超聲波金屬快速增材制造成形機理研究進(jìn)展

焦飛飛，楊 勇，李 鵬，陸子川，果春煥，姜風(fēng)春

(1.哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，超輕材料與表面技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)(2.駐江南造船集團有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913)

超聲波金屬快速增材制造成形機理研究進(jìn)展

焦飛飛1，楊 勇2，李 鵬1，陸子川1，果春煥1，姜風(fēng)春1

(1.哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，超輕材料與表面技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)(2.駐江南造船集團有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913)

為了克服現(xiàn)有的高能束金屬快速成形與制造工藝的局限性，近年來人們發(fā)展了超聲波金屬疊層結(jié)構(gòu)快速固結(jié)成形與制造的技術(shù)，該技術(shù)采用大功率超聲能量，以金屬箔材為原材料，利用金屬層間振動摩擦產(chǎn)生的熱量，促進(jìn)層間金屬原子相互擴散和形成固態(tài)物理冶金結(jié)合的界面，且具有溫度低、變形小、速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點，適合于復(fù)雜疊層零部件成形、加工一體化智能制造，是一種新型的增材制造3D打印技術(shù)。簡要介紹了超聲波金屬疊層結(jié)構(gòu)快速固結(jié)成形與制造這一先進(jìn)增材制造技術(shù)的應(yīng)用，主要綜述了現(xiàn)有的Al/Al、Cu/Cu、Ti/Al等同種和異種金屬疊層系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化方面的研究成果，著重分析了超聲波固結(jié)成形金屬物理冶金的微觀機理和界面性能的表征技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，針對目前超聲波金屬固結(jié)成形機理研究的現(xiàn)狀提出了有待深入研究的內(nèi)容。

超聲波固結(jié)；金屬疊層復(fù)合材料；增材制造；界面性能；成形機理

1 前 言

近年來，在金屬超聲波固結(jié)(Ultrasonic Consolidation, UC)成形技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的超聲波增材制造(Ultrasonic Additive Manufacturing, UAM)技術(shù)引起了國內(nèi)外的普遍關(guān)注。UAM技術(shù)采用大功率超聲能量，以金屬箔材為原材料，利用金屬層與層振動摩擦產(chǎn)生的熱量，使材料局部發(fā)生劇烈的塑性變形，從而達(dá)到原子間的物理冶金結(jié)合，實現(xiàn)同種或異種金屬材料間固態(tài)連接的一種特殊方法[1-3]。在超聲波金屬快速固結(jié)成形的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)控銑削等工藝，可實現(xiàn)超聲波增材成形與智能制造一體化。與現(xiàn)有高能三束(激光、粒子束和等離子束)增材快速成形與制造技術(shù)相比，UAM技術(shù)具有溫度低、小變形、速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點，適合于復(fù)雜疊層零部件成形、加工一體化智能制造，是一種新型的增材制造3D打印技術(shù)。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用于同種[4-11]和異種[12,13]金屬層狀復(fù)合材料、纖維增強復(fù)合材料[5,14-18]、梯度功能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)[19,20]、智能材料與結(jié)構(gòu)[21-23]的制造。此外，超聲波固結(jié)成形技術(shù)還被應(yīng)用于電子封裝結(jié)構(gòu)、航空零部件、熱交換器、金屬蜂窩板結(jié)構(gòu)等復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)零部件的制造[23-25]，在航空航天、國防、能源、交通等尖端支柱領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

UAM技術(shù)的基礎(chǔ)是超聲波金屬疊層材料的快速固結(jié)成形，實際上這是一種大功率超聲波金屬焊接過程。金屬連接成形過程中既不需向工件輸送電流，也不用向工件施以高溫?zé)嵩矗恍柙陟o壓力作用之下，將彈性振動能量轉(zhuǎn)換為工件界面間的摩擦功、形變能及有限的溫升，使固結(jié)區(qū)域的金屬原子瞬間被激活，通過金屬塑性變形過程中界面處的原子相互擴散滲透，實現(xiàn)金屬間的固態(tài)連接。金屬超聲波焊接類似于摩擦焊，但其焊接時間很短，局部焊接區(qū)溫度低于金屬的再結(jié)晶溫度，并且與壓力焊相比，其所需施加的靜壓力小得多。迄今為止，超聲波固結(jié)成形的物理冶金機制還不是很清楚，仍然是超聲波快速增材制造技術(shù)研究的熱點問題。本文簡要介紹了超聲波固結(jié)成形技術(shù)在金屬疊層復(fù)合材料制備領(lǐng)域的應(yīng)用，著重分析了超聲波金屬界面快速成形機理和界面性能表征技術(shù)方面的研究進(jìn)展，針對目前的研究現(xiàn)狀，提出了將來需要深入研究的內(nèi)容。

2 超聲波固結(jié)成形工藝及其應(yīng)用

超聲波固結(jié)成形技術(shù)早期主要用于制備強度低、塑性好且易于冶金結(jié)合的同種金屬疊層材料體系，如鋁箔(Al3003、Al6061等)[10,26,27]。隨著超聲波裝備中關(guān)鍵部件換能器技術(shù)的發(fā)展，超聲波固結(jié)功率從3～4 kW提升至9 kW，使其成形能力進(jìn)一步提高，該技術(shù)逐漸被應(yīng)用于制備強度高的同種或異種金屬疊層材料，如退火316L[11]、Cu/Cu[28]、Ti/Al[12,29]、Al/Cu[30,31]等。

