【深度】超声波金属快速增材制造成形机理研究进展

1 前言

近年来，在金属超声波固结（Ultrasonic Consolidation，UC）成形技术基础上发展起来的超声波增材制造（Ultra sonic Additive Manufacturing，UAM）技术引起了国内外的普遍关注。UAM 技术采用大功率超声能量，以金属箔材为原材料，利用金属层与层振动摩擦产生的热量，使材料局部发生剧烈的塑性变形，从而达到原子间的物理冶金结合，实现同种或异种金属材料间固态连接的一种特殊方法。超声波金属快速固结成形的基础上， 结合数控铣削等工艺，可实现超声波增材成形与智能制造一体化。与现有高能三束（激光、粒子束和等离子束）增材快速成形与制造技术相比，UAM 技术具有温度低、变形、速度快、绿色环保等优点，适合于复杂叠层零部件成形、加工一体化智能制造，是一种新型的增材制造3D打印技术。

目前，该技术已成功地应用于同种和异种金属层状复合材料、纤维增强复合材料、梯度功能复合材料与结构、智能材料与结构的制造。此外，超声波固结成形技术还被应用于电子封装结构、航空零部件、热交换器、金属蜂窝板结构等复杂内腔结构零部件的制造，在航空航天、国防、能源、交通等尖端支柱领域有着重要的应用前景。

UAM 技术的基础是超声波金属叠层材料的快速固结成形，实际上这是一种大功率超声波金属焊接过程。金属连接成形过程中既不需向工件输送电流，也不用向工件施以高温热源，只需在静压力作用之下，将弹性振动能量转换为工件界面间的摩擦功、形变能及有限的温升，使固结区域的金属原子瞬间被激活，通过金属塑性变形过程中界面处的原子相互扩散渗透，实现金属间的固态连接。金属超声波焊接类似于摩擦焊，但其焊接时间很短，局部焊接区温度低于金属的再结晶温度，并且与压力焊相比，其所需施加的静压力小得多。迄今为止，超声波固结成形的物理冶金机制还不是很清楚，仍然是超声波快速增材制造技术研究的热点问题。本文简要介绍了超声波固结成形技术在金属叠层复合材料制备领域的应用，着重分析了超声波金属界面快速成形机理和界面性能表征技术方面的研究进展，针对目前的研究现状，提出了将来需要深入研究的内容。

2 超声波固结成形工艺及其应用

超声波固结成形技术早期主要用于制备强度低、塑性好且易于冶金结合的同种金属叠层材料体系， 如铝箔（Al3003、Al6061 等）。随着超声波装备中关键部件换能器技术的发展，超声波固结功率从3 ～ 4 kW 提升至9 kW， 使其成形能力进一步提高，该技术逐渐被应用于制备强度高的同种或异种金属叠层材料，如退火316L、Cu／ Cu 、Ti／ Al 、Al／ Cu等。

迄今为止，人们在超声波固结同种金属叠层材的制备工艺优化方面已经做了大量的工作，如英国拉夫堡大学Kong 等［对固结后的叠层Al3003 试样进行搭接剪切试验和剥离试验测量其界面结合强度，并通过界面微观分析计算了界面的线结合密度（Linear Weld Density，LWD，表示结合区在界面中占的比例，是表征界面结合质量非常重要的参数），确定了超声波固结成形制备叠层Al3003 的最优工艺参数窗口，要求振幅范围8．4 ～14．3 μm，施加应力范围0．172 ～ 0．276 MPa，固结速度不超过34．5 mm／ s。Kong 等还研究了超声波固结成形制备叠层Al6061 的最优工艺参数，也得出了其最优工艺参数窗口，要求振幅范围10．4 ～ 14．3 μm，施加应力范围0．207 ～0．276 MPa，固结速度范围27．8 ～ 38．8 mm／ s。

美国俄亥俄州州立大学利用Solidica 公司的超声波固结设备制备了叠层Al3003 并对叠层材料进行系列研究，得出制备叠层Al3003 的最优工艺参数为：每道预固结参数要求压力350 N，振幅                              

