欧美成人精品一区二区男人小说,美媛馆国产精品一区二区,亚洲成人av一区二区,欧美momandson

1 前言

近年來，在金屬超聲波固結（Ultrasonic Consolidation，UC）成形技術基礎上發展起來的超聲波增材制造（Ultra sonic Additive Manufacturing，UAM）技術引起了國內外的普遍關注。UAM 技術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生的熱量，使材料局部發生劇烈的塑性變形，從而達到原子間的物理冶金結合，實現同種或異種金屬材料間固態連接的一種特殊方法。超聲波金屬快速固結成形的基礎上， 結合數控銑削等工藝，可實現超聲波增材成形與智能制造一體化。與現有高能三束（激光、粒子束和等離子束）增材快速成形與制造技術相比，UAM 技術具有溫度低、變形、速度快、綠色環保等優點，適合于復雜疊層零部件成形、加工一體化智能制造，是一種新型的增材制造3D打印技術。

目前，該技術已成功地應用于同種和異種金屬層狀復合材料、纖維增強復合材料、梯度功能復合材料與結構、智能材料與結構的制造。此外，超聲波固結成形技術還被應用于電子封裝結構、航空零部件、熱交換器、金屬蜂窩板結構等復雜內腔結構零部件的制造，在航空航天、國防、能源、交通等尖端支柱領域有著重要的應用前景。

UAM 技術的基礎是超聲波金屬疊層材料的快速固結成形，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熱源，只需在靜壓力作用之下，將彈性振動能量轉換為工件界面間的摩擦功、形變能及有限的溫升，使固結區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，實現金屬間的固態連接。金屬超聲波焊接類似于摩擦焊，但其焊接時間很短，局部焊接區溫度低于金屬的再結晶溫度，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研究的熱點問題。本文簡要介紹了超聲波固結成形技術在金屬疊層復合材料制備領域的應用，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方面的研究進展，針對目前的研究現狀，提出了將來需要深入研究的內容。

2 超聲波固結成形工藝及其應用

超聲波固結成形技術早期主要用于制備強度低、塑性好且易于冶金結合的同種金屬疊層材料體系， 如鋁箔（Al3003、Al6061 等）。隨著超聲波裝備中關鍵部件換能器技術的發展，超聲波固結功率從3 ～ 4 kW 提升至9 kW， 使其成形能力進一步提高，該技術逐漸被應用于制備強度高的同種或異種金屬疊層材料，如退火316L、Cu／ Cu 、Ti／ Al 、Al／ Cu等。

迄今為止，人們在超聲波固結同種金屬疊層材的制備工藝優化方面已經做了大量的工作，如英國拉夫堡大學Kong 等［對固結后的疊層Al3003 試樣進行搭接剪切試驗和剝離試驗測量其界面結合強度，并通過界面微觀分析計算了界面的線結合密度（Linear Weld Density，LWD，表示結合區在界面中占的比例，是表征界面結合質量非常重要的參數），確定了超聲波固結成形制備疊層Al3003 的最優工藝參數窗口，要求振幅范圍8．4 ～14．3 μm，施加應力范圍0．172 ～ 0．276 MPa，固結速度不超過34．5 mm／ s。Kong 等還研究了超聲波固結成形制備疊層Al6061 的最優工藝參數，也得出了其最優工藝參數窗口，要求振幅范圍10．4 ～ 14．3 μm，施加應力范圍0．207 ～0．276 MPa，固結速度范圍27．8 ～ 38．8 mm／ s。

美國俄亥俄州州立大學利用Solidica 公司的超聲波固結設備制備了疊層Al3003 并對疊層材料進行系列研究，得出制備疊層Al3003 的最優工藝參數為：每道預固結參數要求壓力350 N，振幅

由于超聲波固結成形技術具有低溫制備的優點，此技術不僅應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合材料以及智能復合材料與結構等方面也獲得了應用。人們嘗試在疊層復合材料層間加入纖維來增強疊層材料的性能。Yang 等利用超聲波固結成形技術在疊層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 纖維的最優工藝參數，要求壓力1700 N， 振幅20 μm， 固結速度34 mm／ s，基板預熱溫度149 ℃。另外，Kong 等人將光學纖維和形狀記憶合金（SMA）纖維埋入鋁合金層間，通過超聲波固結成形技術制造金屬基智能復合材料，結果表明，通過合理的固結參數可以將易破碎的光學纖維和形狀記憶合金纖維埋入鋁合金薄片之間，且沒有出現明顯的變形與損壞。通過纖維拔出試驗發現在設定的參數范圍內，施加應力為0．207 MPa，振幅為6．8 μm， 固結速度為27．8 mm／ s 時，纖維與基體的結合強度最大。

綜上所述，超聲波固結成形的工藝參數包括很多，例如，施加的靜壓力、超聲波振幅、超聲波壓頭的固結速度、壓頭表面粗糙度及基板預熱溫度等。但是在超聲波固結成形技術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速度是影響疊層材料成形能力的最主要的參數，要想獲得結合性能優異的疊層材料，需要深入研究三者之間的協同關系，使其達到最優組合。

3 搖超聲波金屬界面固結成形機理

3．1 搖金屬疊層界面及近界面區微觀特征

基于已經形成的系列超聲波固結金屬箔材的最優工藝參數，研究發現超聲波固結金屬箔材與基板界面和固結壓頭與金屬箔材界面微觀結構受固結工藝影響，但其微觀結構則主要受超聲波能量影響。而固結試樣界面微觀結構包含4個特征區：連續氧化層區、非連續氧化層區、微孔和金屬箔材結合區（見圖1）。在固結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和非連續氧化層區。Bakavos 和Prangnell利用掃描電鏡研究了超聲波固結試樣界面的微觀結構，發現金屬箔材表面氧化層在固結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移至金屬箔材表面后，在后續固結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）。

微孔和氧化層的存在將嚴重影響界面結合強度，因此合理選擇固結工藝參數及去除箔材表面氧化層工序至關重要。金屬箔材結合區界面一般為直形界面（部分反應）和波形界面（冶金結合）。波形界面區是由于界面及近界面區材料嚴重塑性變形而引起的動態再結晶形成的等軸晶區，為理想結合界面；而界面及近界面區材料塑性變形和流動形成了直形界面，但其界面處無再結晶發生，為機械結合。Dehoff 等進一步研究了利用超聲波固結成形技術制備的疊層Al3003 材料的界面微觀結構，除在箔材界面處發現再結晶現象和大量位錯存在外，還在界面區的微孔附近發現納米晶（見圖3），認為在超聲波固結過程中界面區部分鋁可能存在熔化現象。Sriraman等以振幅36 μm、壓力6．7 kN、固結速度30 mm／ s 的參數，利用超聲波固結技術成功制備了疊層銅C11000 材料，通過EBSD 技術分析了界面織構，發現在固結過程中界面區材料發生了再結晶，形成冶金結合，并且結合超聲波固結過程中的絕熱效應和熱軟化效應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晶溫度區間，與界面織構分析結果一致。Ramet 等 則利用超聲波固結技術成功制備了疊層Al3003／ Cu10 復合材料，并對疊層Al3003／ Cu10 復合材料界面進一步研究，發現界面無金屬間化合物生成。而Friel 等對超聲波固結技術制備的疊層Al3003 H－18 材料的界面紋路效應進行了研究，發現壓頭表面紋路能否有效轉移至固結材料表面與材料的剛度有關，由此得出合理設計壓頭表面紋路可有效提高界面結合強度，甚至還可固結高密度、高強度材料。