4D打印鋁熱劑可以使太空和戰(zhàn)區(qū)的焊接更容易、更安全

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：最近獲得機(jī)械工程博士學(xué)位的范德比爾特大學(xué)畢業(yè)生——尼利創(chuàng)造了一種用于極端條件下的焊接材料，該材料可以最大程度地減少所需設(shè)備和操作人員的危害。這種材料是一種安全，穩(wěn)定的鋁熱膏，可作為便攜式，可編程的熱源，用于太空，水下和戰(zhàn)斗區(qū)域。 該漿料經(jīng)過3D打印并以稱為反應(yīng)性材料架構(gòu)的圖案沉積，該圖案可以控制和引導(dǎo)。

傳統(tǒng)的焊接或銅焊需要熟練的操作人員和重型設(shè)備，在惡劣的環(huán)境中很難供電、維護(hù)和運(yùn)輸。為了克服傳統(tǒng)方法的成本和復(fù)雜性，高能材料被用作熱源，通常稱為放熱釬焊。放熱釬焊利用固態(tài)或近固態(tài)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來熔化用于連接過程的填充材料。它可用于在隔離環(huán)境中或在物理上復(fù)雜或不可接近的關(guān)節(jié)中創(chuàng)建關(guān)節(jié)。

之前的研究已經(jīng)證明了放熱釬焊在太空和水下的成功。放熱釬焊也已經(jīng)成功地用于飛機(jī)中的管道釬焊和放熱釬焊液壓配件。然而，這項(xiàng)工作受到關(guān)節(jié)和周圍精力充沛的復(fù)雜固定需求的限制。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可以輕松生成具有復(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)合理的能量學(xué)。用數(shù)字制造工具制造的能量學(xué)被稱為反應(yīng)材料體系結(jié)構(gòu)(RMA)，可實(shí)現(xiàn)新的現(xiàn)場便捷連接技術(shù)。

RMA是一種通過幾何特征來控制反應(yīng)速率和發(fā)熱的結(jié)構(gòu)，而不僅僅是化學(xué)成分的變化。這種控制的一個例子是使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)固體火箭燃料顆粒，從而使印刷打印燃料顆粒的燃燒速率與鑄造燃料顆粒相當(dāng)。增材制造技術(shù)還可以創(chuàng)建具有鑄造無法創(chuàng)建的獨(dú)特幾何形狀（例如懸垂，底切，填充孔隙度）。對于芯片級接合，在納米級接合中已經(jīng)有一些RMA的應(yīng)用，但是對于宏觀級接合存在對宏觀級架構(gòu)的需求。

該實(shí)驗(yàn)所選擇的高能材料是高粘性的鋁熱劑漿料，該漿料由質(zhì)量比為3：2：2的氧化鐵 (Fe2O3)，鋁粉和半水合鈣(CaSO4·0.5H2O)組成。所有樣品均使用少量的鋁熱劑和鎂粉及鎂帶保險絲點(diǎn)燃，并使用具有SDS-60注射器式打印頭的Hyrel Engine SR打印機(jī)打印樣品。

每個接頭由兩個2 × 2 × 0.040″的銅片組成，排列成一個搭接接頭。每個接頭都用丙酮清洗，然后用焊劑準(zhǔn)備。四個2英寸長的焊料(KappZapp4，銅用96Sn/4Ag固體線焊料)放置在搭接處。將打印好的鋁熱劑樣品放在接頭的頂部，整個裝置放在沙層上。在頂部銅試樣下面放置一個金屬墊片，以說明焊料的熔化，使頂部銅樣品和底部銅樣品在點(diǎn)燃后平行。如下圖1所示。以相同的方式制作和制備另外的對照樣品，除了將其放置在240℃的烘箱中2小時。

圖1. 鋁熱劑連接的樣品設(shè)置

圖2. 漿料以稱為材料反應(yīng)性結(jié)構(gòu)的形狀印刷，該形狀決定了漿料的燃燒方式和燃燒位置。圖片來源：范德比爾特大學(xué)

所產(chǎn)生的鋁鐵礦接頭強(qiáng)度與對照接頭強(qiáng)度相當(dāng)，最強(qiáng)的鋁鐵礦接頭在4497N的載荷下破裂，即最大母體強(qiáng)度樣品的63.8％。平均接頭強(qiáng)度為2212N。接縫強(qiáng)度似乎主要由接縫處的焊料散布決定。圖3顯示了四個樣品、三個實(shí)驗(yàn)樣品和一個對照樣品的焊料覆蓋率。在圖3b中看到的樣品1具有出色的接頭強(qiáng)度和幾乎完全的覆蓋范圍，非常類似于在圖3a中看到的對照樣品。圖3c示出了具有中等焊料覆蓋率的樣品3。這與樣品的2760 N的結(jié)合強(qiáng)度非常吻合。圖3d顯示了不良的焊料覆蓋率示例。相應(yīng)的樣品（樣品5）的強(qiáng)度僅為1225 N，焊料的散布受熱源和接頭的設(shè)置控制。

圖3. 搭接接頭樣品破損，顯示焊料覆蓋率。可以在a）中看到對照樣品，b，c）和d）中分別顯示了樣品1、3和6。

此外，Neely還在她的畢業(yè)作品中將兩個興趣結(jié)合在一起，34D打印和高能材料。額外的維度是時間。4D材料會隨著時間而變化，對諸如濕度或溫度之類的環(huán)境刺激做出反應(yīng)并改變形狀。她認(rèn)為是機(jī)械工程教授艾爾文·施特勞斯和機(jī)械工程助理教授凱文·加洛威以及范德比爾特的博士顧問們?yōu)檫@個想法開了綠燈。

圖4. 尼利用4D打印的鋁熱劑糊將鐵和銅焊接在一起。圖片來源：范德比爾特大學(xué)

他們的研究《Soldered copper lap joints using reactive material architectures as a heat source》2020年4月在Manufacturing Letters上發(fā)表，包含基礎(chǔ)性工作的“《Additively Manufactured Reactive Material Architectures as a Programmable Heat Source》已于2019年8月發(fā)表在3D Printing and Additive Manufacturing中。

本文來源：https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2020.02.002