《增材制造》SCI一區(qū)：預(yù)處理可有效提高超聲波增材制造打印鋁的機(jī)械性能

導(dǎo)讀：超聲波增材制造技術(shù)是一種采用大功率超聲能量,，以金屬箔材作為原材料,，利用金屬層與層之間振動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量,，促進(jìn)界面間金屬原子相互擴(kuò)散并形成界面固態(tài)物理冶金結(jié)合,，從而實(shí)現(xiàn)金屬帶材逐層疊加的增材制造成形技術(shù),。超聲波增材制造逐步發(fā)展，可以對(duì)難以焊接的材料進(jìn)行加工制造,。但同時(shí)它會(huì)在零件界面處產(chǎn)生一些缺陷，降低零件的機(jī)械性能,。如何提高超聲波增材制造零件的機(jī)械性能,，一直是研究者們研究的重點(diǎn)。



2022年10月，南極熊獲悉,，來自田納西大學(xué),、俄亥俄州立大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究者們重點(diǎn)研究了預(yù)處理對(duì)超聲波增材制造的性能影響,。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了SCI 一區(qū)的期刊《增材制造》上,，題目為《Strengthening of Pretreated Aluminum During Ultrasonic Additive Manufacturing》。

超聲波增材制造
增材制造已成為 21 世紀(jì)的關(guān)鍵顛覆性技術(shù)之一,。與傳統(tǒng)制造方法相比,，它具有多種優(yōu)勢(shì)，包括自由形式設(shè)計(jì),、多材料打印能力,、低成本以及打印后沒有廢料等。在過去的幾十年中,，人們已經(jīng)開發(fā)了幾種增材制造方法,，包括材料擠出工藝、粘合劑噴射,、粉末床融合,、立體光刻、還原聚合和選擇性激光燒結(jié),。


△超聲波增材制造技術(shù)

近年來,，超聲波增材制造已成為使用難以焊接或異種材料生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的合適候選者。該方法可以加工的材料包括鋁鈦,、鋼鎳,、鎳鋁和鋁銅。此外,，超聲波增材制造可以生產(chǎn)工程結(jié)構(gòu),，例如新型冷卻通道、強(qiáng)化復(fù)合材料和傳感器嵌入式結(jié)構(gòu),。超聲波增材制造涉及使用超聲波焊接在相對(duì)較低的溫度下連接薄層壓層,。將新層焊接到先前沉積的層和/或選擇性去除不需要的材料會(huì)創(chuàng)建 3D 打印部件。

評(píng)估超聲波增材制造零件的機(jī)械性能
可以使用多種測(cè)試來評(píng)估使用超聲波增材制造方法生產(chǎn)的零件的機(jī)械性能,。這些包括拉伸測(cè)試,、剪切測(cè)試、納米壓痕測(cè)試和顯微硬度測(cè)試,。剪切測(cè)試通常用于初步調(diào)查打印部件的粘合強(qiáng)度,。縱向拉伸測(cè)試可提供有關(guān)整體結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的最佳信息,。然而,，構(gòu)建方向拉伸測(cè)試提供的信息并不多，因?yàn)樗鼈冎粶y(cè)試最薄弱的界面。

先前的研究表明,，在超聲波增材制造零件的界面處會(huì)產(chǎn)生微孔和剪切帶,。當(dāng)承受拉伸載荷時(shí)，這些”薄弱環(huán)節(jié)“可能會(huì)發(fā)生失效行為,，例如由于微孔的聚結(jié)而導(dǎo)致的脆性破壞,，從而導(dǎo)致孔洞的產(chǎn)生和開裂。

由于該工藝的高應(yīng)變率塑性變形,，超聲波增材制造會(huì)導(dǎo)致材料的顯著微觀結(jié)構(gòu)變化,，可以形成點(diǎn)缺陷空位和位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，一些研究表明,，與其他方法生產(chǎn)的零件相比,，焊縫的老化速度更快。盡管到目前為止,，還缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)來證實(shí)這一點(diǎn),。

研究?jī)?nèi)容
預(yù)處理可以對(duì)打印部件的機(jī)械性能產(chǎn)生積極影響，包括退火和 T4 回火,。它們可以對(duì)材料的熱機(jī)械能態(tài)產(chǎn)生影響,，產(chǎn)生能量有利的沉淀物。（該研究得到了空軍國家實(shí)驗(yàn)室和美國能源部等機(jī)構(gòu)的資助,。）

作者對(duì)預(yù)處理的鋁樣品進(jìn)行了 x 方向拉伸試驗(yàn),，揭示了這些部件的超聲增材制造的微觀結(jié)構(gòu)演變和強(qiáng)化效果。評(píng)估了 Al 6061 的回火T4和退火的條件,。拉伸測(cè)試結(jié)果表明,，粘合材料的強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。納米壓痕測(cè)試顯示粘合鋁部件中的箔-箔界面單片箔強(qiáng)得多,，整體強(qiáng)化是由鍵合材料界面區(qū)域的晶格變化引起的,。


△Al 6061 T4 UAM微結(jié)構(gòu)的SEM/EDS圖a）STEM HAADF圖像，b）鋁的EDS圖,，c）鎂的EDS圖,，d）硅的EDS圖，e）鐵的EDS圖,，f）錳的EDS圖,，g）鉻的EDS圖，h）氧的EDS圖,。


△T4 UAM制造的納米壓痕硬度圖

研究還觀察到了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和恢復(fù)過程以及絕熱加熱導(dǎo)致的微觀結(jié)構(gòu)變化,，包括鋁晶格應(yīng)變?cè)黾印�單空位合并成空位��,、點(diǎn)缺陷空位的產(chǎn)生以及印刷和粘合材料中的細(xì)化晶粒尺寸,。此外,，研究人員觀察到了Mg2Si沉淀物的鎂擴(kuò)散和溶解增強(qiáng)。

正如作者所指出的,，一個(gè)潛在的未來研究方向可能包括通過改變加工參數(shù)（如粘合溫度、誘導(dǎo)塑性應(yīng)變率和材料的內(nèi)部應(yīng)變能）來改變塑性變形率的大小,。在初步研究超聲增材制造和預(yù)處理對(duì)機(jī)械強(qiáng)度性能和微觀結(jié)構(gòu)演變的影響的同時(shí),，本文為未來的研究提供了深入的知識(shí)基礎(chǔ)。