导读：超声波增材制造技术是一种采用大功率超声能量，以金属箔材作为原材料，利用金属层与层之间振动摩擦产生的热量，促进界面间金属原子相互扩散并形成界面固态物理冶金结合，从而实现金属带材逐层叠加的增材制造成形技术。超声波增材制造逐步发展，可以对难以焊接的材料进行加工制造。但同时它会在零件界面处产生一些缺陷，降低零件的机械性能。如何提高超声波增材制造零件的机械性能，一直是研究者们研究的重点。
2022年10月，南极熊获悉，来自田纳西大学、俄亥俄州立大学、丹麦技术大学和橡树岭国家实验室的研究者们重点研究了预处理对超声波增材制造的性能影响。他们的研究已经发表在了SCI 一区的期刊《增材制造》上，题目为《Strengthening of Pretreated Aluminum During Ultrasonic Additive Manufacturing》。
超声波增材制造
增材制造已成为 21 世纪的关键颠覆性技术之一。与传统制造方法相比，它具有多种优势，包括自由形式设计、多材料打印能力、低成本以及打印后没有废料等。在过去的几十年中，人们已经开发了几种增材制造方法，包括材料挤出工艺、粘合剂喷射、粉末床融合、立体光刻、还原聚合和选择性激光烧结。
△超声波增材制造技术
近年来，超声波增材制造已成为使用难以焊接或异种材料生产结构的合适候选者。该方法可以加工的材料包括铝钛、钢镍、镍铝和铝铜。此外，超声波增材制造可以生产工程结构，例如新型冷却通道、强化复合材料和传感器嵌入式结构。超声波增材制造涉及使用超声波焊接在相对较低的温度下连接薄层压层。将新层焊接到先前沉积的层和/或选择性去除不需要的材料会创建 3D 打印部件。
评估超声波增材制造零件的机械性能
可以使用多种测试来评估使用超声波增材制造方法生产的零件的机械性能。这些包括拉伸测试、剪切测试、纳米压痕测试和显微硬度测试。剪切测试通常用于初步调查打印部件的粘合强度。纵向拉伸测试可提供有关整体结构机械性能的最佳信息。然而，构建方向拉伸测试提供的信息并不多，因为它们只测试最薄弱的界面。
先前的研究表明，在超声波增材制造零件的界面处会产生微孔和剪切带。当承受拉伸载荷时，这些”薄弱环节“可能会发生失效行为，例如由于微孔的聚结而导致的脆性破坏，从而导致孔洞的产生和开裂。
由于该工艺的高应变率塑性变形，超声波增材制造会导致材料的显着微观结构变化，可以形成点缺陷空位和位错结构，一些研究表明，与其他方法生产的零件相比，焊缝的老化速度更快。尽管到目前为止，还缺乏实验证据来证实这一点。
研究内容
预处理可以对打印部件的机械性能产生积极影响，包括退火和 T4 回火。它们可以对材料的热机械能态产生影响，产生能量有利的沉淀物。（该研究得到了空军国家实验室和美国能源部等机构的资助。）
作者对预处理的铝样品进行了 x 方向拉伸试验，揭示了这些部件的超声增材制造的微观结构演变和强化效果。评估了 Al 6061 的回火T4和退火的条件。拉伸测试结果表明，粘合材料的强度显着增强。纳米压痕测试显示粘合铝部件中的箔-箔界面单片箔强得多，整体强化是由键合材料界面区域的晶格变化引起的。
△Al 6061 T4 UAM微结构的SEM/EDS图a）STEM HAADF图像，b）铝的EDS图，c）镁的EDS图，d）硅的EDS图，e）铁的EDS图，f）锰的EDS图，g）铬的EDS图，h）氧的EDS图。
△T4 UAM制造的纳米压痕硬度图
研究还观察到了动态再结晶和恢复过程以及绝热加热导致的微观结构变化，包括铝晶格应变增加、单空位合并成空位簇、点缺陷空位的产生以及印刷和粘合材料中的细化晶粒尺寸。此外，研究人员观察到了Mg2Si沉淀物的镁扩散和溶解增强。
正如作者所指出的，一个潜在的未来研究方向可能包括通过改变加工参数（如粘合温度、诱导塑性应变率和材料的内部应变能）来改变塑性变形率的大小。在初步研究超声增材制造和预处理对机械强度性能和微观结构演变的影响的同时，本文为未来的研究提供了深入的知识基础。
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