1.引言：

时间拉入21世纪，工业浪潮下许多金属材料的应用都会受到限制，如何对其进行再度加工处理使其达到一个更好的性能需求成为了研究视野的聚焦点。以镍基合金为例，其在航天航空领域自带光环，但在应用环境代代更迭的演变下，同样会愈加碰壁而力不从心，所以镍基合金它进化了！2022年，NASA发布的一种名为GRX-810的新型合金揭开了全新视野，其通过使用氧化钇去包覆镍基合金大大提高了其耐热等性能，蜂鸟声共振也在2023年参与了相关类型研究并成功实现验证了可行性。回到本篇文章，从上述例子引用可以看到包覆改性处理对于增材制造版块提供了更多的可能性，下文也将引用一篇学术研究探解HNS材料包覆改性前后的影响！

摘要：

2024年11月，南京理工大学材料与工程学院在Elsevier出版的《Materials Science and Engineering A》上发表了一篇关于 TiN-HNS（高氮钢）复合材料的学术研究，其通过蜂鸟声共振技术（HAM）将 纳米级TiN粉末混合包覆在了高氮钢（HNS）表面 ，后通过激光粉末床熔融（LPBF）技术生产。结果论证，TiN-HNS材料相比HNS材料，其密度、硬度和力学性能等都得到显著提高，特别是 延展性 方面。这一学术发布对HAM来说，也表明了技术在3D打印粉体材料的包覆改性版块具有极大地应用市场开发前景。

3.HNS-高氮钢

HNS（高氮钢）是一种新型钢，主要成分是氮，铬，锰，钼等元素，其主要特点是硬度高、耐磨性好、强度高等。HNS中，氮元素能够与铁元素形成稳定的化合物，增强钢材的晶界连续性，从而提高硬度和强度。此外，N的固溶体可以细化材料的内部晶粒尺寸，随着氮含量的增加，HNS的层错能量显著降低，增加了孪晶和层错的可能性,这使得HNS在塑性变形应变的后期能够得到更大的改善。再者，HNS材料相比不锈钢等更为低价的生产成本也使其的研究价值更大的被发掘！

4.TiN-HNS 复合材料

增材制造（AM）具有材料浪费少、成本低、设计灵活性高等特点，目前已应用于航空航天、医疗、汽车、教育等多个领域。LPBF是比较常见的AM技术类型，具有瞬时加热和快速冷却的特性，它使用一束激光将金属粉末层层熔化，通过不断的层叠堆叠形成所需的三维结构，这种技术具有如生产速度快、材料浪费少、可制造复杂结构等多重优势。激光的热能可以精确地控制材料的熔化和凝固过程，使得制造的产品具有高精度和良好的机械性能。

在HNS中N含量比重提升的研究中，衍生了包括且不限于通过后处理打印HNS，通过在中温高压下对钢粉进行预氮化，还有通过添加更多Mn增加其溶解度等多种方式，但这些传统工艺方法均无法准确控制氮含量，同时制造成本比较高。通过LPBF技术相比传统工艺，可以较为低成本的获取HNS，但产出的HNS力学性能较差，所以目前仍需要在当下基础上进一步优化设计方法来得到更好的新型HNS。

在最新研究中，发现添加一定的氮化物对于工艺强化具有一定意义。南京理工大学的本篇学术研究中正是围绕通过HAM技术将纳米级的TiN粉末对HNS粉末进行混合包覆，后通过对LPBF技术制备下的HNS基体的TiN-HNS复合材料与纯HNS材料的比较，进一步分析阐述了这种氮化物添加后对于HNS性能提升的机理。

5.TiN-HNS的制备

实验首先通过HAM的声共振仪设备，对100:0.2质量比的TiN粉末与HNS粉末进行混合包覆，在不到一小时的作业时间下，在HNS粉体表面包覆了751.5nm厚度的TiN粉体颗粒。

6.6.蜂鸟声共振是如何实现包覆改性的：

HAM包覆改性的核心在于“混沌运动”与“能量叠加”双机制，这也是区别于目前市场传统设备的主突出点。

A.混沌运动：

纳米级粉体最棘手的处理bug便是“团聚”与“离析”问题，当涉及微纳米级粉体包覆作业，将其共置反应釜中时，传统设备的受力条件下大多会以单一方向性的运动轨迹去进行，这种状况下由于密度、粒径等物理性质差异两个粉体群的渗入接触会因缺少非平行向的受力而产生析出分层。在反应釜中质量不均等的交错中也会因单一向受力使得粉体群间力变大，在没有外力介入打散粉体的状况下，分子间力变大则团聚也会愈加明显。

