在当今的工程领域，材料的性能和制造技术的创新对于各个行业的发展都具有至关重要的意义。尤其是在海洋工程这样充满挑战和极端环境的领域，对材料的耐腐蚀性和强度要求极高，钛合金Ti-6Al-4V因其卓越的性能逐渐成为海洋结构中的关键材料。然而，海洋环境的恶劣性使得这些海洋工程装备在长期使用中不可避免地会产生各种损伤，如蚀坑、裂纹等。因此，如何对这些装备进行高效、高质量的原位维护和应急修复，成为了确保工程安全和延长关键部件使用寿命的关键问题。

然而，研究的道路并非一帆风顺。最初使用送粉ULDED方法修复的样品存在着诸多问题，表面不平整，粗糙度较大，特别是在两端有明显的凹陷，并且还存在气孔、氧化层和裂纹等宏观缺陷。这些缺陷严重影响了修复后的部件性能和使用寿命，无法满足海洋工程对于高精度成形和优异性能的要求。面对这些问题，研究团队并没有退缩，而是进一步探索了送丝的ULDED方法，希望通过改进技术来提高在恶劣海洋环境中原位修复的质量。

近日，哈尔滨工业大学同山东船舶技术研究院在工程技术领域的顶刊Virtual and Physical Prototyping上发表了题为"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。在这项开创性的工作中，研究团队首先自行设计并开发了用于ULDED技术的气体保护喷嘴。这个喷嘴的设计旨在为水下增材制造过程提供更好的气体保护，减少氧气和氢气等气体对制造过程的不利影响，从而提高制造的稳定性和质量。

为了深入理解ULDED过程中的复杂物理化学变化，研究团队提出了一种全新的方法来研究传质行为。传质过程在材料的熔化、沉积和凝固等环节中起着关键作用，直接影响着最终部件的成型性和性能。通过对传质行为的精确研究，研究人员能够更好地理解和控制制造过程中的物质传递和能量交换，从而为优化制造工艺提供理论依据。

在此基础上，他们还设计出了控制传质的机制。通过精确调控各种工艺参数，如激光功率、扫描速度、送丝速度等，研究人员成功地提高了制造的稳定性，并显著优化了成型性。这使得制造出的部件具有更好的尺寸精度和表面质量，大大提高了其在实际应用中的可靠性和性能。

此外，研究团队还深入阐明了不同区域ULDED成型壁的微观结构转变途径。微观结构决定了材料的力学性能、物理性能和化学性能等关键特性。通过了解和控制微观结构的转变，研究人员能够在原位定制微结构和机械性能，使得修复后的部件在特定的工作环境下具有最佳的性能表现。

为了更直观地展示研究成果，研究团队提供了一系列详细的实验数据和图像。例如，通过X射线高速成像系统，他们能够实时观察和记录水下增材制造过程中的物质传输和相变过程，为理论分析提供了有力的实验支持。

他们还对不同气体流速下ULDED过程中残留水的流动模式以及单个珠子的表面外观、轮廓和横截面进行了详细的分析。结果表明，气体流速对残留水的分布和珠子的成型质量有着显著的影响。在较低的气体流速（如10 L/min）下，残留水层较厚，导致激光能量的吸收和散射增加，从而影响了金属丝的熔化和沉积过程，使得珠子表面出现不均匀和凹陷等缺陷。随着气体流速的增加（如14 L/min至20 L/min），残留水层逐渐变薄，激光能量能够更有效地作用于金属丝，珠子的成型质量得到显著改善。然而，当气体流速过高（如30 L/min）时，虽然残留水层几乎被完全排除，但强烈的气流可能会导致金属液滴的飞溅和不稳定沉积，同样会影响成型质量。

此外，研究人员还对液滴传输、液桥传输和扩散传输这三种模式下的金属丝熔化和传质过程进行了深入分析。在液滴传输模式下，由于表面张力和重力的作用，金属液滴在传输过程中容易出现缩颈现象，导致金属丝的熔化不充分和传质不稳定。相比之下，液桥传输模式在表面张力和重力的持续作用下，能够促进金属丝的充分熔化和通过液桥的顺利转移，表现出卓越的工艺稳定性和成型质量。扩散传输模式则介于两者之间，但其成型效果仍不如液桥传输模式。

