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1 前言

近年來(lái)，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(lái)的超聲波增材制造（Ultra sonic Additive Manufacturing，UAM）技術(shù)引起了國(guó)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(dòng)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(shí)現(xiàn)同種或異種金屬材料間固態(tài)連接的一種特殊方法。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(shí)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、變形、速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，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)用于同種和異種金屬層狀復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、梯度功能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)、智能材料與結(jié)構(gòu)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，在航空航天、國(guó)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(shí)際上這是一種大功率超聲波金屬焊接過(guò)程。金屬連接成形過(guò)程中既不需向工件輸送電流，也不用向工件施以高溫?zé)嵩�，只需在靜壓力作用之下，將彈性振動(dòng)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(guò)金屬塑性變形過(guò)程中界面處的原子相互擴(kuò)散滲透，實(shí)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(shí)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(jī)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(diǎn)問(wèn)題。本文簡(jiǎn)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(jī)理和界面性能表征技術(shù)方面的研究進(jìn)展，針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀，提出了將來(lái)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(qiáng)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）。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(qiáng)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?cè)诔�聲波固結(jié)同種金屬疊層材的制備工藝優(yōu)化方面已經(jīng)做了大量的工作，如英國(guó)拉夫堡大學(xué)Kong 等［對(duì)固結(jié)后的疊層Al3003 試樣進(jìn)行搭接剪切試驗(yàn)和剝離試驗(yàn)測(cè)量其界面結(jié)合強(qiáng)度，并通過(guò)界面微觀分析計(jì)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(guò)34．5 mm／ s。Kong 等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(guó)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(duì)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

由于超聲波固結(jié)成形技術(shù)具有低溫制備的優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)疊層金屬?gòu)?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(lái)增強(qiáng)疊層材料的性能。Yang 等利用超聲波固結(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(shí)還通過(guò)纖維拔出試驗(yàn)測(cè)得了纖維與基體界面的結(jié)合強(qiáng)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(guò)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(guò)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(méi)有出現(xiàn)明顯的變形與損壞。通過(guò)纖維拔出試驗(yàn)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(shí)，纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)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(guò)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 搖超聲波金屬界面固結(jié)成形機(jī)理

3．1 搖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。而固結(jié)試樣界面微觀結(jié)構(gòu)包含4個(gè)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(jiàn)圖1）。在固結(jié)過(guò)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(guò)程中會(huì)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(guò)程中超聲波能量不足以使箔材表面紋路壓合而形成（見(jiàn)圖2）。

微孔和氧化層的存在將嚴(yán)重影響界面結(jié)合強(qiáng)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(dòng)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(dòng)形成了直形界面，但其界面處無(wú)再結(jié)晶發(fā)生，為機(jī)械結(jié)合。Dehoff 等進(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(cuò)存在外，還在界面區(qū)的微孔附近發(fā)現(xiàn)納米晶（見(jiàn)圖3），認(rèn)為在超聲波固結(jié)過(guò)程中界面區(qū)部分鋁可能存在熔化現(xiàn)象。Sriraman等以振幅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(guò)EBSD 技術(shù)分析了界面織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在固結(jié)過(guò)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(guò)程中的絕熱效應(yīng)和熱軟化效應(yīng)計(jì)算出了此過(guò)程中銅箔的真實(shí)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 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(duì)疊層Al3003／ Cu10 復(fù)合材料界面進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)界面無(wú)金屬間化合物生成。而Friel 等對(duì)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(jì)壓頭表面紋路可有效提高界面結(jié)合強(qiáng)度，甚至還可固結(jié)高密度、高強(qiáng)度材料。