【解析】超聲波增材制造技術(shù)

近年國(guó)外發(fā)展起一套新的超聲波增材制造技術(shù)，它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(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量，促進(jìn)界面間金屬原子相互擴(kuò)散并形成界面固態(tài)物理冶金結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)金屬帶材逐層疊加的增材制造成形，同時(shí)將固結(jié)增材過程與數(shù)控銑削等減材工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了超聲波成形與制造一體化的超聲波增材制造技術(shù)。與高能束金屬快速成形技術(shù)相比，超聲波增材制造技術(shù)具有溫度低、無變形、速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，適合復(fù)雜疊層零部件成形、加工一體化智能制造，在航空航天、器裝備、能源、交通等尖端領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

一、超聲波增材制造技術(shù)的發(fā)展
1、超聲波金屬焊接的發(fā)展

超聲波金屬焊接技術(shù)是19 世紀(jì)30 年代偶然發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)在做電流點(diǎn)焊電極加超聲波振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)不通電流也能進(jìn)行焊接，因而發(fā)展了超聲金屬冷焊技術(shù)。雖然超聲波金屬焊接技術(shù)的發(fā)現(xiàn)比超聲波塑料焊接要早，但目前應(yīng)用較廣的還是超聲波塑料焊接，這是因?yàn)槌�聲波塑料焊接�?duì)于焊頭質(zhì)量和換能器功率的要求要比金屬焊接低得多。所以，由于受超聲波換能器功率的限制，多年來超聲波焊接技術(shù)在金屬焊接領(lǐng)域沒有得到很好的應(yīng)用和發(fā)展，主要局限于金屬點(diǎn)焊、滾焊、線束和封管4個(gè)方面。

超聲波增材制造裝備的關(guān)鍵是大功率超聲波換能器，美國(guó)采用推-挽（push-pull）技術(shù)，通過將兩個(gè)換能器串聯(lián)，成功制造出了9kW 大功率超聲波換能器，推- 挽（push-pull）式超聲波換能器原理如圖1 所示。大功率超聲波換能器的出現(xiàn)使得超聲波焊接技術(shù)能夠?qū)σ欢ê穸冉饘俨�材�?shí)現(xiàn)大面積快速固結(jié)成形，為超聲波增材制造技術(shù)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2、 超聲波固結(jié)成形機(jī)理
超聲波固結(jié)成形技術(shù)是采用大功率超聲波能量，以金屬箔材作為原料，利用金屬層與層之間振動(dòng)摩擦而產(chǎn)生的熱量，促進(jìn)界面間金屬原子的相互擴(kuò)散并形成固態(tài)冶金結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)逐層累加的增材制造成形。圖2為超聲波固結(jié)原理示意圖，當(dāng)上層的金屬箔材在超聲波壓頭的驅(qū)動(dòng)下相對(duì)于下層箔材高頻振動(dòng)時(shí)，由于摩擦生熱導(dǎo)致箔材之間凸起部分溫度升高，在靜壓力的作用下發(fā)生塑性變形，同時(shí)處于超聲能場(chǎng)的金屬原子將發(fā)生擴(kuò)散形成界面結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)金屬逐層增材固結(jié)成形制造。將增材快速成形與數(shù)控銑削等工藝相結(jié)合，形成超聲波固結(jié)成形與制造一體化的3D 打印技術(shù)。

3、超聲波增材制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
與高能束金屬零件快速成形技術(shù)相比，超聲波固結(jié)成形與制造技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1） 原材料是采用一定厚度的普通商用金屬帶材，如鋁帶、銅帶、鈦帶、鋼帶等，而不是特殊的增材制造用金屬粉末，所以原材料來源廣泛，價(jià)格低廉。

（2） 超聲波固結(jié)過程是固態(tài)連接成形，溫度低，一般是金屬熔點(diǎn)的25%~50%，因此材料內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，成形后無須進(jìn)行去應(yīng)力退火。