通过对不同层间增量下ULDED薄壁样品制造过程中的传质行为进行研究，研究人员发现，较小的层间增量（如0.5 mm）有助于减少热量积累和残余应力，从而提高薄壁样品的成型质量和表面平整度。而较大的层间增量（如1.1 mm）则可能导致热量过度积累和残余应力增大，容易引起薄壁样品的变形和裂纹等缺陷。

在对不同热输入下薄壁样品的表面形态进行研究时发现，较低的热输入（如200 W/mm）会导致金属丝熔化不充分，从而形成不均匀的沉积层和表面缺陷。随着热输入的增加（如250 W/mm至312.5 W/mm），金属丝能够充分熔化，沉积层的均匀性和表面质量得到显著改善。但过高的热输入也可能会导致过热和过度熔化，从而影响微观结构和性能。

关键结论方面，首先，研究团队成功开发了一种新型水下送丝激光增材制造（ULDED）技术。在局部干燥腔内，波动的残余水层和气溶胶颗粒会对激光束产生吸收、散射和折射作用，这不仅降低了激光能量的有效利用率，还会导致制造过程中的温度分布不均匀。同时，高密度的氧气和氢气会与熔化的金属发生反应，促进缺陷的形成，最终导致珠粒不均匀和缠绕，并伴有裂缝和气孔等问题。

其次，在建立稳定的局部干腔后，研究人员观察到了液滴传输、液桥传输和扩散传输三种模式。其中，液桥传输模式在表面张力和重力的协同作用下，能够有效地促进金属丝的充分熔化和顺利转移，避免了缩颈现象的发生，从而展现出卓越的工艺稳定性和成型质量。

再者，通过对原料金属的加热和受力条件进行精细调节，研究人员成功地控制了传质行为，使其在整个ULDED过程中都有利于液桥模式。这种精准的控制方法有效地消除了沉积缺陷，并在各种热输入条件下实现了具有优异成型性和表面质量的ULDED壁。

此外，在200 W/mm的热输入条件下，顶部区域的微观结构呈现出具有层次排列的针状α′马氏体特征。这种微观结构具有较高的硬度和强度，但韧性相对较低。在底部区域，经过多次热循环后，α′→α+β分解产生了片状α，破坏并取代了之前的α′，同时保留了α′马氏体的形态和结晶特征。这一微观结构的转变导致底部区域的硬度和强度有所降低，但韧性得到了一定程度的提高。

最后，随着热输入或热累积的增加，α板条源于扩散控制转变（β→α），而非马氏体分解。α+β结构包括从连续的GB-α（装饰前β晶界）开始平行生长的α板条群组成，同时在前β晶粒内形成篮织微结构。这种微观结构的变化进一步影响了材料的力学性能和物理性能，为根据具体应用需求定制材料性能提供了可能。

这项研究的通讯作者是郭宁，他是哈尔滨工业大学（威海）研究生处（学科办）处长，同时也是一位长聘教授和博士生导师。郭宁教授主要从事极端环境焊接/增材制造、特种焊接技术与装备的研究工作，是中国材料研究学会青年工作委员会理事、中国机械工程学会表面工程分会委员、中国焊接学会计算机辅助焊接工程专业委员会委员、中国航海学会救助打捞专业委员会委员。他曾荣获山东省泰山学者青年专家，“十二五”机械工业先进科技工作者等荣誉称号。郭宁教授及其团队的研究工作为水下送丝激光增材制造技术的发展和应用奠定了坚实的基础，也为海洋工程领域的技术进步做出了重要贡献。

哈尔滨工业大学与山东船舶技术研究院的这项研究成果为海洋工程装备的原位维护和应急修复提供了一种创新的、高效的解决方案。通过对水下送丝激光增材制造技术的深入研究和优化，不仅提高了修复部件的质量和性能，还为海洋工程领域的可持续发展提供了有力的技术支持。相信在未来，这一技术将在海洋工程及其他相关领域得到更广泛的应用，为人类在海洋领域的探索和发展保驾护航。