迄今為止，人們在超聲波固結(jié)同種金屬疊層材料的制備工藝優(yōu)化方面已經(jīng)做了大量的工作，如英國拉夫堡大學(xué)Kong等[26]對固結(jié)后的疊層Al3003試樣進(jìn)行搭接剪切試驗和剝離試驗測量其界面結(jié)合強度，并通過界面微觀分析計算了界面的線結(jié)合密度(Linear Weld Density，LWD，表示結(jié)合區(qū)在界面中占的比例，是表征界面結(jié)合質(zhì)量非常重要的參數(shù))，確定了超聲波固結(jié)成形制備疊層Al3003的最優(yōu)工藝參數(shù)窗口，要求振幅范圍8.4～14.3 μm，施加應(yīng)力范圍0.172～0.276 MPa，固結(jié)速度不超過34.5 mm/s。Kong等[10]還研究了超聲波固結(jié)成形制備疊層Al6061的最優(yōu)工藝參數(shù)，也得出了其最優(yōu)工藝參數(shù)窗口，要求振幅范圍10.4～14.3 μm，施加應(yīng)力范圍0.207～0.276 MPa，固結(jié)速度范圍27.8～38.8 mm/s。美國俄亥俄州州立大學(xué)利用Solidica公司的超聲波固結(jié)設(shè)備制備了疊層Al3003并對疊層材料進(jìn)行系列研究，得出制備疊層Al3003的最優(yōu)工藝參數(shù)為：每道預(yù)固結(jié)參數(shù)要求壓力350 N，振幅12 μm，固結(jié)速度59.3 mm/s；每道固結(jié)參數(shù)要求壓力1150 N，振幅17 μm，固結(jié)速度42.3 mm/s[4]。美國猶他州州立大學(xué)Gonzalez等[11]則研究了超聲波固結(jié)成形技術(shù)制備疊層101.6 μm厚的退火316L不銹鋼的最優(yōu)工藝參數(shù)。以壓力、振幅和固結(jié)速度為水平因素進(jìn)行正交試驗，以線結(jié)合密度為評估標(biāo)準(zhǔn)，通過方差分析(ANOVA)，得出制備疊層退火316L不銹鋼的最優(yōu)工藝參數(shù)為壓力1800 N，振幅27 μm，固結(jié)速度11 mm/s。由以上分析可知，不同的研究機構(gòu)獲得的制備同種金屬疊層材料的成形工藝參數(shù)與所使用的設(shè)備存在很大關(guān)系，獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)之間的參考性有待商榷。隨著超聲波固結(jié)成形技術(shù)逐漸被應(yīng)用于制備異種金屬疊層復(fù)合材料體系和較高強度疊層材料體系，如Ti/Al[12,29]、Al/Cu[30,31]等的研究引起了人們的重視。美國俄亥俄州州立大學(xué)Hopkins等[29]利用超聲波固結(jié)成形技術(shù)成功制備疊層Ti/Al復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能和界面特征進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)表征，結(jié)果顯示當(dāng)壓力為1500 N、振幅為30 μm、固結(jié)速度為42 mm/s時，疊層Ti/Al復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu)。

由于超聲波固結(jié)成形技術(shù)具有低溫制備的優(yōu)點，此技術(shù)不僅應(yīng)用于制備同種或異種金屬疊層材料，而且在纖維增強疊層金屬復(fù)合材料以及智能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)等方面也獲得了應(yīng)用。人們嘗試在疊層復(fù)合材料層間加入纖維來增強疊層材料的性能。Yang等[16]利用超聲波固結(jié)成形技術(shù)在疊層Al/Al材料層間成功加入了SiC纖維，表征了纖維與基體結(jié)合的微觀界面形貌，同時還通過纖維拔出試驗測得了纖維與基體界面的結(jié)合強度，從而確定了在疊層Al/Al材料層間加入SiC纖維的最優(yōu)工藝參數(shù)，要求壓力1700 N，振幅20 μm，固結(jié)速度34 mm/s，基板預(yù)熱溫度149 ℃。另外，Kong等人[21]將光學(xué)纖維和形狀記憶合金(SMA)纖維埋入鋁合金層間，通過超聲波固結(jié)成形技術(shù)制造金屬基智能復(fù)合材料，結(jié)果表明，通過合理的固結(jié)參數(shù)可以將易破碎的光學(xué)纖維和形狀記憶合金纖維埋入鋁合金薄片之間，且沒有出現(xiàn)明顯的變形與損壞。通過纖維拔出試驗發(fā)現(xiàn)在設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)，施加應(yīng)力為0.207 MPa，振幅為6.8 μm，固結(jié)速度為27.8 mm/s時，纖維與基體的結(jié)合強度最大。

