西北工业大学Nature Communications发表材料学院林鑫教授团队超声辅助激光增材制造新突破

超声在金属熔池内产生的冲击效应可以有效细化晶粒组织，传统的声学理论将其机理主要归因于“空化效应”。日前，西北工业大学材料学院林鑫教授团队与新加坡国立大学闫文韬、武汉科技大学王书豪教授团队合作，研究发现在无空化效应的情况下，超声依然能够充分将粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶，发现了“声流效应”细化晶粒的新物理机制，完善了超声细化金属组织的物理理论。

相关成果以“Non-contact ultrasound to assist laser additive manufacturing”为题，发表在国际著名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。西北工业大学为论文的唯一通讯单位。西北工业大学材料学院林鑫教授、陈辉教授为论文共同通讯作者。材料学院博士生韩家森，武汉科技大学王书豪副教授、新加坡国立大学博士生葛文君、陈辉教授为论文共同第一作者。

团队设计了不同于传统接触式的非接触式超声装置，在金属熔池内产生不足以形成空化效应的低强度超声。研究发现低强度超声的声流效应诱发熔池产生高频高速流动，对熔池糊状区枝晶产生高达约3000次冲击，超过糊状区枝晶疲劳断裂寿命约1个数量级，因此，使大多数枝晶发生疲劳断裂，进而在无空化效应的情况下有效细化金属晶粒组织。首次通过实验证明了声流效应在熔池中的关键作用，完善了超声细化晶粒理论。此外，该非接触式超声模式突破了传统接触式超声模式下诱发不稳定熔池易引发成形缺陷的技术瓶颈，可方便地实现高稳定熔池熔凝/熔覆沉积，为实现大尺寸复杂零件的一体化高效细晶成形制造创新了一条新的重要途径。

图.实验和数值模拟揭示声流效应影响金属熔池热流动与凝固机理，在IN718、SS 316L等金属材料中证明具有普适性。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62803-w

（文字：陈辉；图片：陈辉；审核：禹亮）