HAM技术的运动机制可以从两个角度看，宏观层面，底部共振单元会传递上下共振的对向力使得粉体在竖直方向宏观运动。同时，在毫米级振幅的作业范围内，底部振动声源点会向上扩散声波，宏观在横向上将粉体打散。微观层面，粉体颗粒宏观竖直与横向交错运动下会彼此碰撞，也会和承载容器壁体碰撞，在这种多组碰撞下，会产生单点扩散性的能量传递，当多个单点的能量彼此碰撞时，又会形成多组小范围运动轨迹更改驱动。正是这种单点到范围的微观驱动配合宏观交错驱动使得反应釜中的粉体颗粒不断再分布处于混动运动，这种非单一向的运动机制可以大幅度增加粉体颗粒间的接触频率与粉体群间的接触掺入面积比。

B.能量叠加

HAM处理机制下，当设备运行时，内部作业系统的多个单元会处于同频共振，这些单元系统间会相互影响，彼此之间能量传递，进而能量会不断增强。正是基于这种能量叠加，从而在物料体系中可以达到更为强化状态下的作业效果。设备不会因连续性作业而产热过多或是能耗过重，造成时间和经济成本等问题。HAM设备运行下的能量会因上述的叠加态势，原本更长时间需求达到的工艺会倍数缩短，最高可提升数十倍效率。系统设计核心支持自动化调节，内核计算系统会根据工艺需求输出调节能量转化，更为智能高效的控制作业。

蜂鸟声共振正是基于上述两大主要核心优势，进而更适配超细粉体在包覆改性中的作业需求。

7.蜂鸟声共振设备包覆作业的优势补充：

A.无桨介入，无污染引入。

B.弱剪切，不破坏颗粒粒形。

C.无死角，整场均匀受力。

D.低成本损耗，绿色环保。

E.定制化设计，可适配多种应用场景。

混合包覆作业结束后，采用LPBF进行进一步加工，作业过程在氮气保护下进行。在AM过程中，过饱和的N会结合成氮气并从熔池中析出，导致材料的氮含量降低，出现孔隙，从而降低HNS的力学性能，所以需要设计抑制氮气析出的方法。在LPBF过程中，充满高纯度氮气的腔室可以有效地增加熔池表面氮气的分压，从而抑制氮气的逸出，提高氮气在熔池中的溶解度。

该篇学术研究最后对TiN-HNS与HNS的微观结构进行观察，并对两者的力学性能测试。在没有TiN的情况下，HNS中δ-铁氧体的峰值强度强于γ-奥氏体，而HNS+TiN中的γ-奧氏体的峰值强度相对较大。

8.结论：

A.在HNS中加入TiN粉末后，样品内部有更多的奥氏体，并且在使用声共振处理粉末后，试样的密度从未添加TiN时的99.198%增加到99.698%，试样密度显著提高。

B.HNS+TiN样品内的晶粒尺寸明显细化，HNS样品的平均晶粒尺寸为2.25um，而TiN+HNS样品内的平均品粒大小为0.26um，HNS+TiN的品粒尺寸显著减小。添加TiN粉末后，样品内的晶粒取向强度急剧下降。

C.添加TiN后，样品的硬度和力学性能显著提高。硬度从372.1 HV增加到373.4 HV；抗拉强度从1198.99MPa增加到1202.76MPa；伸长率的变化最为明显，HNS样品的伸长率为4.86%，但添加TiN后，HNS+TiN样品的伸长率可达16.25%，这种现象权衡了强度-塑性的平衡。

D.在HNS粉末中添加TiN后，样品的晶界和晶内区域有更多的Mn2TiO4，这有助于细化晶粒尺寸，导致晶界数量增加，从而延迟裂纹形成。经过LPBF处理后，样品中会出现一些孪晶，这些孪晶的存在可存储更多的位错滑移，从而提高强度及塑性，这些效应显著提高了TiN-HNS的延展性。

10.HAM蜂鸟声共振应用展望

AM发展中粉体改性包覆处理是当下仍在不断增生的工业节点，如何以更成熟的工艺实现理想的实验设计尤为重要。蜂鸟声共振HAM技术在国内仍是一个新面孔，但也是因为新从而可以区别于传统工艺的框架去构造更多束缚外的可能性。正是基于技术所具备的包覆与被包覆的物料选择不受局限、同时兼具固相包覆与液相包覆、无污染引入的弱剪切处理机制等，目前蜂鸟声共振包覆改性技术已涉及3D打印、制药、电池、化工、含能材料等多个领域，但相信探索不会止于此，未来会有更多的可发掘性存在！