由于超声波固结成形技术具有低温制备的优点，此技术不仅应用于制备同种或异种金属叠层材料，而且在纤维增强叠层金属复合材料以及智能复合材料与结构等方面也获得了应用。人们尝试在叠层复合材料层间加入纤维来增强叠层材料的性能。Yang 等利用超声波固结成形技术在叠层Al／ Al 材料层间成功加入了SiC 纤维，表征了纤维与基体结合的微观界面形貌， 同时还通过纤维拔出试验测得了纤维与基体界面的结合强度，从而确定了在叠层Al／ Al 材料层间加入SiC 纤维的最优工艺参数，要求压力1700 N， 振幅20 μm， 固结速度34 mm／ s，基板预热温度149 ℃。另外，Kong 等人将光学纤维和形状记忆合金（SMA）纤维埋入铝合金层间，通过超声波固结成形技术制造金属基智能复合材料，结果表明，通过合理的固结参数可以将易破碎的光学纤维和形状记忆合金纤维埋入铝合金薄片之间，且没有出现明显的变形与损坏。通过纤维拔出试验发现在设定的参数范围内，施加应力为0．207 MPa，振幅为6．8 μm， 固结速度为27．8 mm／ s 时，纤维与基体的结合强度最大。

综上所述，超声波固结成形的工艺参数包括很多，例如，施加的静压力、超声波振幅、超声波压头的固结速度、压头表面粗糙度及基板预热温度等。但是在超声波固结成形技术制备金属叠层材料的过程中，所施加的静压力、超声波振幅以及超声波压头的固结速度是影响叠层材料成形能力的最主要的参数，要想获得结合性能优异的叠层材料，需要深入研究三者之间的协同关系，使其达到最优组合。

3 摇超声波金属界面固结成形机理

3．1 摇金属叠层界面及近界面区微观特征

基于已经形成的系列超声波固结金属箔材的最优工艺参数，研究发现超声波固结金属箔材与基板界面和固结压头与金属箔材界面微观结构受固结工艺影响，但其微观结构则主要受超声波能量影响。而固结试样界面微观结构包含4个特征区：连续氧化层区、非连续氧化层区、微孔和金属箔材结合区（见图1）。在固结过程中未去除箔材表面氧化物及被超声波打碎的氧化物分散在层间而形成了连续和非连续氧化层区。Bakavos 和Prangnell利用扫描电镜研究了超声波固结试样界面的微观结构，发现金属箔材表面氧化层在固结过程中会成为碎片状氧化物而分散在界面。而微孔是由于超声波压头表面纹路转移至金属箔材表面后，在后续固结过程中超声波能量不足以使箔材表面纹路压合而形成（见图2）。

微孔和氧化层的存在将严重影响界面结合强度，因此合理选择固结工艺参数及去除箔材表面氧化层工序至关重要。金属箔材结合区界面一般为直形界面（部分反应）和波形界面（冶金结合）。波形界面区是由于界面及近界面区材料严重塑性变形而引起的动态再结晶形成的等轴晶区，为理想结合界面；而界面及近界面区材料塑性变形和流动形成了直形界面，但其界面处无再结晶发生，为机械结合。Dehoff 等进一步研究了利用超声波固结成形技术制备的叠层Al3003 材料的界面微观结构，除在箔材界面处发现再结晶现象和大量位错存在外，还在界面区的微孔附近发现纳米晶（见图3），认为在超声波固结过程中界面区部分铝可能存在熔化现象。Sriraman等以振幅36 μm、压力6．7 kN、固结速度30 mm／ s 的参数，利用超声波固结技术成功制备了叠层铜C11000 材料，通过EBSD 技术分析了界面织构，发现在固结过程中界面区材料发生了再结晶，形成冶金结合，并且结合超声波固结过程中的绝热效应和热软化效应计算出了此过程中铜箔的真实温度，该温度正好处于铜的再结晶温度区间，与界面织构分析结果一致。Ramet 等 则利用超声波固结技术成功制备了叠层Al3003／ Cu10 复合材料，并对叠层Al3003／ Cu10 复合材料界面进一步研究，发现界面无金属间化合物生成。而Friel 等对超声波固结技术制备的叠层Al3003 H－18 材料的界面纹路效应进行了研究，发现压头表面纹路能否有效转移至固结材料表面与材料的刚度有关，由此得出合理设计压头表面纹路可有效提高界面结合强度，甚至还可固结高密度、高强度材料。