哈工大&哈工程&西工大顶刊丨超声场辅助激光增材制造：熔池动力学、微观组织与性能调控
超声激光增材制造（U-LAM）是将高能激光与高频机械振动协同集成的高效多物理场辅助技术，通过耦合能量场效应，有效克服传统激光增材制造中晶粒粗大、各向异性显著、易产生气孔和裂纹等技术瓶颈，为高性能金属构件制备提供变革性解决方案。本文系统总结 U-LAM 在超声施加方式、关键工艺参数、熔池动态行为、微观组织演变规律及材料性能提升方面的研究进展；通过声空化、声流、热效应机制，显著改变熔池内热 - 力耦合条件，细化凝固组织、促进柱状晶向等轴晶转变（CET），有效抑制气孔与热裂纹，改善增强颗粒分布与界面结合，提升金属基复合材料综合性能。最后总结当前技术挑战并展望未来趋势，为该技术深化发展与工业应用提供理论参考与实践指导。 部分图文解读✨ 文章亮点机制清晰首次系统阐明超声空化、声流、热效应对熔池的三重调控机制，从根源解释晶粒细化与缺陷抑制原理。 工艺全面覆盖超声施加方式、频率 / 振幅参数、熔池流场、温度场、压力场全维度调控规律。 性能突破实现强度 - 塑性同步提升、硬度 / 耐磨性增强、致密度最大化，解决高强合金开裂难题。 问题直击明确飞溅、二次气孔、成形精度、材料依赖性、声场不均五大核心挑战与应对策略。 前沿导向指向高保真多物理场耦合、自适应闭环控制、数据驱动智能监测三大未来方向。 图 1 增材制造常见工艺类型涵盖光固化、材料喷射、材料挤出、粘结剂喷射、粉末床熔融、薄片分层、定向能量沉积七大主流工艺。 图 2 传统金属激光增材制造中超声场辅助实现方式(a) 超声作用于基板；(b) 超声作用于沉积层；(c) 超声作用于熔池。 图 3 超声冲击处理示意图(a) 超声冲击原理示意图；(b) 超声冲击处理前后晶粒变形对比；(c) 超声冲击处理前后宏观组织变化；(d) DED 制备 CoCrFeNi 试样工程应力 - 应变、真实应力 - 应变及加工硬化率曲线。 图 4 超声三大物理机制(a) 声空化效应；(b) 超声吸收效应；(c) 声流效应。 图 5 不同对应超声频率下的超声应用场景覆盖常规超声、超声粘度计、声化学、超声辅助增材制造、管道腐蚀检测等频率区间。 图 6 超声频率对组织与成分影响(a) 不同试样晶界析出物元素组成；(b) 超声频率对微观组织与晶粒尺寸影响；(c) 高频微振动辅助激光增材制造单道 SEM 形貌；(d) 不同振动频率下熔覆层组织。 图 7 超声振幅对焊缝与硬度影响(a) 不同超声振幅对焊缝影响；(b) 不同超声振幅下焊缝金相截面；(c) 波腹位置典型试样显微图像；(d) 熔覆层表面不同距离硬度曲线。 图 8 熔池声压场模拟结果(a) 超声处理与未处理熔池 CFD 模拟：压力分布、空化泡形核破裂压力场；(b) 表面 / 底部 / 双面超声下熔池平均声压随时间变化；(c) 熔池压力随频率变化；(d) 不同超声振幅下熔池压力场分布；(e) 不同 HFUV 源位置下熔池声压分布。 图 9 超声场热效应(a) 持续热效应；(b) 瞬时热效应。 图 10 超声对温度场影响(a) 不同频率超声下温度场变化；(b) DED 与 UVADED 熔池最高温度对比；(c) 不同超声振动功率下熔覆层热循环曲线。 图 11 熔池流场分析(a) 超声场辅助激光熔覆流场：速度场、液滴接触固相受力分析；(b) 液滴传输周期内不同时刻熔池流场；(c) 颗粒与熔池表面碰撞过程、有无超声颗粒停留时间；(d) U-LAM 中熔池流动特征。 图 12 增强颗粒运动与分布(a) 单道 SEM 俯视图、熔池 Y-Z 截面 TiB₂颗粒与熔体瞬态速度图；(b) 不同超声振幅下涂层宏观形貌；(c) CBN 磨粒运动轨迹；(d) 熔池底部传热行为、颗粒分布图；(e) 钎焊界面形貌。 图 13 超声晶粒细化机制与空化过程(a) 空化过程；(b) 温度梯度 G 与凝固速率 R；(c) 晶粒细化。 图 14 超声激励晶粒演变(a) 模拟形成晶粒图示；(b) UDED 工艺不同时间节点沉积状态；(c) 不同功率下 EBSD 截面 IPF 图与晶界图。 图 15 裂纹抑制机制(a) 熔池宽深比与弯曲对晶粒生长与中心线偏聚影响；(b) 裂纹扩展与超声抑制裂纹萌生机制、力学性能对比。 图 16 缺陷抑制与致密度提升(a) 熔覆层裂纹分析；(b) 涂层形貌；(c) 孔隙消除机制；(d) 不同激光参数下 DED 与 UVADED 熔覆层内部孔隙 CT 扫描结果。 图 17 超声辅助激光增材制造合金抗拉强度 - 延伸率图汇总多种合金经超声辅助后的强度与塑性数据对比。 图 18 摩擦磨损性能(a) 复合涂层摩擦磨损表面形貌；(b) 不同超声功率下复合涂层三维磨损形貌；(c) 不同超声功率试样磨损测试结果；(d) 不同超声振幅下磨痕 3D 表面轮廓。 图 19 超声对熔池飞溅与形貌影响(a) 机器学习监测超声前后熔池特征、飞溅、羽流；(b) 有无超声能量场激光熔覆高速相机图像；(c) 有无超声作用单道熔覆成形。 图 20 成形质量缺陷与修复(a) U-LAM 凝固表面缺陷：凸起凹陷、粗糙倾斜纹理、不连续；(b) 负离焦沉积法修复层表面不均。 图 21 超声振动基板设计(a) 超声振动基板：ANSYS 模态分析、振幅强度分布、振动前后粉末分布；(b) 不同形状变幅杆基板共振状态、表面振幅。 图 22 U-LAM 从经验观测到智能集成演进路径从经验观测→理论建模→高保真多物理场耦合→自适应闭环控制→数据驱动智能集成。 结论/展望超声施加方式主要分为基板振动与移动振动，前者适合中小尺寸构件，后者空间适应性与能量传输效率更优，适合大型复杂构件。 物理作用机制超声通过声空化 + 声流 + 热效应协同，降低熔池温度梯度、打断柱状晶外延生长、促进异质形核，实现晶粒细化与组织均匀化。 工艺参数控制频率、振幅是核心参数，直接决定熔池流型、颗粒分布、晶粒演化与致密度；参数过高 / 过低均会破坏过程稳定性。 熔池行为实时调控超声显著改变熔池流场、声压场空间分布与气泡行为，可实现增材过程动态调控。 颗粒分散增强有效破碎颗粒团聚，提升陶瓷颗粒在金属基体中均匀性与界面结合强度，支撑高性能金属基复合材料制备。 宏观力学性能合适超声条件下，材料硬度、耐磨性、强度、塑性同步提升，通过组织调控与缺陷抑制实现综合性能优化。 来源：增材制造硕博联盟
