科學(xué)家證實(shí)超聲波3D打印鋁部件，采用預(yù)處理可強(qiáng)化金屬機(jī)械強(qiáng)度

2022年10月27日，南極熊獲悉，一組科研人員開展了如何在超聲波3D打印（UAM）中強(qiáng)化預(yù)處理鋁的問題。

△鋁材示意圖

該研究由田納西大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家共同研究。皆在探索預(yù)處理對(duì)超聲波3D打印鋁部件微觀結(jié)構(gòu)的影響，包括退火和T4回火。它們可以對(duì)材料的熱機(jī)械能態(tài)產(chǎn)生影響，產(chǎn)生能量有利的沉淀物。

△該研究表明，鋁(Al 6061)在通過超聲波3D打印鍵合之前，通過回火和退火進(jìn)行預(yù)處理，冶金的機(jī)械強(qiáng)度特征會(huì)增加而不是降低

超聲波3D打印技術(shù)背景
3D打印已成為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(shì)，包括自由形式設(shè)計(jì)、多材料打印能力、低成本以及施工后沒有廢料。

在過去的幾十年中，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)等。

近年來，超聲波3D打印針對(duì)難以焊接或異種材料生產(chǎn)具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，該方法可以加工的材料包括鋁鈦、鋼鎳、鎳鋁和鋁銅。在應(yīng)用方向上，該技術(shù)可以廣泛用于工程結(jié)構(gòu)，例如新型冷卻通道、強(qiáng)化復(fù)合材料和傳感器嵌入式結(jié)構(gòu)等。

超聲波3D打印是一種基于傳統(tǒng)加工工藝“超聲波焊接”的技術(shù)。此工藝不同于以往的3D打印熔融機(jī)制，其超聲波驅(qū)動(dòng)器對(duì)箔施加超聲波振動(dòng)，產(chǎn)生的震動(dòng)摩擦去除表面氧化物和污染物，同時(shí)新的薄片填平原來表面的粗糙，并在壓力下瞬時(shí)結(jié)合形成新表面或選擇性去除不需要的材料，該技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是在低溫下就可以進(jìn)行金屬3D打印。

△由Fabrisonic 開發(fā)的混合加減法SonicLayer 4000 UAM 3D打印系統(tǒng)

評(píng)估超聲波3D打印零件的機(jī)械性能
可以使用多種測(cè)試方法，來評(píng)估該技術(shù)制造的零件機(jī)械性能。這些包括拉伸測(cè)試、剪切測(cè)試、納米壓痕測(cè)試和顯微硬度測(cè)試。

剪切測(cè)試通常用于初步調(diào)查打印部件的粘合強(qiáng)度。縱向拉伸測(cè)試，可提供有關(guān)整體結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的最佳信息。然而，構(gòu)建方向拉伸測(cè)試，不提供比初始剪切測(cè)試更多的信息，因?yàn)樗鼈冎粶y(cè)試最薄弱的界面。

有限元模型也被用于研究，揭示了施加的塑性變形與位錯(cuò)密度增加之間的關(guān)系。這種變形作用細(xì)化了打印材料中的晶粒尺寸。研究表明，打印界面處的納米級(jí)空隙可以潛在地提高材料的強(qiáng)度，其中分散的位錯(cuò)阻擋效應(yīng)起著關(guān)鍵作用。

根據(jù)先前的研究表明，在超聲波3D打印零件時(shí)界面處會(huì)產(chǎn)生微孔和剪切帶。當(dāng)承受拉伸載荷時(shí)，界面可能會(huì)發(fā)生負(fù)面行為，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。一些研究人員觀察到與體積值相比，構(gòu)建強(qiáng)度降低。

由于該工藝的高應(yīng)變率塑性變形，超聲波3D打印會(huì)導(dǎo)致材料的顯著微觀結(jié)構(gòu)變化。可以形成點(diǎn)缺陷空位和位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，盡管到目前為止，還缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)來證實(shí)這一點(diǎn)。但是一些研究表明，與其他方法生產(chǎn)的零件相比，焊縫的老化速度更快。

△該研究成果已發(fā)表在sciencedirect，題目為“超聲波3D打印制造中預(yù)處理鋁的強(qiáng)化”（傳送門）

研究結(jié)果
該團(tuán)隊(duì)對(duì)預(yù)處理的鋁樣品進(jìn)行了滾動(dòng)x方向拉伸試驗(yàn)，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(qiáng)化效果。評(píng)估了Al 6061的回火T4和退火O條件。

根據(jù)拉伸測(cè)試結(jié)果表明，粘合材料的強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，納米壓痕測(cè)試顯示粘合鋁部件中的箔界面比散裝箔強(qiáng)得多。整體強(qiáng)化是由鍵合材料界面區(qū)域的晶格變化引起的。

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和恢復(fù)以及絕熱加熱導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)變化，包括鋁晶格應(yīng)變?cè)黾�、單空位合并成空位簇、點(diǎn)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，觀察到Mg 2 Si 沉淀物的鎂擴(kuò)散和溶解增強(qiáng)。

正如該團(tuán)隊(duì)所指出的，一個(gè)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(duì)機(jī)械強(qiáng)度性能和微觀結(jié)構(gòu)演變的影響的同時(shí)，本文為未來的研究提供了深入的知識(shí)基礎(chǔ)。

該論文得到了空軍國家實(shí)驗(yàn)室和美國能源部等機(jī)構(gòu)的資助。