焦飛飛，楊 勇，李 鵬，陸子川，果春煥，姜風春

(1.哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院，超輕材料與表面技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)(2.駐江南造船集團有限責任公司軍事代表室，上海 201913)

超聲波金屬快速增材制造成形機理研究進展

焦飛飛1，楊 勇2，李 鵬1，陸子川1，果春煥1，姜風春1

(1.哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院，超輕材料與表面技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)(2.駐江南造船集團有限責任公司軍事代表室，上海 201913)

為了克服現(xiàn)有的高能束金屬快速成形與制造工藝的局限性，近年來人們發(fā)展了超聲波金屬疊層結構快速固結成形與制造的技術，該技術采用大功率超聲能量，以金屬箔材為原材料，利用金屬層間振動摩擦產(chǎn)生的熱量，促進層間金屬原子相互擴散和形成固態(tài)物理冶金結合的界面，且具有溫度低、變形小、速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點，適合于復雜疊層零部件成形、加工一體化智能制造，是一種新型的增材制造3D打印技術。簡要介紹了超聲波金屬疊層結構快速固結成形與制造這一先進增材制造技術的應用，主要綜述了現(xiàn)有的Al/Al、Cu/Cu、Ti/Al等同種和異種金屬疊層系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化方面的研究成果，著重分析了超聲波固結成形金屬物理冶金的微觀機理和界面性能的表征技術。在此基礎上，針對目前超聲波金屬固結成形機理研究的現(xiàn)狀提出了有待深入研究的內容。

超聲波固結；金屬疊層復合材料；增材制造；界面性能；成形機理

1 前 言

近年來，在金屬超聲波固結(Ultrasonic Consolidation, UC)成形技術基礎上發(fā)展起來的超聲波增材制造(Ultrasonic Additive Manufacturing, UAM)技術引起了國內外的普遍關注。UAM技術采用大功率超聲能量，以金屬箔材為原材料，利用金屬層與層振動摩擦產(chǎn)生的熱量，使材料局部發(fā)生劇烈的塑性變形，從而達到原子間的物理冶金結合，實現(xiàn)同種或異種金屬材料間固態(tài)連接的一種特殊方法[1-3]。在超聲波金屬快速固結成形的基礎上，結合數(shù)控銑削等工藝，可實現(xiàn)超聲波增材成形與智能制造一體化。與現(xiàn)有高能三束(激光、粒子束和等離子束)增材快速成形與制造技術相比，UAM技術具有溫度低、小變形、速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點，適合于復雜疊層零部件成形、加工一體化智能制造，是一種新型的增材制造3D打印技術。目前，該技術已成功地應用于同種[4-11]和異種[12,13]金屬層狀復合材料、纖維增強復合材料[5,14-18]、梯度功能復合材料與結構[19,20]、智能材料與結構[21-23]的制造。此外，超聲波固結成形技術還被應用于電子封裝結構、航空零部件、熱交換器、金屬蜂窩板結構等復雜內腔結構零部件的制造[23-25]，在航空航天、國防、能源、交通等尖端支柱領域有著重要的應用前景。

UAM技術的基礎是超聲波金屬疊層材料的快速固結成形，實際上這是一種大功率超聲波金屬焊接過程。金屬連接成形過程中既不需向工件輸送電流，也不用向工件施以高溫熱源，只需在靜壓力作用之下，將彈性振動能量轉換為工件界面間的摩擦功、形變能及有限的溫升，使固結區(qū)域的金屬原子瞬間被激活，通過金屬塑性變形過程中界面處的原子相互擴散滲透，實現(xiàn)金屬間的固態(tài)連接。金屬超聲波焊接類似于摩擦焊，但其焊接時間很短，局部焊接區(qū)溫度低于金屬的再結晶溫度，并且與壓力焊相比，其所需施加的靜壓力小得多。迄今為止，超聲波固結成形的物理冶金機制還不是很清楚，仍然是超聲波快速增材制造技術研究的熱點問題。本文簡要介紹了超聲波固結成形技術在金屬疊層復合材料制備領域的應用，著重分析了超聲波金屬界面快速成形機理和界面性能表征技術方面的研究進展，針對目前的研究現(xiàn)狀，提出了將來需要深入研究的內容。