綜上所述，超聲波固結(jié)成形的工藝參數(shù)包括很多，例如，施加的靜壓力、超聲波振幅、超聲波壓頭的固結(jié)速度、壓頭表面粗糙度及基板預(yù)熱溫度等。但是在超聲波固結(jié)成形技術(shù)制備金屬疊層材料的過程中，所施加的靜壓力、超聲波振幅以及超聲波壓頭的固結(jié)速度是影響疊層材料成形能力的最主要的參數(shù)，要想獲得結(jié)合性能優(yōu)異的疊層材料，需要深入研究三者之間的協(xié)同關(guān)系，使其達(dá)到最優(yōu)組合。

3 超聲波金屬界面固結(jié)成形機理

3.1 金屬疊層界面及近界面區(qū)微觀特征

基于已經(jīng)形成的系列超聲波固結(jié)金屬箔材的最優(yōu)工藝參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)超聲波固結(jié)金屬箔材與基板界面和固結(jié)壓頭與金屬箔材界面微觀結(jié)構(gòu)受固結(jié)工藝影響，但其微觀結(jié)構(gòu)則主要受超聲波能量影響[28]。而固結(jié)試樣界面微觀結(jié)構(gòu)包含4個特征區(qū)：連續(xù)氧化層區(qū)、非連續(xù)氧化層區(qū)、微孔和金屬箔材結(jié)合區(qū)(見圖1[28])。在固結(jié)過程中未去除箔材表面氧化物及被超聲波打碎的氧化物分散在層間而形成了連續(xù)和非連續(xù)氧化層區(qū)。Bakavos和Prangnell[32]利用掃描電鏡研究了超聲波固結(jié)試樣界面的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)金屬箔材表面氧化層在固結(jié)過程中會成為碎片狀氧化物而分散在界面。而微孔是由于超聲波壓頭表面紋路轉(zhuǎn)移至金屬箔材表面后，在后續(xù)固結(jié)過程中超聲波能量不足以使箔材表面紋路壓合而形成(見圖2)[6]。微孔和氧化層的存在將嚴(yán)重影響界面結(jié)合強度，因此合理選擇固結(jié)工藝參數(shù)及去除箔材表面氧化層工序至關(guān)重要。金屬箔材結(jié)合區(qū)界面一般為直形界面(部分反應(yīng))和波形界面(冶金結(jié)合)。波形界面區(qū)是由于界面及近界面區(qū)材料嚴(yán)重塑性變形而引起的動態(tài)再結(jié)晶形成的等軸晶區(qū)，為理想結(jié)合界面；而界面及近界面區(qū)材料塑性變形和流動形成了直形界面，但其界面處無再結(jié)晶發(fā)生，為機械結(jié)合。Dehoff等[33]進(jìn)一步研究了利用超聲波固結(jié)成形技術(shù)制備的疊層Al3003材料的界面微觀結(jié)構(gòu)，除在箔材界面處發(fā)現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象和大量位錯存在外，還在界面區(qū)的微孔附近發(fā)現(xiàn)納米晶(見圖3)，認(rèn)為在超聲波固結(jié)過程中界面區(qū)部分鋁可能存在熔化現(xiàn)象。Sriraman 等[28]以振幅36 μm、壓力6.7 kN、固結(jié)速度30 mm/s的參數(shù)，利用超聲波固結(jié)技術(shù)成功制備了疊層銅C11000材料，通過EBSD技術(shù)分析了界面織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在固結(jié)過程中界面區(qū)材料發(fā)生了再結(jié)晶，形成冶金結(jié)合，并且結(jié)合超聲波固結(jié)過程中的絕熱效應(yīng)和熱軟化效應(yīng)計算出了此過程中銅箔的真實溫度，該溫度正好處于銅的再結(jié)晶溫度區(qū)間，與界面織構(gòu)分析結(jié)果一致。Ramet等[31]則利用超聲波固結(jié)技術(shù)成功制備了疊層Al3003/Cu10復(fù)合材料，并對疊層Al3003/Cu10復(fù)合材料界面進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)界面無金屬間化合物生成。而Friel等[34]對超聲波固結(jié)技術(shù)制備的疊層Al3003 H-18材料的界面紋路效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)壓頭表面紋路能否有效轉(zhuǎn)移至固結(jié)材料表面與材料的剛度有關(guān)，由此得出合理設(shè)計壓頭表面紋路可有效提高界面結(jié)合強度，甚至還可固結(jié)高密度、高強度材料。

圖1 利用FIB系統(tǒng)獲得的沿固結(jié)箔材與基板結(jié)合界面的氧化物、孔隙和再結(jié)晶區(qū)的圖像Fig.1 Consolidating foil-substrate interface displaying oxides, voids and recrystallization along the bonding interface produced using a FIB system operating in the ion beam imaging mode

圖2 壓頭、固結(jié)箔材和基板的相對位置及其表面紋路Fig.2 Sonotrode, consolidating foil and substrate position and surface texture

為研究異種材料在超聲波固結(jié)過程中疊層界面的結(jié)合問題，美國陸軍研究實驗室Sano等[12]將超聲波固結(jié)技術(shù)和熱壓燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合在基體3003鋁合金上通過超聲波固結(jié)獲得了Cp-Ti/Al層狀復(fù)合材料，如圖4所示。分析表明，超聲波固結(jié)過程中使Cp-Ti表面粗糙，而熱壓燒結(jié)正好在表面粗糙Cp-Ti層表面形成了金屬間化合物Al3Ti層。剝離試驗表明Cp-Ti/Al3Ti/Al層狀復(fù)合材料的剝離強度要高于Cp-Ti/Al片層結(jié)構(gòu)，可能是由于界面形成了Al3Ti和TiAl相的緣故。然而對于Al-Ti反應(yīng)動力學(xué)機理尚不清楚，還有待進(jìn)一步研究。

