超聲在金屬熔池內產生的沖擊效應可以有效細化晶粒組織，傳統的聲學理論將其機理主要歸因于“空化效應”。日前，西北工業大學材料學院林鑫教授團隊與新加坡國立大學閆文韜、武漢科技大學王書豪教授團隊合作，研究發現在無空化效應的情況下，超聲依然能夠充分將粗大的柱狀晶轉變為細小的等軸晶，發現了“聲流效應”細化晶粒的新物理機制，完善了超聲細化金屬組織的物理理論。
 

　　相關成果以“Non-contact ultrasound to assist laser additive manufacturing”為題，發表在國際著名期刊《自然·通訊》(Nature Communications)。西北工業大學為論文的唯一通訊單位。西北工業大學材料學院林鑫教授、陳輝教授為論文共同通訊作者。材料學院博士生韓家森，武漢科技大學王書豪副教授、新加坡國立大學博士生葛文君、陳輝教授為論文共同第一作者。
 

　　團隊設計了不同于傳統接觸式的非接觸式超聲裝置，在金屬熔池內產生不足以形成空化效應的低強度超聲。研究發現低強度超聲的聲流效應誘發熔池產生高頻高速流動，對熔池糊狀區枝晶產生高達約3000次沖擊，超過糊狀區枝晶疲勞斷裂壽命約1個數量級，因此，使大多數枝晶發生疲勞斷裂，進而在無空化效應的情況下有效細化金屬晶粒組織。首次通過實驗證明了聲流效應在熔池中的關鍵作用，完善了超聲細化晶粒理論。此外，該非接觸式超聲模式突破了傳統接觸式超聲模式下誘發不穩定熔池易引發成形缺陷的技術瓶頸，可方便地實現高穩定熔池熔凝/熔覆沉積，為實現大尺寸復雜零件的一體化高效細晶成形制造創新了一條新的重要途徑。
 

　　圖.實驗和數值模擬揭示聲流效應影響金屬熔池熱流動與凝固機理，在IN718、SS 316L等金屬材料中證明具有普適性。