（3） 節(jié)省能源，所消耗的能量只占傳統(tǒng)成形工藝的5% 左右；不產(chǎn)生任何焊渣、污水、有害氣體等廢物污染，因而是一種節(jié)能環(huán)保的快速成形與制造方法。

（4） 該技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，易實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜形狀零件的疊層制造和數(shù)控加工一體化，可制作深槽、空洞、網(wǎng)格、內(nèi)部蜂巢狀結(jié)構(gòu)，以及形狀復(fù)雜的傳統(tǒng)加工技術(shù)無法制造的金屬零件，還可根據(jù)零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實(shí)現(xiàn)梯度功能。

（5） 超聲波固結(jié)不僅可以獲得近100% 的物理冶金界面結(jié)合率，且在界面局部區(qū)域可發(fā)生晶粒再結(jié)晶，局部生長(zhǎng)納米簇，從而使材料結(jié)構(gòu)性能
提高。此外，固結(jié)過程箔材表面氧化膜可以被超聲波擊碎，無需事先對(duì)材料進(jìn)行表面預(yù)處理。

（6） 該技術(shù)不僅可用于金屬基復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)、金屬泡沫和金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)面板的快速鋪設(shè)成形和制造，且由于該技術(shù)的制造過程是低溫固態(tài)物理冶金反應(yīng)，因而可把功能元器件植入其中，制備出智能結(jié)構(gòu)和零部件。

（7） 除了用于大型板狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件以外，超聲波固結(jié)成形裝備還可用于制造疊層封裝材料、疊層復(fù)合電極、薄材疊層，并且采用這些材料以及后處理工藝制作出精密電子元器件封裝結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的疊層薄壁結(jié)構(gòu)件。

二、超聲波增材制造裝備
在研發(fā)出大功率超聲波換能器的基礎(chǔ)上，美國(guó)首先研發(fā)了國(guó)際上第一臺(tái)利用超聲波能量固結(jié)成形的非高能束成形增材制造裝備。該系統(tǒng)單道次固結(jié)的金屬箔材寬度達(dá)到25mm，實(shí)現(xiàn)了超聲波固結(jié)從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)到面對(duì)面的拓展。經(jīng)過10 余年的發(fā)展，目前超聲波增材制造裝備已發(fā)展到第三代產(chǎn)品。

表1 為美國(guó)一、二、三代超聲波增材制造裝備技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。從總體技術(shù)水平來看，第一代產(chǎn)品僅能被稱作為原型機(jī)，許多功能并不完善。第二代裝備在第一代的基礎(chǔ)上增加了3 軸CNC 加工系統(tǒng)、自動(dòng)送料系統(tǒng)并擴(kuò)大了工作空間，第三代裝備則又進(jìn)一步擴(kuò)大了工作空間和焊頭的最大垂直載荷，從而使之具有快速制造大尺寸零部件的能力，第三代超聲波增材制造裝備如圖3 所示。美國(guó)第三代超聲波增材制造裝備的工作空間大小已達(dá)到（1800×1800×900）mm3，而且加工的材料也從最初的低強(qiáng)度鋁合金擴(kuò)展到了Cu、316 不銹鋼、 Ni 和Ti-6-4 合金等。

美國(guó)研發(fā)的具有快速制造能力的超聲波增材制造裝備和技術(shù)代表了目前國(guó)際超聲波增材成形與制造技術(shù)的最高水平，它可以用于金屬疊層復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)金屬層狀復(fù)合材料、疊層智能結(jié)構(gòu)等的快速制造，也可用于深槽、空洞、網(wǎng)格、內(nèi)部蜂巢狀結(jié)構(gòu)體等形狀復(fù)雜的金屬零件的快速成形與制造。由于超聲固結(jié)材料、技術(shù)和設(shè)備的特殊用途及其在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用背景，美國(guó)對(duì)中國(guó)實(shí)施嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，禁止有關(guān)公司向中國(guó)出口超聲波固結(jié)設(shè)備和技術(shù)。