圖3 納米晶區(qū)圖像：(a)孔隙表面的納米晶區(qū)，(b)納米晶區(qū)的STEM明場像照片F(xiàn)ig.3 The images of the nanograin region:(a) the nanograin regions at the void interface, and (b) bright-field STEM image of the nanograin region

圖4 超聲波固結(jié)獲得的金屬層狀復(fù)合材料：(a)超聲波固結(jié)技術(shù)制備的Cp-Ti/Al疊層材料，(b)超聲波固結(jié)技術(shù)加熱壓燒結(jié)技術(shù)制備的Cp-Ti/Al3Ti/Al層狀材料Fig.4 Metal laminate composite fabricated by ultrasonic consolidation technique: (a) Cp-Ti/Al laminatecomposites fabricated by ultrasonic consolidation technique， and (b) Cp-Ti/Al laminate composites fabricated by ultrasonic consolidation technique and hot pressing sintering technique

3.2 金屬與埋入纖維界面及近界面區(qū)微觀特征

圖5 利用UC工藝在層間加入纖維原理示意圖Fig.5 Schematic of the UC process for fiber embedment

利用超聲波固結(jié)成形技術(shù)制備纖維增強的金屬疊層材料，主要是通過將纖維鋪放于金屬箔材的層間，對其施加一定的壓力和超聲波能量使金屬箔材發(fā)生塑性變形，從而將增強纖維固結(jié)在金屬疊層之間，如圖5所示。Yang等[16]利用超聲波固結(jié)成形技術(shù)在疊層Al/Al材料層間成功加入增強SiC纖維，界面形貌如圖6所示，可見纖維仍保持圓柱狀，在纖維周圍存在大量的塑性變形流線，且纖維與基體界面結(jié)合良好，但卻以機械結(jié)合為主。英國拉夫堡大學(xué)Friel[35]在制備疊層Al/Al材料間加入SMA纖維時，深入研究了纖維周圍基體材料的塑性流動情況。結(jié)果表明，纖維上層的鋁箔材塑性變形明顯高于其下層的鋁箔材，在纖維與基體的界面及近界面區(qū)存在大量細(xì)化晶粒和亞晶(見圖7a～b)，且可清晰看到纖維與基體間存在一定的孔洞(見圖7c～d)，這些孔洞主要是由于二者結(jié)合性質(zhì)造成的，通過優(yōu)化制備工藝可有效降低孔洞，但從圖可清晰看出纖維與基體界面并沒有形成有效的冶金結(jié)合，仍以機械結(jié)合為主。

圖6 疊層A3003基體層間加入SiC纖維SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM image of matrix Al3003 embedded SiC fiber

可見，在超聲波固結(jié)成形技術(shù)制備的疊層金屬復(fù)合材料層間加入增強纖維主要是通過上下層箔材的大量塑性變形將纖維包裹，其界面主要為機械結(jié)合，所以超聲波固結(jié)成形技術(shù)只是起到制備纖維增強疊層材料預(yù)制帶材的作用。

圖7 SAM纖維周圍基體Al3003(0)的晶粒結(jié)構(gòu)及塑性流動Fig.7 Grain structures and plastic flow of Al3003(0) matrix around the SAM fibre

3.3 界面和近界面微區(qū)原子擴散行為

在短時、快速超聲波固結(jié)成形過程中原子擴散非常困難，界面多數(shù)以機械結(jié)合，界面強度低。所以提高金屬疊層材料界面結(jié)合強度也是研究難點之一，可通過合理選擇固結(jié)參數(shù)以達(dá)到界面原子擴散激活能，使界面原子互擴散，在界面盡可能多的形成冶金結(jié)合。

Ramet等[31]對超聲波固結(jié)Al3003和Cu10界面原子擴散進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)無Cu擴散進(jìn)入Al側(cè)，但有Al擴散進(jìn)入Cu側(cè)。Ramet認(rèn)為由于EDS分辨率低，可能得到的關(guān)于Al原子擴散結(jié)論不準(zhǔn)確，需進(jìn)一步使用TEM EDS證實。Mueller等[36]基于擴散相關(guān)參數(shù)的系列計算及MC模擬分析，利用掃描電鏡和EDS線掃描技術(shù)發(fā)展了一種評價超聲波固結(jié)Cu-Al試樣界面互擴散系數(shù)的新方法，此方法可計算出掃描電鏡在不同加速電壓時獲得的互擴散系數(shù)和擴散距離的誤差。進(jìn)一步解決了SEM EDS測試分辨率低等問題，為界面元素擴散研究提供了一種新思路。

