哈爾濱工程大學(xué)教授姜風(fēng)春：大功率超聲能場(chǎng)在快速成形制造中的應(yīng)用

2019年9月19-21日，IAME中國(guó)（西安）國(guó)際3D打印博覽會(huì)暨高峰論壇將在西安高新國(guó)際會(huì)議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技創(chuàng)新的開(kāi)放合作共享交流平臺(tái)，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打�。╊I(lǐng)域成果及人才，促進(jìn)行業(yè)各環(huán)節(jié)、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體，到西安現(xiàn)場(chǎng)全程報(bào)道。

2019年9月 20 日“增材制造工藝與裝備論壇”，哈爾濱工程大學(xué)教授姜風(fēng)春做了主題是《大功率超聲能場(chǎng)在快速成形制造中的應(yīng)用》的報(bào)告。

下面是現(xiàn)場(chǎng)速記：

非常感謝有這樣一個(gè)平臺(tái)跟大家一起交流，超聲能場(chǎng)在快速成形制造中的發(fā)展趨勢(shì)。上面幾個(gè)報(bào)告主要是金屬增材制造，我們知道金屬增材制造面臨的挑戰(zhàn)或者瓶頸，我們跟高分子材料和生物醫(yī)療方面相比發(fā)展比較慢的原因，成本高，成形效率低，零部件的力學(xué)性能差等，在座的各位就是要解決這些瓶頸，克服這些技術(shù)瓶頸。

一、大功率超聲能場(chǎng)與快速固結(jié)成形

什么是超聲波？這也是一種能量，通電可以振動(dòng)，這是傳統(tǒng)的超聲波裝置，應(yīng)用很廣。我們知道的有B超、彩超等，我們?cè)谟玫匠�聲波的時(shí)候，干擾結(jié)晶，細(xì)化晶粒。真正把它工業(yè)化是前蘇聯(lián)，我們國(guó)家從九幾年開(kāi)始了這方面的工作。這個(gè)設(shè)備很簡(jiǎn)單，不超過(guò)20恩萬(wàn)塊錢，全國(guó)有不少于300臺(tái)，那么怎么和我們的增材制造結(jié)合起來(lái)，只要拿到就可以改進(jìn)力學(xué)性能。因?yàn)樗�功率比較低，在薄板焊接方面用的比較多。后來(lái)美國(guó)在90年代時(shí)，它把兩個(gè)換能器連接在一起，這兩個(gè)換能器相位正好差180度，功率疊加在一起可以用來(lái)成形加工，這是雙換能器技術(shù)。

超聲波固結(jié)成形原理，在一定的壓力和有限溫升條件下，利用超聲波的能量將金屬板焊接在一起，是一種低溫快速固結(jié)成形技術(shù)。很多技術(shù)都可以，這個(gè)圖是5×4界面的，它的優(yōu)點(diǎn)可以看到低溫，沒(méi)有熔化，這是美國(guó)2013年造出來(lái)的一體化設(shè)備，大家看一看這個(gè)視頻。大家可能有朋友會(huì)問(wèn)，為什么不直接用鋁合金呢？效率高、成本低，大家看看它的奧秘在哪里？它可以把一種金屬甚至金屬和陶瓷，把傳感器、把連接纖維放進(jìn)去。右下角這個(gè)鋁合金的航空零部件，是幾種鋁合金放在一起進(jìn)行，常規(guī)的鑄造熔煉都做不到。這個(gè)是智能法蘭盤，采用傳統(tǒng)澆鑄的方法傳感器肯定會(huì)遭到破壞，所以這個(gè)進(jìn)行物理成形，可以把傳感器放進(jìn)去。這只可以做大面積的板狀，復(fù)雜的形狀是做不了的。