三、超聲波增材制造技術(shù)的應(yīng)用
由于超聲波增材制造技術(shù)獨(dú)特的低溫制造優(yōu)點(diǎn)，在制造需嵌入功能性元器件的復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)時(shí)，能夠保證功能元器件不被損壞和失效，因此尤為適合將功能性元器件嵌入制成功能/ 智能材料和結(jié)構(gòu)。同時(shí)，其獨(dú)特的疊層制造方式，以及增材制造中增材/ 減材相搭配的制造方法，使得超聲波增材制造技術(shù)成功地應(yīng)用于同種、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)。此外，超聲波增材制造技術(shù)還被應(yīng)用于電子封裝結(jié)構(gòu)、航空零部件、金屬蜂窩板結(jié)構(gòu)、熱交換器等復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)零部件的制造。因此，該技術(shù)和裝備在航空航天、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。下面簡(jiǎn)要介紹超聲波增材制造技術(shù)在復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)、零部件等制造中的應(yīng)用。

1、層狀材料和結(jié)構(gòu)材料
超聲波增材制造技術(shù)的應(yīng)用之一即為層狀材料的疊層堆積制造，可制備出疊層復(fù)合材料。無論是對(duì)于同種金屬還是異種金屬都能取得理想的固結(jié)質(zhì)量。在層狀材料的制備中，超聲波增材制造技術(shù)有著相比其他制備方法更加迅速、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，并能達(dá)到近100% 的界面結(jié)合率及良好界面結(jié)合強(qiáng)度（圖4 為超聲波固結(jié)Ti/Al 異種金屬SEM 掃描圖像）。在金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的兩步法制備過程中，超聲波固結(jié)方法已成功制造出Ti/Al 疊層毛坯，用于后續(xù)的燒結(jié)制備金屬間化合物基層狀復(fù)合材料。

2、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
現(xiàn)有的材料技術(shù)已經(jīng)越來越多地由之前的純金屬及合金轉(zhuǎn)向復(fù)合材料的應(yīng)用研究。雖然復(fù)合材料有著許多純材料及合金無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但相關(guān)學(xué)者仍在不斷地尋找復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制。以層狀復(fù)合材料為例，在基體中埋入SiC 陶瓷纖維或者NiTi 形狀記憶合金纖維，能夠在很大程度上改善原有復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性等力學(xué)指標(biāo)以及取得減震降噪等特殊性能，達(dá)到材料的強(qiáng)韌化及功能性等目的。采用超聲波增材制造技術(shù)制造出的Al2O3 纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料如圖5（a）所示，碳芯SiC 纖維強(qiáng)化Ti/Al 復(fù)合材料如圖5（b）所示。

3 、功能/智能材料
利用超聲波增材制造技術(shù)已經(jīng)成功地在金屬基體中埋入光導(dǎo)纖維、多功能元器件等，從而制造出金屬基功能/ 智能復(fù)合材料。在金屬基體中直接植入電子元器件等能夠在很大程度上提高元器件的精密度，并簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高空間利用率。同時(shí)，超聲波增材制造過程中進(jìn)行的局部低溫固態(tài)物理冶金反應(yīng)，避免了高能束成形制造時(shí)導(dǎo)致植入元器件的失效和增強(qiáng)體性能的劣化問題。試驗(yàn)表明，采用優(yōu)化的超聲波增材制造技術(shù)，在鋁合金疊層中埋入的光纖沒有出現(xiàn)明顯的變形和破壞，保持了原有的性能。圖6 所示為鋁基體中使用超聲波增材制造方法嵌入光纖材料的功能材料。

