《增材制造》SCI一區(qū)：預(yù)處理可有效提高超聲波增材制造打印鋁的機械性能

導(dǎo)讀：超聲波增材制造技術(shù)是一種采用大功率超聲能量，以金屬箔材作為原材料，利用金屬層與層之間振動摩擦產(chǎn)生的熱量，促進界面間金屬原子相互擴散并形成界面固態(tài)物理冶金結(jié)合，從而實現(xiàn)金屬帶材逐層疊加的增材制造成形技術(shù)。超聲波增材制造逐步發(fā)展，可以對難以焊接的材料進行加工制造。但同時它會在零件界面處產(chǎn)生一些缺陷，降低零件的機械性能。如何提高超聲波增材制造零件的機械性能，一直是研究者們研究的重點。



2022年10月，南極熊獲悉，來自田納西大學(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研究者們重點研究了預(yù)處理對超聲波增材制造的性能影響。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了SCI 一區(qū)的期刊《增材制造》上，題目為《Strengthening of Pretreated Aluminum During Ultrasonic Additive Manufacturing》。

超聲波增材制造
增材制造已成為 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、低成本以及打印后沒有廢料等。在過去的幾十年中，人們已經(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)。


△超聲波增材制造技術(shù)

近年來，超聲波增材制造已成為使用難以焊接或異種材料生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的合適候選者。該方法可以加工的材料包括鋁鈦、鋼鎳、鎳鋁和鋁銅。此外，超聲波增材制造可以生產(chǎn)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)。超聲波增材制造涉及使用超聲波焊接在相對較低的溫度下連接薄層壓層。將新層焊接到先前沉積的層和/或選擇性去除不需要的材料會創(chuàng)建 3D 打印部件。

評估超聲波增材制造零件的機械性能
可以使用多種測試來評估使用超聲波增材制造方法生產(chǎn)的零件的機械性能。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)建方向拉伸測試提供的信息并不多，因為它們只測試最薄弱的界面。

先前的研究表明，在超聲波增材制造零件的界面處會產(chǎn)生微孔和剪切帶。當(dāng)承受拉伸載荷時，這些”薄弱環(huán)節(jié)“可能會發(fā)生失效行為，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。

由于該工藝的高應(yīng)變率塑性變形，超聲波增材制造會導(dǎo)致材料的顯著微觀結(jié)構(gòu)變化，可以形成點缺陷空位和位錯結(jié)構(gòu)，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。盡管到目前為止，還缺乏實驗證據(jù)來證實這一點。

研究內(nèi)容
預(yù)處理可以對打印部件的機械性能產(chǎn)生積極影響，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。（該研究得到了空軍國家實驗室和美國能源部等機構(gòu)的資助。）

作者對預(yù)處理的鋁樣品進行了 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和退火的條件。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-箔界面單片箔強得多，整體強化是由鍵合材料界面區(qū)域的晶格變化引起的。


△Al 6061 T4 UAM微結(jié)構(gòu)的SEM/EDS圖a）STEM HAADF圖像，b）鋁的EDS圖，c）鎂的EDS圖，d）硅的EDS圖，e）鐵的EDS圖，f）錳的EDS圖，g）鉻的EDS圖，h）氧的EDS圖。


△T4 UAM制造的納米壓痕硬度圖

研究還觀察到了動態(tài)再結(jié)晶和恢復(fù)過程以及絕熱加熱導(dǎo)致的微觀結(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(xì)化晶粒尺寸。此外，研究人員觀察到了Mg2Si沉淀物的鎂擴散和溶解增強。

正如作者所指出的，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)。