二、超聲能場(chǎng)快速成形基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題

因?yàn)檠b備設(shè)置到航空國(guó)防領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)上沒(méi)有這樣的設(shè)備，國(guó)際上也不對(duì)外賣，要做這樣基礎(chǔ)的研究，我們做了這樣一臺(tái)設(shè)備。我們把微型的熱電爐放在里面測(cè)它的溫度，最高溫度70多度，當(dāng)然跟正負(fù)荷壓力有關(guān)系，溫度非常低。比如銅和鈦很難復(fù)合在一起，通過(guò)鋁的過(guò)渡可以把兩者結(jié)合在一起。超聲波固結(jié)以后我們?cè)龠M(jìn)行燒結(jié)，也可以把鈦鋁直接燒結(jié)，通過(guò)超聲波固結(jié)以后再燒結(jié)，三個(gè)小時(shí)基本上殘余的鋁就沒(méi)有了，如果直接燒的話時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。這是我們做的對(duì)比，有UC就反映的速度非常快，超聲波是一種能量，給界面輸入了能量，在最后反應(yīng)的過(guò)程中加速了反應(yīng)。這是我們做的界面的一些結(jié)果，除了把超聲波研究明白以后，比如鈦合金超過(guò)0.3毫米就很難固結(jié)在一起，還要預(yù)熱。這里面我們研究了超聲+功能脈沖電流的變化，隨著脈沖電廠強(qiáng)度的增加，擴(kuò)散層明顯增加，增加了三倍，加速原子擴(kuò)散。同時(shí)把纖維放了進(jìn)去。我們利用這個(gè)工藝把連續(xù)纖維放進(jìn)去，纖維都是幾百根，無(wú)論是碳纖維，我們用超聲波的方法均勻的分散開(kāi)，依靠這個(gè)技術(shù)把纖維均勻分散開(kāi)，同時(shí)引入到復(fù)合材料里面去，經(jīng)過(guò)疊層燒結(jié)，把高性能纖維引到材料里面去，這是它的應(yīng)用。

我們研究它的科學(xué)原理，進(jìn)行剝離試驗(yàn)，在正負(fù)28的時(shí)候再增加到30的時(shí)候，突然出現(xiàn)一個(gè)質(zhì)的變化，這里面蘊(yùn)含著科學(xué)道理，發(fā)生了質(zhì)的變化，我們就要采用現(xiàn)代的材料科學(xué)表征手段，對(duì)界面進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散曲線是不一樣的，上面是28抖動(dòng)非常厲害，下面的曲線很光滑，當(dāng)然它的擴(kuò)散也不一樣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在他們的層界面上，靠近鋁箔方面有一種非晶和納米晶形成的連續(xù)混合條帶。這是有利于界面結(jié)合的，或者提高界面性能的，在超聲的擴(kuò)散下，形成了一個(gè)分晶層，這個(gè)形成的混合條帶把鈦和鋁融在了一起。結(jié)果表征出來(lái)，鋁箔不像我們表面處理掉酸洗，鋁箔很容易形成氧化物，超聲波穿透打碎，均勻分散在界面上，形成了良好的結(jié)果。

三、超聲能場(chǎng)輔助金屬增材制造技術(shù)

零部件的力學(xué)性能比較差主要是由于是鑄造組織，達(dá)不到鍛件的水平。我們?cè)诰�處理的手段，包括滾軋，都是為了組織和缺陷的問(wèn)題，超聲波也有這樣的功能。后處理方法有很多，做金屬增材制造的都知道熱等靜壓小零件是可以的，950度放在爐子里面，性能很好。但是如果是十幾噸十幾米的大零件怎么辦？也做這樣一個(gè)大熔爐要投資幾十億，造價(jià)非常昂貴。所以對(duì)大件熱等靜壓的技術(shù)是受限制的。滾壓扎制也有這樣的問(wèn)題。鈦合金50千米是125，75千米的是89，壓力非常大，幾毫米的薄配件，這么大的壓力肯定是不行的，這適合大尺寸實(shí)心的零件，所以這個(gè)方法有一定的局限性。這個(gè)設(shè)備目前國(guó)內(nèi)外用了很多，并且陸續(xù)發(fā)了一些專利。

