哈尔滨工程大学教授姜风春：大功率超声能场在快速成形制造中的应用

2019年9月19-21日，IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛将在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技创新的开放合作共享交流平台，汇聚全球顶尖的增材制造（3D打印）领域成果及人才，促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体，到西安现场全程报道。

2019年9月 20 日“增材制造工艺与装备论坛”，哈尔滨工程大学教授姜风春做了主题是《大功率超声能场在快速成形制造中的应用》的报告。

下面是现场速记：

非常感谢有这样一个平台跟大家一起交流，超声能场在快速成形制造中的发展趋势。上面几个报告主要是金属增材制造，我们知道金属增材制造面临的挑战或者瓶颈，我们跟高分子材料和生物医疗方面相比发展比较慢的原因，成本高，成形效率低，零部件的力学性能差等，在座的各位就是要解决这些瓶颈，克服这些技术瓶颈。

一、大功率超声能场与快速固结成形

什么是超声波？这也是一种能量，通电可以振动，这是传统的超声波装置，应用很广。我们知道的有B超、彩超等，我们在用到超声波的时候，干扰结晶，细化晶粒。真正把它工业化是前苏联，我们国家从九几年开始了这方面的工作。这个设备很简单，不超过20恩万块钱，全国有不少于300台，那么怎么和我们的增材制造结合起来，只要拿到就可以改进力学性能。因为它功率比较低，在薄板焊接方面用的比较多。后来美国在90年代时，它把两个换能器连接在一起，这两个换能器相位正好差180度，功率叠加在一起可以用来成形加工，这是双换能器技术。

超声波固结成形原理，在一定的压力和有限温升条件下，利用超声波的能量将金属板焊接在一起，是一种低温快速固结成形技术。很多技术都可以，这个图是5×4界面的，它的优点可以看到低温，没有熔化，这是美国2013年造出来的一体化设备，大家看一看这个视频。大家可能有朋友会问，为什么不直接用铝合金呢？效率高、成本低，大家看看它的奥秘在哪里？它可以把一种金属甚至金属和陶瓷，把传感器、把连接纤维放进去。右下角这个铝合金的航空零部件，是几种铝合金放在一起进行，常规的铸造熔炼都做不到。这个是智能法兰盘，采用传统浇铸的方法传感器肯定会遭到破坏，所以这个进行物理成形，可以把传感器放进去。这只可以做大面积的板状，复杂的形状是做不了的。

二、超声能场快速成形基础科学问题

因为装备设置到航空国防领域，国内上没有这样的设备，国际上也不对外卖，要做这样基础的研究，我们做了这样一台设备。我们把微型的热电炉放在里面测它的温度，最高温度70多度，当然跟正负荷压力有关系，温度非常低。比如铜和钛很难复合在一起，通过铝的过渡可以把两者结合在一起。超声波固结以后我们再进行烧结，也可以把钛铝直接烧结，通过超声波固结以后再烧结，三个小时基本上残余的铝就没有了，如果直接烧的话时间会很长。这是我们做的对比，有UC就反映的速度非常快，超声波是一种能量，给界面输入了能量，在最后反应的过程中加速了反应。这是我们做的界面的一些结果，除了把超声波研究明白以后，比如钛合金超过0.3毫米就很难固结在一起，还要预热。这里面我们研究了超声+功能脉冲电流的变化，随着脉冲电厂强度的增加，扩散层明显增加，增加了三倍，加速原子扩散。同时把纤维放了进去。我们利用这个工艺把连续纤维放进去，纤维都是几百根，无论是碳纤维，我们用超声波的方法均匀的分散开，依靠这个技术把纤维均匀分散开，同时引入到复合材料里面去，经过叠层烧结，把高性能纤维引到材料里面去，这是它的应用。

