域的硬度和強度有所降低，但韌性得到了一定程度的提高。

最后，隨著熱輸入或熱累積的增加，α板條源于擴散控制轉變（β→α），而非馬氏體分解。α+β結構包括從連續的GB-α（裝飾前β晶界）開始平行生長的α板條群組成，同時在前β晶粒內形成籃織微結構。這種微觀結構的變化進一步影響了材料的力學性能和物理性能，為根據具體應用需求定制材料性能提供了可能。

這項研究的通訊作者是郭寧，他是哈爾濱工業大學（威海）研究生處（學科辦）處長，同時也是一位長聘教授和博士生導師。郭寧教授主要從事極端環境焊接/增材制造、特種焊接技術與裝備的研究工作，是中國材料研究學會青年工作委員會理事、中國機械工程學會表面工程分會委員、中國焊接學會計算機輔助焊接工程專業委員會委員、中國航海學會救助打撈專業委員會委員。他曾榮獲山東省泰山學者青年專家，“十二五”機械工業先進科技工作者等榮譽稱號。郭寧教授及其團隊的研究工作為水下送絲激光增材制造技術的發展和應用奠定了堅實的基礎，也為海洋工程領域的技術進步做出了重要貢獻。

哈爾濱工業大學與山東船舶技術研究院的這項研究成果為海洋工程裝備的原位維護和應急修復提供了一種創新的、高效的解決方案。通過對水下送絲激光增材制造技術的深入研究和優化，不僅提高了修復部件的質量和性能，還為海洋工程領域的可持續發展提供了有力的技術支持。相信在未來，這一技術將在海洋工程及其他相關領域得到更廣泛的應用，為人類在海洋領域的探索和發展保駕護航。