4、金屬蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)
超聲波增材制造技術(shù)的另一個(gè)應(yīng)用是金屬蜂窩夾芯板的制造。眾所周知，目前航空航天領(lǐng)域?qū)τ谛乱淮�的超輕高強(qiáng)材料的需求迫切，復(fù)合材料雖然能夠在一定程度上滿足這些需求但還不夠完美，利用超聲波增材制造技術(shù)能夠制造出新一代輕質(zhì)金屬蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)材料，中空蜂窩骨架結(jié)構(gòu)的支撐及表層金屬共同構(gòu)成的三明治夾心結(jié)構(gòu)優(yōu)化了強(qiáng)度和密度比，使其擁有優(yōu)異的力學(xué)性能和輕質(zhì)特性。圖7 所示為超聲波增材制造技術(shù)制備出的金屬蜂窩夾芯板。

5、金屬疊層零部件制造
由于超聲波增材制造技術(shù)能夠制造出內(nèi)腔復(fù)雜、精確的疊層結(jié)構(gòu)，所以近年來在金屬零部件制造領(lǐng)域中的應(yīng)用前景漸顯。逐層制造的特點(diǎn)使得很容易設(shè)計(jì)并制造出獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于精密電子元器件的封裝（圖8（a）），鋁合金航空零部件（圖8（b））的快速制造和鋁合金微通道熱交換器（圖8（c））等零部件及結(jié)構(gòu)件的制造。

四、結(jié)束語
當(dāng)前，增材制造技術(shù)已經(jīng)從研發(fā)轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，數(shù)字化增材制造技術(shù)在高形狀復(fù)雜度、高功能復(fù)雜度、低成本和輕量化零件的制造方面發(fā)揮著巨大的作用，被認(rèn)為是現(xiàn)代制造業(yè)的一次工業(yè)革命，正在向高功能、高性能材料零件直接制造方向發(fā)展。作為增材制造技術(shù)的一種，超聲波增材制造技術(shù)具有諸多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，并可以預(yù)見到在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)有很大的發(fā)展前景。但對(duì)目前而言，超聲波增材制造技術(shù)還存在一些不足，如目前的超聲波功率只能對(duì)厚度小于0.4mm的鋁箔進(jìn)行快速成形，對(duì)于鈦合金可實(shí)施固結(jié)的厚度則更小。這是因?yàn)楫?dāng)超聲波固結(jié)技術(shù)應(yīng)用于較大厚度和較高強(qiáng)度金屬板材時(shí)，需要大幅提高超聲波換能器的輸出功率，這給加載系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)及制造帶來一系列難以解決的問題。所以，如何拓寬超聲波增材制造技術(shù)的工藝適用范圍和加工能力，滿足厚度大和強(qiáng)度高金屬板材的增材制造是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

超聲波增材制造技術(shù)在原有較為初級(jí)的超聲波金屬焊接的基礎(chǔ)上經(jīng)過不斷發(fā)展，在技術(shù)上突破了對(duì)金屬材料焊接應(yīng)用中焊頭強(qiáng)度和換能器功率的限制，具有能夠固結(jié)大尺寸連續(xù)材料的能力，并具有了其他傳統(tǒng)制造方法所欠缺的快速精密制造能力。雖然目前超聲波增材制造技術(shù)還不及其他幾種高能束增材制造方法完善，但由于其獨(dú)特的低溫快速、綠色環(huán)保的技術(shù)特點(diǎn)，可以預(yù)見在未來能夠應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如大型復(fù)雜薄壁板狀零部件、連續(xù)纖維輕金屬預(yù)制帶材、金屬泡沫蜂窩夾芯板材、智能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料疊層電極等的快速成形和制造。超聲波快速固結(jié)成形制造技術(shù)必將成為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)不可取代的分支。

來源：增材制造協(xié)會(huì)
延伸閱讀：新型超聲波3D打印技術(shù)：非接觸操控，能處理多種材料

沒想到超聲波能量密度這么大，不知道能誘發(fā)輕核聚變不，目前確實(shí)也有人這么做哈。值得關(guān)注。