科學家證實超聲波3D打印鋁部件，采用預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）中強化預處理鋁的問題,。

△鋁材示意圖

該研究由田納西大學,、俄亥俄州立大學、丹麥技術大學和橡樹嶺國家實驗室的科學家共同研究,。皆在探索預處理對超聲波3D打印鋁部件微觀結構的影響,，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打印技術背景
3D打印已成為21世紀的關鍵顛覆性技術之一。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,。在應用方向上，該技術可以廣泛用于工程結構,，例如新型冷卻通道,、強化復合材料和傳感器嵌入式結構等。

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,。此工藝不同于以往的3D打印熔融機制,，其超聲波驅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，并在壓力下瞬時結合形成新表面或選擇性去除不需要的材料，該技術的最大優(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查打印部件的粘合強度,�,？v向拉伸測試，可提供有關整體結構機械性能的最佳信息,。然而,，構建方向拉伸測試，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起著關鍵作用,。

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,，由于微孔的聚結而導致的脆性破壞,，從而導致孔洞的產(chǎn)生和開裂。一些研究人員觀察到與體積值相比,，構建強度降低,。

由于該工藝的高應變率塑性變形，超聲波3D打印會導致材料的顯著微觀結構變化,�,？梢孕纬牲c缺陷空位和位錯結構，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打印制造中預處理鋁的強化”（傳送門）

研究結果
該團隊對預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構演變和強化效果,。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)再結晶和恢復以及絕熱加熱導致微觀結構變化,，包括鋁晶格應變增加,、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、誘導塑性應變率和材料的內部應變能）來改變塑性變形率的大小,。

在初步研究超聲增材制造和預處理,，對機械強度性能和微觀結構演變的影響的同時，本文為未來的研究提供了深入的知識基礎,。

該論文得到了空軍國家實驗室和美國能源部等機構的資助,。