哈爾濱工程大學(xué)教授姜風(fēng)春：大功率超聲能場在快速成形制造中的應(yīng)用

2019年9月19-21日,，IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇將在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打�,。┛萍紕�(chuàng)新的開放合作共享交流平臺,，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打印）領(lǐng)域成果及人才,，促進行業(yè)各環(huán)節(jié),、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體,，到西安現(xiàn)場全程報道。

2019年9月 20 日“增材制造工藝與裝備論壇”,，哈爾濱工程大學(xué)教授姜風(fēng)春做了主題是《大功率超聲能場在快速成形制造中的應(yīng)用》的報告,。

下面是現(xiàn)場速記：

非常感謝有這樣一個平臺跟大家一起交流，超聲能場在快速成形制造中的發(fā)展趨勢,。上面幾個報告主要是金屬增材制造,，我們知道金屬增材制造面臨的挑戰(zhàn)或者瓶頸，我們跟高分子材料和生物醫(yī)療方面相比發(fā)展比較慢的原因,，成本高,，成形效率低，零部件的力學(xué)性能差等,，在座的各位就是要解決這些瓶頸,，克服這些技術(shù)瓶頸,。

一、大功率超聲能場與快速固結(jié)成形

什么是超聲波,？這也是一種能量,，通電可以振動，這是傳統(tǒng)的超聲波裝置,，應(yīng)用很廣,。我們知道的有B超、彩超等,，我們在用到超聲波的時候,，干擾結(jié)晶，細化晶粒,。真正把它工業(yè)化是前蘇聯(lián),，我們國家從九幾年開始了這方面的工作。這個設(shè)備很簡單,，不超過20恩萬塊錢,，全國有不少于300臺，那么怎么和我們的增材制造結(jié)合起來,，只要拿到就可以改進力學(xué)性能,。因為它功率比較低，在薄板焊接方面用的比較多,。后來美國在90年代時,，它把兩個換能器連接在一起，這兩個換能器相位正好差180度,，功率疊加在一起可以用來成形加工,，這是雙換能器技術(shù)。

超聲波固結(jié)成形原理,，在一定的壓力和有限溫升條件下,，利用超聲波的能量將金屬板焊接在一起，是一種低溫快速固結(jié)成形技術(shù),。很多技術(shù)都可以,，這個圖是5×4界面的，它的優(yōu)點可以看到低溫,，沒有熔化,，這是美國2013年造出來的一體化設(shè)備，大家看一看這個視頻,。大家可能有朋友會問,，為什么不直接用鋁合金呢？效率高,、成本低,，大家看看它的奧秘在哪里,？它可以把一種金屬甚至金屬和陶瓷，把傳感器,、把連接纖維放進去,。右下角這個鋁合金的航空零部件，是幾種鋁合金放在一起進行,，常規(guī)的鑄造熔煉都做不到,。這個是智能法蘭盤，采用傳統(tǒng)澆鑄的方法傳感器肯定會遭到破壞,，所以這個進行物理成形,，可以把傳感器放進去。這只可以做大面積的板狀,，復(fù)雜的形狀是做不了的,。

二、超聲能場快速成形基礎(chǔ)科學(xué)問題

因為裝備設(shè)置到航空國防領(lǐng)域,，國內(nèi)上沒有這樣的設(shè)備,，國際上也不對外賣，要做這樣基礎(chǔ)的研究,，我們做了這樣一臺設(shè)備,。我們把微型的熱電爐放在里面測它的溫度，最高溫度70多度,，當(dāng)然跟正負荷壓力有關(guān)系,，溫度非常低。比如銅和鈦很難復(fù)合在一起,，通過鋁的過渡可以把兩者結(jié)合在一起,。超聲波固結(jié)以后我們再進行燒結(jié)，也可以把鈦鋁直接燒結(jié),，通過超聲波固結(jié)以后再燒結(jié),，三個小時基本上殘余的鋁就沒有了，如果直接燒的話時間會很長,。這是我們做的對比,，有UC就反映的速度非常快,，超聲波是一種能量，給界面輸入了能量,，在最后反應(yīng)的過程中加速了反應(yīng),。這是我們做的界面的一些結(jié)果，除了把超聲波研究明白以后,，比如鈦合金超過0.3毫米就很難固結(jié)在一起,，還要預(yù)熱,。這里面我們研究了超聲+功能脈沖電流的變化，隨著脈沖電廠強度的增加,，擴散層明顯增加,，增加了三倍，加速原子擴散,。同時把纖維放了進去,。我們利用這個工藝把連續(xù)纖維放進去，纖維都是幾百根,，無論是碳纖維,，我們用超聲波的方法均勻的分散開，依靠這個技術(shù)把纖維均勻分散開,，同時引入到復(fù)合材料里面去,，經(jīng)過疊層燒結(jié)，把高性能纖維引到材料里面去,，這是它的應(yīng)用,。

