在當(dāng)今的工程領(lǐng)域，材料的性能和制造技術(shù)的創(chuàng)新對于各個行業(yè)的發(fā)展都具有至關(guān)重要的意義。尤其是在海洋工程這樣充滿挑戰(zhàn)和極端環(huán)境的領(lǐng)域，對材料的耐腐蝕性和強(qiáng)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(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵材料。然而，海洋環(huán)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(chǎn)生各種損傷，如蝕坑、裂紋等。因此，如何對這些裝備進(jìn)行高效、高質(zhì)量的原位維護(hù)和應(yīng)急修復(fù)，成為了確保工程安全和延長關(guān)鍵部件使用壽命的關(guān)鍵問題。

然而，研究的道路并非一帆風(fēng)順。最初使用送粉ULDED方法修復(fù)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(yán)重影響了修復(fù)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(yōu)異性能的要求。面對這些問題，研究團(tuán)隊并沒有退縮，而是進(jìn)一步探索了送絲的ULDED方法，希望通過改進(jìn)技術(shù)來提高在惡劣海洋環(huán)境中原位修復(fù)的質(zhì)量。

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)同山東船舶技術(shù)研究院在工程技術(shù)領(lǐng)域的頂刊Virtual and Physical Prototyping上發(fā)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(chuàng)性的工作中，研究團(tuán)隊首先自行設(shè)計并開發(fā)了用于ULDED技術(shù)的氣體保護(hù)噴嘴。這個噴嘴的設(shè)計旨在為水下增材制造過程提供更好的氣體保護(hù)，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(wěn)定性和質(zhì)量。

為了深入理解ULDED過程中的復(fù)雜物理化學(xué)變化，研究團(tuán)隊提出了一種全新的方法來研究傳質(zhì)行為。傳質(zhì)過程在材料的熔化、沉積和凝固等環(huán)節(jié)中起著關(guān)鍵作用，直接影響著最終部件的成型性和性能。通過對傳質(zhì)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(zhì)傳遞和能量交換，從而為優(yōu)化制造工藝提供理論依據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，他們還設(shè)計出了控制傳質(zhì)的機(jī)制。通過精確調(diào)控各種工藝參數(shù)，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(wěn)定性，并顯著優(yōu)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(zhì)量，大大提高了其在實際應(yīng)用中的可靠性和性能。

此外，研究團(tuán)隊還深入闡明了不同區(qū)域ULDED成型壁的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變途徑。微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等關(guān)鍵特性。通過了解和控制微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，研究人員能夠在原位定制微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，使得修復(fù)后的部件在特定的工作環(huán)境下具有最佳的性能表現(xiàn)。

為了更直觀地展示研究成果，研究團(tuán)隊提供了一系列詳細(xì)的實驗數(shù)據(jù)和圖像。例如，通過X射線高速成像系統(tǒng)，他們能夠?qū)崟r觀察和記錄水下增材制造過程中的物質(zhì)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(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)果表明，氣體流速對殘留水的分布和珠子的成型質(zhì)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(dǎo)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(xiàn)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(zhì)量得到顯著改善。然而，當(dāng)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(qiáng)烈的氣流可能會導(dǎo)致金屬液滴的飛濺和不穩(wěn)定沉積，同樣會影響成型質(zhì)量。

此外，研究人員還對液滴傳輸、液橋傳輸和擴(kuò)散傳輸這三種模式下的金屬絲熔化和傳質(zhì)過程進(jìn)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(xiàn)縮頸現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬絲的熔化不充分和傳質(zhì)不穩(wěn)定。相比之下，液橋傳輸模式在表面張力和重力的持續(xù)作用下，能夠促進(jìn)金屬絲的充分熔化和通過液橋的順利轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)出卓越的工藝穩(wěn)定性和成型質(zhì)量。擴(kuò)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(zhì)行為進(jìn)行研究，研究人員發(fā)現(xiàn)，較小的層間增量（如0.5 mm）有助于減少熱量積累和殘余應(yīng)力，從而提高薄壁樣品的成型質(zhì)量和表面平整度。而較大的層間增量（如1.1 mm）則可能導(dǎo)致熱量過度積累和殘余應(yīng)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(tài)進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，較低的熱輸入（如200 W/mm）會導(dǎo)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(zhì)量得到顯著改善。但過高的熱輸入也可能會導(dǎo)致過熱和過度熔化，從而影響微觀結(jié)構(gòu)和性能。

關(guān)鍵結(jié)論方面，首先，研究團(tuán)隊成功開發(fā)了一種新型水下送絲激光增材制造（ULDED）技術(shù)。在局部干燥腔內(nèi)，波動的殘余水層和氣溶膠顆粒會對激光束產(chǎn)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(dǎo)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(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)缺陷的形成，最終導(dǎo)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(wěn)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(kuò)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(xié)同作用下，能夠有效地促進(jìn)金屬絲的充分熔化和順利轉(zhuǎn)移，避免了縮頸現(xiàn)象的發(fā)生，從而展現(xiàn)出卓越的工藝穩(wěn)定性和成型質(zhì)量。

再者，通過對原料金屬的加熱和受力條件進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，研究人員成功地控制了傳質(zhì)行為，使其在整個ULDED過程中都有利于液橋模式。這種精準(zhǔn)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(xiàn)了具有優(yōu)異成型性和表面質(zhì)量的ULDED壁。

此外，在200 W/mm的熱輸入條件下，頂部區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出具有層次排列的針狀α′馬氏體特征。這種微觀結(jié)構(gòu)具有較高的硬度和強(qiáng)度，但韌性相對較低。在底部區(qū)域，經(jīng)過多次熱循環(huán)后，α′→α+β分解產(chǎn)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(tài)和結(jié)晶特征。這一微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致底部區(qū)域的硬度和強(qiáng)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(kuò)散控制轉(zhuǎn)變（β→α），而非馬氏體分解。α+β結(jié)構(gòu)包括從連續(xù)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(nèi)形成籃織微結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)一步影響了材料的力學(xué)性能和物理性能，為根據(jù)具體應(yīng)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(yè)大學(xué)（威海）研究生處（學(xué)科辦）處長，同時也是一位長聘教授和博士生導(dǎo)師。郭寧教授主要從事極端環(huán)境焊接/增材制造、特種焊接技術(shù)與裝備的研究工作，是中國材料研究學(xué)會青年工作委員會理事、中國機(jī)械工程學(xué)會表面工程分會委員、中國焊接學(xué)會計算機(jī)輔助焊接工程專業(yè)委員會委員、中國航海學(xué)會救助打撈專業(yè)委員會委員。他曾榮獲山東省泰山學(xué)者青年專家，“十二五”機(jī)械工業(yè)先進(jìn)科技工作者等榮譽(yù)稱號。郭寧教授及其團(tuán)隊的研究工作為水下送絲激光增材制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)，也為海洋工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)與山東船舶技術(shù)研究院的這項研究成果為海洋工程裝備的原位維護(hù)和應(yīng)急修復(fù)提供了一種創(chuàng)新的、高效的解決方案。通過對水下送絲激光增材制造技術(shù)的深入研究和優(yōu)化，不僅提高了修復(fù)部件的質(zhì)量和性能，還為海洋工程領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。相信在未來，這一技術(shù)將在海洋工程及其他相關(guān)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，為人類在海洋領(lǐng)域的探索和發(fā)展保駕護(hù)航。