然而，有學(xué)者提出超聲波焊接時材料在幾秒內(nèi)形成的塑性應(yīng)變率高達(dá)103/s，快速塑性變形可促進(jìn)界面原子擴散而使界面形成冶金結(jié)合。Kulemin 和Kholopov[37]研究發(fā)現(xiàn)，在超聲波焊接鋁板和銅板時互擴散系數(shù)極高，可達(dá)1.4×103μm2/s，是溫度713 K時晶格擴散系數(shù)的107倍。而Ruoff 和 Balluffi[38]在分析塑性變形對應(yīng)變誘發(fā)過多空位輔助金屬擴散影響的試驗數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率低于一定值(<10-2/s)時可促進(jìn)晶格擴散。基于上述結(jié)論可得出引起應(yīng)變誘發(fā)空位促進(jìn)擴散的應(yīng)變率應(yīng)存在一極值。Gunduz等[39]研究了鋁箔和鋅板513 K時超聲波焊接后界面原子擴散的問題，將焊接界面分為3個特征區(qū)：FCC鋁晶界鋅富集區(qū)、無特征區(qū)及無特征區(qū)與鋅富集區(qū)之間的薄層區(qū)。結(jié)果表明超聲波焊接引起的高應(yīng)變率變形可有效增加材料內(nèi)部空位濃度，從而促進(jìn)界面原子擴散。鋁在513 K時，一般的晶格擴散系數(shù)為1.208×10-5μm2/s[40]，超聲波焊接時互擴散系數(shù)1.9 μm2/s，提高了5個數(shù)量級。

影響超聲波固結(jié)質(zhì)量的主要參數(shù)包括超聲波振幅、壓力、固結(jié)速度和基板溫度等，每種材料都有特定的最優(yōu)工藝參數(shù)。若固結(jié)參數(shù)相對較低時，由于界面無法獲得足夠的能量，最終形成的界面質(zhì)量較差；若固結(jié)參數(shù)較高，過高能量輸入將已經(jīng)形成的界面結(jié)合破壞，最終也無法獲得良好的界面結(jié)合。由于超聲波固結(jié)試樣界面結(jié)合機制多為物理冶金或機械結(jié)合，關(guān)于界面原子擴散與固結(jié)參數(shù)的關(guān)系研究幾乎沒有，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為固結(jié)界面結(jié)合機制主要為再結(jié)晶，同時也通過理論計算間接證明其正確性。

Sriraman等[28]在固結(jié)Cu/Cu時，根據(jù)超聲波固結(jié)過程中的絕熱效應(yīng)和熱軟化效應(yīng)計算出該過程中的溫升，見式(1)：

(1)

Tb+ΔT正好處于銅的再結(jié)晶溫度區(qū)間。其中，Tb為基板預(yù)熱溫度，τ為剪切應(yīng)力，γ為剪切應(yīng)變，β為熱轉(zhuǎn)化率，ρ為材料密度，c為工件的比熱。

Schick等[6]為解釋超聲波固結(jié)過程中晶粒尺寸變化，假設(shè)此過程與鋁合金熱加工過程相似，可用Zener-Hollomon(Zh)計算[41-43]，見式(2)和(3)：

dsub=[-0.06+0.018log(Zh)]-1

(2)

(3)

固結(jié)過程中，箔材表面粗糙度輪廓在固結(jié)過程中結(jié)合區(qū)的位移隨時間變化為d(t)，表面紋路的剪切應(yīng)變率的計算見式(4)：

(4)

首先，將公式(1)計算出的溫升加基板預(yù)熱溫度代入公式(3)的Tp，再將公式(4)代入公式(3)就可計算得Zh。然后，將Zh值代入公式(2)就可計算晶粒尺寸值。所以，根據(jù)溫升計算可驗證Dehoff等[33]提出的熔化現(xiàn)象，而晶粒尺寸計算可從理論計算方面驗證納米晶。但是上述公式是基于幾個假設(shè)而提出的，其正確性有待進(jìn)一步驗證。

3.4 超聲波固結(jié)金屬界面成形機理

金屬疊層復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)中，界面對其內(nèi)載荷的傳遞、微區(qū)應(yīng)力和應(yīng)變分布、殘余應(yīng)力、增強機制和斷裂過程都有著極為重要的作用，所以研究金屬疊層材料界面結(jié)構(gòu)及其成形機理非常重要。

