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*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*优工艺参数，也得出了其*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*优工艺参数为：每道预固结参数要求压力350 N，振幅12μm，固结速度59.3 mm/ s;每道固结参数要求压力1150 N，振幅17 μm，固结速度42.3 mm/ s。美国犹他州州立大学Gonzalez 等则研究了超声波固结成形技术制备叠层101.6 μm 厚的退火316L 不锈钢的*优工艺参数。以压力、振幅和固结速度为水平因素进行正交试验，以线结合密度为评估标准，通过方差分析(ANOVA)，得出制备叠层退火316L 不锈钢的*优工艺参数为压力1800 N，振幅27μm，固结速度11 mm/ s。

　　由以上分析可知，不同的研究机构获得的制备同种金属叠层材料的成形工艺参数与所使用的设备存在很大关系， 获得的*优工艺参数之间的参考性有待商榷。随着超声波固结成形技术逐渐被应用于制备异种金属叠层复合材料体系和较高强度叠层材料体系，如Ti/Al、Al/ Cu等的研究引起了人们的重视。美国俄亥俄州州立大学Hopkins 等[利用超声波固结成形技术成功制备叠层Ti/ Al 复合材料，并对其力学性能和界面特征进行统计学表征，结果显示当压力为1500 N、振幅为30 μm、固结速度为42 mm/ s 时，叠层Ti/ Al 复合材料的力学性能*优。