剛才我提到了超聲，這是一個(gè)很好的方法，傳統(tǒng)的超聲，市面上賣的那些設(shè)備，大家看上面三個(gè)頭是可以拿出來(lái)，前面幻燈器連在一起，這個(gè)頭是分級(jí)的，只有幾百個(gè)赫茲，所以國(guó)內(nèi)南方大學(xué)一個(gè)教授研究，不用超聲波，自己做一個(gè)頭也達(dá)到機(jī)械頻率，結(jié)果果然驗(yàn)證作用是一樣的。所謂的超聲波根本不是超聲的頻率，是機(jī)械頻率，只是用超聲波那個(gè)換能器作為振源，同樣可以用機(jī)械的作用產(chǎn)生幾百赫茲的振動(dòng)也是可以的。

超聲波技術(shù)在最近幾年是比較看好的，這是我們做的工作，我們做的工作是把沖擊針和換能器連在一起，不再分級(jí)，不再是機(jī)械振動(dòng)。但是這里面有一些難度，我們以這個(gè)為基礎(chǔ)把它應(yīng)用到增材制造中。這是為了驗(yàn)證超聲波的作用做了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。我們用這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證超聲波做的效果，我們看A和D對(duì)照，A在左上腳，這有很多的缺陷，有沖擊和沒(méi)有沖擊的很明顯，這種沖擊最后實(shí)現(xiàn)在表面發(fā)生了形變強(qiáng)化。這是晶粒的情況，這是一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。殘余應(yīng)力，沒(méi)有沖擊的是拉應(yīng)力，有沖擊的是壓應(yīng)力，剛才的結(jié)果是一毫米左右，我們這個(gè)是1.5毫米左右，跟材料是有關(guān)系的。我們?nèi)绻�把這個(gè)控制在1.5毫米左右，每一層都可以穿透，都提出殘余應(yīng)力，把拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力。

我們發(fā)現(xiàn)沖擊過(guò)程當(dāng)中發(fā)生了相變，奧氏體含量的變化趨勢(shì)，因?yàn)橄嘧兪浅�聲誘發(fā)馬氏體相變，反正低沖都有變形和應(yīng)力。鈦性復(fù)合材料是非常難成形的，我們經(jīng)過(guò)這樣處理以后組織非常均勻。超聲沖擊頭離前面的熔池這是很重要的影響因素。超聲波的距離離的越近沖擊的溫度越高，這是我們做的實(shí)驗(yàn)，十毫米的時(shí)候這是888度，這個(gè)是很簡(jiǎn)單的，隨著距離的增加溫度越來(lái)越低，我們?cè)诓煌�的點(diǎn)沖擊，這里面發(fā)生的組織性能變化是不一樣的，大家看一下右下角這個(gè)圖，藍(lán)的是離的很近的，十毫米的，上面是10、20、30，為什么越近它的硬度越低，是因?yàn)?0毫米是888度，沖擊的時(shí)候發(fā)生了再冶晶。這個(gè)工作我們現(xiàn)在正在做。

我們還做了一個(gè)項(xiàng)目，俄羅斯在高能脈沖上做了一些工作，希望這個(gè)能解決鈦級(jí)復(fù)合材料的問(wèn)題。剛剛很多報(bào)告提到了增減材，這個(gè)方面將來(lái)的市場(chǎng)很大，有可能跟數(shù)控機(jī)床平分市場(chǎng)，我們提前做一些項(xiàng)目，當(dāng)然我們做的是大型的，而不是搖籃式的數(shù)控機(jī)床加工上的增材。那個(gè)承受能力很差，這些都是我們正在做的項(xiàng)目。這是非晶涂層技術(shù)，非晶在過(guò)程中容易晶化，性能就大幅度下降，所以我們要采用超高速激光熔覆，超聲干擾結(jié)晶，就要變成非晶。還有激光光內(nèi)送粉快速加熱，這都是我們做的工作。我們的工作得到了國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委的幫助，也感謝我的團(tuán)隊(duì)。

謝謝各位！