國內(nèi)目前常用的超聲波金屬焊接工藝主要有，點焊、滾焊和縫焊等，盡管缺乏大功率金屬焊接裝備，但是國內(nèi)利用超聲波金屬點焊工藝對金屬界面的成形機理進(jìn)行了相當(dāng)多的研究。例如：南昌大學(xué)熊志林等[44]基于超聲波點焊在研究6061鋁合金超聲波焊接接頭的組織及性能時，發(fā)現(xiàn)超聲波點焊可有效焊接6061Al合金，而且界面成分分析結(jié)果顯示短時超聲波能量作用后界面原子有一定的擴散并在界面形成了新相，由此得出在界面材料塑性變形和原子擴散共同作用下形成了結(jié)合較好的超聲波點焊Al6061接頭。朱政強等[45]展開了6061鋁合金和Ti6Al4V鈦合金異種金屬材料超聲波焊接研究，發(fā)現(xiàn)超聲波焊接時間為170 ms，壓力為0.4 MPa時可有效焊接6061鋁合金和Ti6Al4V鈦合金異種金屬材料，而且界面成分分析后得出焊接過程中Al原子和Ti原子在界面存在0.4 μm的擴散層。近年來，隨著超聲波增材制造技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外關(guān)于超聲波增材制造技術(shù)制備的疊層金屬材料界面形成機理成為研究熱點之一。Kong等[46]將超聲波固結(jié)界面結(jié)合機制分兩種：①體積結(jié)合效應(yīng)；②表面結(jié)合效應(yīng)。體積結(jié)合效應(yīng)包括由于聲軟化和熱軟化使材料屈服應(yīng)力降低而產(chǎn)生的彈性變形和塑性變形；表面結(jié)合效應(yīng)包括可去除氧化膜而使材料緊密接觸的界面摩擦變形和剪切變形，并且利用熱電偶和紅外照相機等技術(shù)測量超聲波固結(jié)過程中的溫度場。Sriraman等[7]和Yang等[15]通過在層間安裝熱電偶來測量溫度。De Vries[47]研究發(fā)現(xiàn)利用紅外相機測量溫度也是一種非常有效的方法，因為紅外相機可很容易地測得整個區(qū)域的溫度分布。Koellhoffer等[48]在超聲波固結(jié)設(shè)備上安裝紅外相機分析了不同固結(jié)參數(shù)在基板-帶材界面和帶材-帶材界面形成的溫度效應(yīng)，同時還通過有限元模擬分析了此過程中的摩擦產(chǎn)熱問題。Kelly等[49]得出在超聲波固結(jié)過程中由于聲軟化和少量的熱軟化作用，可顯著增加鋁材的塑性變形。Fujii等[9]利用背散射技術(shù)研究了超聲波固結(jié)試樣的界面微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在界面及近界面區(qū)金屬箔材的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。

至今為止，關(guān)于超聲波金屬快速固結(jié)成形機理主流解釋有3種：①表面氧化物去除機制；②界面塑性變形機制；③界面金屬原子擴散機制。關(guān)于這3種機制，目前仍然存在諸多爭議，而相關(guān)機理解釋中塑性變形機制下的界面再結(jié)晶占主要優(yōu)勢。可見雖然目前國外已經(jīng)掌握超高功率超聲波固結(jié)成形技術(shù)，并且在工程上應(yīng)用了這種新型的金屬快速增材成形與制造技術(shù)，但對超聲波能場下金屬原子的低溫擴散、界面固結(jié)成形的機理目前仍眾說紛紜，至今尚未得出普遍接受的結(jié)論，仍然需要開展深入的研究。

4 超聲波固結(jié)成形金屬界面性能表征技術(shù)

疊層復(fù)合材料是通過界面結(jié)合在一起的，界面在加載過程中將外力傳遞給鄰接層，起到了層與層之間的橋梁作用，同時在微觀上界面可有效限制材料在塑性變形過程中的位錯運動，因此界面對疊層材料有硬化和增韌作用，對疊層材料的性能起著非常重要的作用。可見全面徹底地了解界面性能是控制和改善疊層材料的最重要基礎(chǔ)之一。目前，表征超聲波固結(jié)成形金屬界面性能主要有搭接-剪切和拉伸試驗、剝離試驗和“Push-Pin”試驗等。Hopkins等[29]根據(jù)ASM C 961-06標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的搭接-剪切試樣見圖8，而拉伸試樣由于尺寸較小無法按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，其尺寸見圖9。Obiehdan等[50]也通過搭接-剪切試驗測得了Ti/Al固結(jié)樣品界面的強度。但此方法測試時有一定的局限性，只限于測試界面強度較低的樣品。若樣品界面強度較高時，基板界面失效先于界面失效。

圖8 搭接-剪切試樣示意圖Fig.8 Schematic for lap shear specimen

圖9 拉伸試樣示意圖Fig.9 Schematic for tensile test specimen

經(jīng)多數(shù)實驗結(jié)果表明，剝離試驗是研究箔材長度方向結(jié)合強度非常有效的方法。Li等[51]依據(jù)BS EN 2243-2∶1991標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計試驗，其測試原理見圖10。試驗時，為防止在加載過程中發(fā)生彎曲，先將試樣固定于支撐板上[26]，然后對第二層加載并記錄測試結(jié)果。Kong等[46]研究發(fā)現(xiàn)剝離強度隨焊接參數(shù)增大至極值后下降，進(jìn)一步顯微觀察得出其剝離強度的最高水平值與線結(jié)合密度無關(guān)。而且在剝離試驗中存在一臨界載荷，若超過臨界載荷值試樣將在接近基板處失效。

圖10 剝離實驗原理示意圖Fig.10 Schematic of peel test

Zhang等[52]則發(fā)展了一種“Push-Pin”方法來測量固結(jié)試樣結(jié)合強度，其試驗裝置和試樣尺寸見圖11。此方法的主要優(yōu)點為可測量指定表面的結(jié)合強度，尤其是異種材料疊層的試樣，但目前尚未統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 “Push-Pin”試驗：(a)“Push-Pin”試驗裝置，(b)“push-pin”試驗試樣示意圖Fig.11 “Push-Pin” test: (a) push-pin testing setup，(b) schematic of push-pin testing sample

