科學(xué)家證實超聲波3D打印鋁部件，采用預(yù)處理可強化金屬機械強度

2022年10月27日,，南極熊獲悉,，一組科研人員開展了如何在超聲波3D打印（UAM）中強化預(yù)處理鋁的問題。

△鋁材示意圖

該研究由田納西大學(xué),、俄亥俄州立大學(xué),、丹麥技術(shù)大學(xué)和橡樹嶺國家實驗室的科學(xué)家共同研究。皆在探索預(yù)處理對超聲波3D打印鋁部件微觀結(jié)構(gòu)的影響,，包括退火和T4回火,。它們可以對材料的熱機械能態(tài)產(chǎn)生影響，產(chǎn)生能量有利的沉淀物,。

△該研究表明,，鋁(Al 6061)在通過超聲波3D打印鍵合之前，通過回火和退火進行預(yù)處理,，冶金的機械強度特征會增加而不是降低

超聲波3D打印技術(shù)背景
3D打印已成為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,，包括自由形式設(shè)計,、多材料打印能力、低成本以及施工后沒有廢料,。

在過去的幾十年中,，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)等,。

近年來，超聲波3D打印針對難以焊接或異種材料生產(chǎn)具有很強的技術(shù)優(yōu)勢,，該方法可以加工的材料包括鋁鈦,、鋼鎳、鎳鋁和鋁銅,。在應(yīng)用方向上,，該技術(shù)可以廣泛用于工程結(jié)構(gòu)，例如新型冷卻通道,、強化復(fù)合材料和傳感器嵌入式結(jié)構(gòu)等。

超聲波3D打印是一種基于傳統(tǒng)加工工藝“超聲波焊接”的技術(shù),。此工藝不同于以往的3D打印熔融機制,，其超聲波驅(qū)動器對箔施加超聲波振動，產(chǎn)生的震動摩擦去除表面氧化物和污染物,，同時新的薄片填平原來表面的粗糙,，并在壓力下瞬時結(jié)合形成新表面或選擇性去除不需要的材料，該技術(shù)的最大優(yōu)勢是在低溫下就可以進行金屬3D打印。

△由Fabrisonic 開發(fā)的混合加減法SonicLayer 4000 UAM 3D打印系統(tǒng)

評估超聲波3D打印零件的機械性能
可以使用多種測試方法,，來評估該技術(shù)制造的零件機械性能,。這些包括拉伸測試、剪切測試,、納米壓痕測試和顯微硬度測試,。

剪切測試通常用于初步調(diào)查打印部件的粘合強度�,？v向拉伸測試,，可提供有關(guān)整體結(jié)構(gòu)機械性能的最佳信息。然而,，構(gòu)建方向拉伸測試,，不提供比初始剪切測試更多的信息，因為它們只測試最薄弱的界面,。

有限元模型也被用于研究,，揭示了施加的塑性變形與位錯密度增加之間的關(guān)系。這種變形作用細化了打印材料中的晶粒尺寸,。研究表明,，打印界面處的納米級空隙可以潛在地提高材料的強度，其中分散的位錯阻擋效應(yīng)起著關(guān)鍵作用,。

根據(jù)先前的研究表明,，在超聲波3D打印零件時界面處會產(chǎn)生微孔和剪切帶。當(dāng)承受拉伸載荷時,，界面可能會發(fā)生負面行為,，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,。一些研究人員觀察到與體積值相比，構(gòu)建強度降低,。

由于該工藝的高應(yīng)變率塑性變形,，超聲波3D打印會導(dǎo)致材料的顯著微觀結(jié)構(gòu)變化�,？梢孕纬牲c缺陷空位和位錯結(jié)構(gòu),，盡管到目前為止，還缺乏實驗證據(jù)來證實這一點,。但是一些研究表明,，與其他方法生產(chǎn)的零件相比，焊縫的老化速度更快,。

△該研究成果已發(fā)表在sciencedirect,，題目為“超聲波3D打印制造中預(yù)處理鋁的強化”（傳送門）

研究結(jié)果
該團隊對預(yù)處理的鋁樣品進行了滾動x方向拉伸試驗,，揭示了這些部件的超聲增材制造的微觀結(jié)構(gòu)演變和強化效果。評估了Al 6061的回火T4和退火O條件,。

根據(jù)拉伸測試結(jié)果表明,，粘合材料的強度顯著增強，納米壓痕測試顯示粘合鋁部件中的箔界面比散裝箔強得多,。整體強化是由鍵合材料界面區(qū)域的晶格變化引起的,。

動態(tài)再結(jié)晶和恢復(fù)以及絕熱加熱導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)變化，包括鋁晶格應(yīng)變增加,、單空位合并成空位簇,、點缺陷空位的產(chǎn)生以及印刷和粘合材料中的細化晶粒尺寸。此外,，觀察到Mg 2 Si 沉淀物的鎂擴散和溶解增強,。

正如該團隊所指出的，一個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,，對機械強度性能和微觀結(jié)構(gòu)演變的影響的同時,，本文為未來的研究提供了深入的知識基礎(chǔ)。

該論文得到了空軍國家實驗室和美國能源部等機構(gòu)的資助,。