我们研究它的科学原理，进行剥离试验，在正负28的时候再增加到30的时候，突然出现一个质的变化，这里面蕴含着科学道理，发生了质的变化，我们就要采用现代的材料科学表征手段，对界面进行表征，发现扩散曲线是不一样的，上面是28抖动非常厉害，下面的曲线很光滑，当然它的扩散也不一样。结果发现在他们的层界面上，靠近铝箔方面有一种非晶和纳米晶形成的连续混合条带。这是有利于界面结合的，或者提高界面性能的，在超声的扩散下，形成了一个分晶层，这个形成的混合条带把钛和铝融在了一起。结果表征出来，铝箔不像我们表面处理掉酸洗，铝箔很容易形成氧化物，超声波穿透打碎，均匀分散在界面上，形成了良好的结果。

三、超声能场辅助金属增材制造技术

零部件的力学性能比较差主要是由于是铸造组织，达不到锻件的水平。我们在线处理的手段，包括滚轧，都是为了组织和缺陷的问题，超声波也有这样的功能。后处理方法有很多，做金属增材制造的都知道热等静压小零件是可以的，950度放在炉子里面，性能很好。但是如果是十几吨十几米的大零件怎么办？也做这样一个大熔炉要投资几十亿，造价非常昂贵。所以对大件热等静压的技术是受限制的。滚压扎制也有这样的问题。钛合金50千米是125，75千米的是89，压力非常大，几毫米的薄配件，这么大的压力肯定是不行的，这适合大尺寸实心的零件，所以这个方法有一定的局限性。这个设备目前国内外用了很多，并且陆续发了一些专利。

刚才我提到了超声，这是一个很好的方法，传统的超声，市面上卖的那些设备，大家看上面三个头是可以拿出来，前面幻灯器连在一起，这个头是分级的，只有几百个赫兹，所以国内南方大学一个教授研究，不用超声波，自己做一个头也达到机械频率，结果果然验证作用是一样的。所谓的超声波根本不是超声的频率，是机械频率，只是用超声波那个换能器作为振源，同样可以用机械的作用产生几百赫兹的振动也是可以的。

超声波技术在最近几年是比较看好的，这是我们做的工作，我们做的工作是把冲击针和换能器连在一起，不再分级，不再是机械振动。但是这里面有一些难度，我们以这个为基础把它应用到增材制造中。这是为了验证超声波的作用做了实验平台。我们用这个实验平台验证超声波做的效果，我们看A和D对照，A在左上脚，这有很多的缺陷，有冲击和没有冲击的很明显，这种冲击最后实现在表面发生了形变强化。这是晶粒的情况，这是一个实验结果。残余应力，没有冲击的是拉应力，有冲击的是压应力，刚才的结果是一毫米左右，我们这个是1.5毫米左右，跟材料是有关系的。我们如果把这个控制在1.5毫米左右，每一层都可以穿透，都提出残余应力，把拉应力变成压应力。

我们发现冲击过程当中发生了相变，奥氏体含量的变化趋势，因为相变是超声诱发马氏体相变，反正低冲都有变形和应力。钛性复合材料是非常难成形的，我们经过这样处理以后组织非常均匀。超声冲击头离前面的熔池这是很重要的影响因素。超声波的距离离的越近冲击的温度越高，这是我们做的实验，十毫米的时候这是888度，这个是很简单的，随着距离的增加温度越来越低，我们在不同的点冲击，这里面发生的组织性能变化是不一样的，大家看一下右下角这个图，蓝的是离的很近的，十毫米的，上面是10、20、30，为什么越近它的硬度越低，是因为10毫米是888度，冲击的时候发生了再冶晶。这个工作我们现在正在做。

我们还做了一个项目，俄罗斯在高能脉冲上做了一些工作，希望这个能解决钛级复合材料的问题。刚刚很多报告提到了增减材，这个方面将来的市场很大，有可能跟数控机床平分市场，我们提前做一些项目，当然我们做的是大型的，而不是摇篮式的数控机床加工上的增材。那个承受能力很差，这些都是我们正在做的项目。这是非晶涂层技术，非晶在过程中容易晶化，性能就大幅度下降，所以我们要采用超高速激光熔覆，超声干扰结晶，就要变成非晶。还有激光光内送粉快速加热，这都是我们做的工作。我们的工作得到了国家科技部、国家自然科学基金委的帮助，也感谢我的团队。

谢谢各位！