5 超聲波金屬固結(jié)成形的計算機模擬

為更好理解超聲波增材制造過程中工藝參數(shù)對界面微區(qū)材料的應(yīng)變、溫度及位移效應(yīng)的影響，人們對超聲波金屬固結(jié)成形過程進(jìn)行了有限元模擬探究。Huang等[53]假設(shè)Al3003-H18箔材和基板為各向同性，以超聲波固結(jié)工藝的3D熱機械有限元模型為基礎(chǔ)建立了準(zhǔn)靜態(tài)摩擦(最大循環(huán)周期為50)模型，此模型利用了與屈服強度有依賴性關(guān)系的溫度及應(yīng)變率參數(shù)，和與摩擦系數(shù)有依賴性的應(yīng)變率參數(shù)。模擬結(jié)果顯示由于不可恢復(fù)滑移存在，材料的應(yīng)力峰值落后于位移峰值0.1個周期。另外，Huang還發(fā)現(xiàn)材料最大變形區(qū)(250%塑性應(yīng)變)位于與壓頭接觸的箔材上表面。但也發(fā)現(xiàn)一異常現(xiàn)象，焊接箔材下表面只有5%的塑性變形，而基板的上表面應(yīng)變最小，僅為0.3%。最終得出的模擬結(jié)果顯示沿結(jié)合界面溫升只有30 ℃。Zhang等[54]也假設(shè)Al3003-H18箔材和基板為各向同性，以超聲波增材制造制備試樣界面的3D有限元模型為基礎(chǔ)，探索了此過程中材料相互摩擦的問題。此模型中運用了雙線性各向同性加工硬化與溫度依賴性關(guān)系、楊氏模量、屈服強度和摩擦系數(shù)的關(guān)系。模擬結(jié)果顯示1500個焊接周期過后，界面溫升只有50 ℃，與Huang等人得出的結(jié)果不同，Zhang模擬結(jié)果顯示材料最大塑性應(yīng)變區(qū)位于界面。此外，Zhang還利用此模型準(zhǔn)確預(yù)測了超聲波增材制造前后試樣厚度的變化規(guī)律。而Siddiq等[55,56]進(jìn)一步考慮了固結(jié)Al3003-H18和Al6061-T0過程中的聲軟化效應(yīng)和摩擦效應(yīng)，建立了超聲波增材制造過程的熱機械有限元模型，發(fā)現(xiàn)固結(jié)過程中的塑性變形是表面(摩擦)和體積(塑性)軟化效應(yīng)共同作用的結(jié)果。Siddiq[55,56]利用以循環(huán)塑性理論為基礎(chǔ)的材料模型預(yù)測了體積效應(yīng)，利用與溫度有依賴性關(guān)系的動力學(xué)方程計算了表面效應(yīng)。模擬固結(jié)Al6061-T0結(jié)果指出隨振幅和施加靜壓力增大，Al6061-T0與基板界面的摩擦功降低，塑性功增大。Siddiq[55,56]指出由于Al6061-T0屈服應(yīng)力低，而且在焊接時箔材與壓頭界面摩擦能量轉(zhuǎn)化為箔材的熱軟化(表面軟化效應(yīng))和體積軟化效應(yīng)(塑性)的耗散增加，因此箔材存在軟化效應(yīng)。而且隨施加靜壓力和振幅的增加，上述兩種軟化效應(yīng)加強。在這兩種效應(yīng)作用下，由于箔材的軟化效應(yīng)存在，超聲振動轉(zhuǎn)化為箔材與基板界面的摩擦效應(yīng)降低。所以，由于固結(jié)過程產(chǎn)生了大量塑性變形，模擬結(jié)果顯示界面溫度為280 ℃。當(dāng)同樣的有限元模型用于Al3003-H18時，發(fā)現(xiàn)隨施加靜壓力和振幅增加，箔材與基板摩擦功增大，與Al6061模擬結(jié)果相反，而模擬結(jié)果差異是由于Al6061屈服強度高于Al3003-H18不易形成體積效應(yīng)，這樣使超聲振動轉(zhuǎn)化為摩擦功的比例增加，使聲軟化效應(yīng)降低。而模擬結(jié)果顯示摩擦功比例增加使溫度升高48 ℃，與Chen和Li[57]試驗結(jié)果一致。此外，Siddiq等[17]也建立了用于模擬利用超聲波固結(jié)技術(shù)制備纖維增強復(fù)合材料過程中纖維周圍基體金屬塑性流動模型。模擬結(jié)果顯示在未預(yù)制放置纖維凹槽的Al3003-H18基體中埋入一根或兩根纖維，可導(dǎo)致纖維周圍箔材的過度體積軟化和塑性變形，纖維周圍塑性變形是未埋入纖維超聲波固結(jié)試樣箔材塑性變形的50倍。此過程中從纖維與基體接觸面積最小至纖維完全被包裹在基體中，纖維與基體的摩擦效應(yīng)較低，從而得出Al基體的過度塑性應(yīng)變是由聲(體積)軟化引起。

由于超聲波增材制造為新型金屬固態(tài)連接工藝，近年來雖然其發(fā)展非常迅速，但起步較晚，相關(guān)計算機模擬分析仍存在較多爭論，且沒有完善的理論支持，仍需進(jìn)一步深入研究。