我們研究它的科學(xué)原理，進行剝離試驗,，在正負28的時候再增加到30的時候,，突然出現(xiàn)一個質(zhì)的變化，這里面蘊含著科學(xué)道理,，發(fā)生了質(zhì)的變化,，我們就要采用現(xiàn)代的材料科學(xué)表征手段，對界面進行表征,，發(fā)現(xiàn)擴散曲線是不一樣的,，上面是28抖動非常厲害，下面的曲線很光滑,，當(dāng)然它的擴散也不一樣,。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在他們的層界面上，靠近鋁箔方面有一種非晶和納米晶形成的連續(xù)混合條帶,。這是有利于界面結(jié)合的,，或者提高界面性能的，在超聲的擴散下,，形成了一個分晶層,，這個形成的混合條帶把鈦和鋁融在了一起。結(jié)果表征出來,，鋁箔不像我們表面處理掉酸洗,，鋁箔很容易形成氧化物，超聲波穿透打碎，均勻分散在界面上,，形成了良好的結(jié)果,。

三、超聲能場輔助金屬增材制造技術(shù)

零部件的力學(xué)性能比較差主要是由于是鑄造組織,，達不到鍛件的水平,。我們在線處理的手段，包括滾軋,，都是為了組織和缺陷的問題,，超聲波也有這樣的功能。后處理方法有很多,，做金屬增材制造的都知道熱等靜壓小零件是可以的,，950度放在爐子里面，性能很好,。但是如果是十幾噸十幾米的大零件怎么辦,？也做這樣一個大熔爐要投資幾十億，造價非常昂貴,。所以對大件熱等靜壓的技術(shù)是受限制的,。滾壓扎制也有這樣的問題。鈦合金50千米是125,，75千米的是89,，壓力非常大，幾毫米的薄配件,，這么大的壓力肯定是不行的,，這適合大尺寸實心的零件，所以這個方法有一定的局限性,。這個設(shè)備目前國內(nèi)外用了很多,，并且陸續(xù)發(fā)了一些專利。

剛才我提到了超聲,，這是一個很好的方法,，傳統(tǒng)的超聲，市面上賣的那些設(shè)備,，大家看上面三個頭是可以拿出來,，前面幻燈器連在一起，這個頭是分級的,，只有幾百個赫茲,，所以國內(nèi)南方大學(xué)一個教授研究，不用超聲波,，自己做一個頭也達到機械頻率,，結(jié)果果然驗證作用是一樣的,。所謂的超聲波根本不是超聲的頻率,，是機械頻率,，只是用超聲波那個換能器作為振源，同樣可以用機械的作用產(chǎn)生幾百赫茲的振動也是可以的,。

超聲波技術(shù)在最近幾年是比較看好的,，這是我們做的工作，我們做的工作是把沖擊針和換能器連在一起,，不再分級,，不再是機械振動。但是這里面有一些難度,，我們以這個為基礎(chǔ)把它應(yīng)用到增材制造中,。這是為了驗證超聲波的作用做了實驗平臺。我們用這個實驗平臺驗證超聲波做的效果,，我們看A和D對照,，A在左上腳，這有很多的缺陷,，有沖擊和沒有沖擊的很明顯,，這種沖擊最后實現(xiàn)在表面發(fā)生了形變強化。這是晶粒的情況,，這是一個實驗結(jié)果,。殘余應(yīng)力，沒有沖擊的是拉應(yīng)力,，有沖擊的是壓應(yīng)力,，剛才的結(jié)果是一毫米左右，我們這個是1.5毫米左右,，跟材料是有關(guān)系的,。我們?nèi)绻�把這個控制在1.5毫米左右，每一層都可以穿透,，都提出殘余應(yīng)力,，把拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力。

我們發(fā)現(xiàn)沖擊過程當(dāng)中發(fā)生了相變,，奧氏體含量的變化趨勢,，因為相變是超聲誘發(fā)馬氏體相變，反正低沖都有變形和應(yīng)力,。鈦性復(fù)合材料是非常難成形的,，我們經(jīng)過這樣處理以后組織非常均勻。超聲沖擊頭離前面的熔池這是很重要的影響因素,。超聲波的距離離的越近沖擊的溫度越高,，這是我們做的實驗，十毫米的時候這是888度，這個是很簡單的,，隨著距離的增加溫度越來越低,，我們在不同的點沖擊，這里面發(fā)生的組織性能變化是不一樣的,，大家看一下右下角這個圖,，藍的是離的很近的，十毫米的,，上面是10,、20、30,，為什么越近它的硬度越低,，是因為10毫米是888度，沖擊的時候發(fā)生了再冶晶,。這個工作我們現(xiàn)在正在做,。

我們還做了一個項目，俄羅斯在高能脈沖上做了一些工作,，希望這個能解決鈦級復(fù)合材料的問題,。剛剛很多報告提到了增減材，這個方面將來的市場很大,，有可能跟數(shù)控機床平分市場,，我們提前做一些項目，當(dāng)然我們做的是大型的,，而不是搖籃式的數(shù)控機床加工上的增材,。那個承受能力很差，這些都是我們正在做的項目,。這是非晶涂層技術(shù),，非晶在過程中容易晶化，性能就大幅度下降,，所以我們要采用超高速激光熔覆,，超聲干擾結(jié)晶，就要變成非晶,。還有激光光內(nèi)送粉快速加熱,，這都是我們做的工作。我們的工作得到了國家科技部,、國家自然科學(xué)基金委的幫助,，也感謝我的團隊。

謝謝各位,！