哈爾濱工程大學教授姜風春：大功率超聲能場在快速成形制造中的應用

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�。╊I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”，哈爾濱工程大學教授姜風春做了主題是《大功率超聲能場在快速成形制造中的應用》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，零部件的力學性能差等，在座的各位就是要解決這些瓶頸，克服這些技術瓶頸。

一、大功率超聲能場與快速固結成形

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合起來，只要拿到就可以改進力學性能。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。

超聲波固結成形原理，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成形技術。很多技術都可以，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，復雜的形狀是做不了的。

二、超聲能場快速成形基礎科學問題

因為裝備設置到航空國防領域，國內(nèi)上沒有這樣的設備，國際上也不對外賣，要做這樣基礎的研究，我們做了這樣一臺設備。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，當然跟正負荷壓力有關系，溫度非常低。比如銅和鈦很難復合在一起，通過鋁的過渡可以把兩者結合在一起。超聲波固結以后我們再進行燒結，也可以把鈦鋁直接燒結，通過超聲波固結以后再燒結，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�？欤�超聲波是一種能量，給界面輸入了能量，在最后反應的過程中加速了反應。這是我們做的界面的一些結果，除了把超聲波研究明白以后，比如鈦合金超過0.3毫米就很難固結在一起，還要預熱。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，依靠這個技術把纖維均勻分散開，同時引入到復合材料里面去，經(jīng)過疊層燒結，把高性能纖維引到材料里面去，這是它的應用。

我們研究它的科學原理，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，當然它的擴散也不一樣。結果發(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，形成了良好的結果。

三、超聲能場輔助金屬增材制造技術

零部件的力學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，我們以這個為基礎把它應用到增材制造中。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，這是一個實驗結果。殘余應力，沒有沖擊的是拉應力，有沖擊的是壓應力，剛才的結果是一毫米左右，我們這個是1.5毫米左右，跟材料是有關系的。我們?nèi)绻�把這個控制在1.5毫米左右，每一層都可以穿透，都提出殘余應力，把拉應力變成壓應力。

我們發(fā)現(xiàn)沖擊過程當中發(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力。鈦性復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，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、國家自然科學基金委的幫助，也感謝我的團隊。

謝謝各位！