6 結(jié) 語

超聲波固結(jié)成形技術(shù)作為一種新型快速成形連接工藝，其工藝簡單、固態(tài)連接成形精度高且材料熱應(yīng)力低可直接快速成形三維構(gòu)件，具有傳統(tǒng)工藝所不具備的優(yōu)點。但是目前國際上只有美國、英國少數(shù)幾個國家掌握這種先進(jìn)的增材制造技術(shù)，本文所引用的工作也主要是這些國家的研究人員所進(jìn)行的。由于國外在超聲波增材制造裝備和相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)方面對我國實行嚴(yán)格的封鎖，國內(nèi)目前開展超聲波固結(jié)成形機理的研究工作是采用低功率的超聲波點焊機[45]。近期，本文作者所在團隊通過協(xié)同創(chuàng)新，研發(fā)出了超聲波固結(jié)成形實驗裝備，可用于鈦、鋁、銅、不銹鋼等金屬疊層復(fù)合材料、纖維增強金屬層狀復(fù)合材料固結(jié)成形機理研究[58]。

超聲波固結(jié)成形與制造技術(shù)作為一種新型的非高能束加熱增材制造技術(shù)具有很多優(yōu)點，已在金屬疊層復(fù)合材料、智能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)、電子封裝結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜型腔零部件的制造中獲得了應(yīng)用，但是對于金屬界面成形機理還沒有獲得普遍認(rèn)可的理論，需要在以下幾個方面深入研究：

(1)超聲波作用機理方面：超聲波固結(jié)過程中的絕熱效應(yīng)和熱軟化效應(yīng)導(dǎo)致的溫升多數(shù)處于模擬階段，目前沒有相應(yīng)的理論支持和統(tǒng)一的計算方法。

(2)微結(jié)構(gòu)表征方面：由于高分辨電鏡分析技術(shù)制樣要求較高，不能很好保存界面，很難進(jìn)一步研究界面形貌和位錯等微觀結(jié)構(gòu)，是超聲波固結(jié)試樣微結(jié)構(gòu)表征的重點和難點之一。

(3)界面成形機理的研究需要對成形局部物理場參數(shù)(界面溫度分布和應(yīng)力場的測試技術(shù)等)進(jìn)行準(zhǔn)確測試。

(4)采用有限元模擬的作用方面：目前，超聲波增材制造的有限模擬分析主要集中在界面塑性變形及摩擦溫升方面，而且相關(guān)解釋也是眾說紛壇，尚無統(tǒng)一理論及模擬模型支持。

(5)采用分子動力學(xué)模擬界面局部原子擴散方面：利用分子動力學(xué)模擬超聲波固結(jié)成形制備材料界面局部原子擴散方面的相關(guān)研究非常少，需進(jìn)一步研究超聲波固結(jié)作用機理，建立可實現(xiàn)的分子動力學(xué)模擬模型，完善超聲波固結(jié)成形界面形成理論。

通過深入研究，探明超聲波固結(jié)金屬界面成形物理冶金機制，建立在超聲波能場作用下金屬原子低溫擴散理論，這對于提高超聲波固結(jié)成形能力和進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍具有重要的意義。

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(編輯 蓋少飛)

Advanced Research on Metal Consolidation Mechanism in Ultrasonic Additive Manufacturing

JIAO Feifei1，YANG Yong2，LI Peng1，LU Zichuan1, GUO Chunhuan1，JIANG Fengchun1

(1.Key Laboratory of Superlight Materials and Surface Technology, Ministry of Education, College of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China) (2.Navy in Shanghai Jiangnan Shipyard Group Company Ltd., Shanghai 201913, China )

In order to overcome the limitations of the high energy beam rapid prototyping and manufacturing processes, high power ultrasonic consolidation and manufacturing technique was developed in recent years. Metal foils were bonded together using very high ultrasonic energy and metal atoms were heated up by very high frequency vibration diffused from one phase surface to another to form a metallurgical solid-state combination. Compared with other rapid prototyping techniques, high power ultrasonic consolidation and manufacturing technique owns many advantages, such as low temperature, less deformation, high consolidation speed,and environment friendly, which can be used for the intelligent manufacture of integrated consolidation and machining for complex laminated metal parts. As mentioned above, it is a novel additive manufacturing 3D printing technique. This paper briefly introduces the advanced Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) technique and mainly reviews the achievements of the optimal process parameters of similar and dissimilar metal laminate materials(Al/Al, Cu/Cu, Ti/Al, etc.), then focuses on analyzing the microscopic physical metallurgy mechanism of metal ultrasonic consolidation and characterization techniques of interfacial properties. Based on the current study status of ultrasonic consolidation mechanism, some research aspects needed to further investigate are also pointed out in this work.

ultrasonic consolidation；metal laminate composites；ultrasonic additive manufacturing；interfacial properties；forming mechanism

2015-06-04

黑龍江省自然科學(xué)基金重點項目(ZD2015012)；哈爾濱工程大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(HEUCFD15010)；國防基礎(chǔ)科研項目(B2420133004)

焦飛飛，女，1989年生，碩士研究生

姜風(fēng)春，男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師， Email：fengchunjiang@hrbeu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.12.11

姜風(fēng)春

TG439.9

A

1674-3962(2016)12-0950-10