2 超聲波固結成形工藝及其應用

超聲波固結成形技術早期主要用于制備強度低、塑性好且易于冶金結合的同種金屬疊層材料體系，如鋁箔(Al3003、Al6061等)[10,26,27]。隨著超聲波裝備中關鍵部件換能器技術的發(fā)展，超聲波固結功率從3～4 kW提升至9 kW，使其成形能力進一步提高，該技術逐漸被應用于制備強度高的同種或異種金屬疊層材料，如退火316L[11]、Cu/Cu[28]、Ti/Al[12,29]、Al/Cu[30,31]等。

迄今為止，人們在超聲波固結同種金屬疊層材料的制備工藝優(yōu)化方面已經(jīng)做了大量的工作，如英國拉夫堡大學Kong等[26]對固結后的疊層Al3003試樣進行搭接剪切試驗和剝離試驗測量其界面結合強度，并通過界面微觀分析計算了界面的線結合密度(Linear Weld Density，LWD，表示結合區(qū)在界面中占的比例，是表征界面結合質量非常重要的參數(shù))，確定了超聲波固結成形制備疊層Al3003的最優(yōu)工藝參數(shù)窗口，要求振幅范圍8.4～14.3 μm，施加應力范圍0.172～0.276 MPa，固結速度不超過34.5 mm/s。Kong等[10]還研究了超聲波固結成形制備疊層Al6061的最優(yōu)工藝參數(shù)，也得出了其最優(yōu)工藝參數(shù)窗口，要求振幅范圍10.4～14.3 μm，施加應力范圍0.207～0.276 MPa，固結速度范圍27.8～38.8 mm/s。美國俄亥俄州州立大學利用Solidica公司的超聲波固結設備制備了疊層Al3003并對疊層材料進行系列研究，得出制備疊層Al3003的最優(yōu)工藝參數(shù)為：每道預固結參數(shù)要求壓力350 N，振幅12 μm，固結速度59.3 mm/s；每道固結參數(shù)要求壓力1150 N，振幅17 μm，固結速度42.3 mm/s[4]。美國猶他州州立大學Gonzalez等[11]則研究了超聲波固結成形技術制備疊層101.6 μm厚的退火316L不銹鋼的最優(yōu)工藝參數(shù)。以壓力、振幅和固結速度為水平因素進行正交試驗，以線結合密度為評估標準，通過方差分析(ANOVA)，得出制備疊層退火316L不銹鋼的最優(yōu)工藝參數(shù)為壓力1800 N，振幅27 μm，固結速度11 mm/s。由以上分析可知，不同的研究機構獲得的制備同種金屬疊層材料的成形工藝參數(shù)與所使用的設備存在很大關系，獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)之間的參考性有待商榷。隨著超聲波固結成形技術逐漸被應用于制備異種金屬疊層復合材料體系和較高強度疊層材料體系，如Ti/Al[12,29]、Al/Cu[30,31]等的研究引起了人們的重視。美國俄亥俄州州立大學Hopkins等[29]利用超聲波固結成形技術成功制備疊層Ti/Al復合材料，并對其力學性能和界面特征進行統(tǒng)計學表征，結果顯示當壓力為1500 N、振幅為30 μm、固結速度為42 mm/s時，疊層Ti/Al復合材料的力學性能最優(yōu)。

由于超聲波固結成形技術具有低溫制備的優(yōu)點，此技術不僅應用于制備同種或異種金屬疊層材料，而且在纖維增強疊層金屬復合材料以及智能復合材料與結構等方面也獲得了應用。人們嘗試在疊層復合材料層間加入纖維來增強疊層材料的性能。Yang等[16]利用超聲波固結成形技術在疊層Al/Al材料層間成功加入了SiC纖維，表征了纖維與基體結合的微觀界面形貌，同時還通過纖維拔出試驗測得了纖維與基體界面的結合強度，從而確定了在疊層Al/Al材料層間加入SiC纖維的最優(yōu)工藝參數(shù)，要求壓力1700 N，振幅20 μm，固結速度34 mm/s，基板預熱溫度149 ℃。另外，Kong等人[21]將光學纖維和形狀記憶合金(SMA)纖維埋入鋁合金層間，通過超聲波固結成形技術制造金屬基智能復合材料，結果表明，通過合理的固結參數(shù)可以將易破碎的光學纖維和形狀記憶合金纖維埋入鋁合金薄片之間，且沒有出現(xiàn)明顯的變形與損壞。通過纖維拔出試驗發(fā)現(xiàn)在設定的參數(shù)范圍內，施加應力為0.207 MPa，振幅為6.8 μm，固結速度為27.8 mm/s時，纖維與基體的結合強度最大。

綜上所述，超聲波固結成形的工藝參數(shù)包括很多，例如，施加的靜壓力、超聲波振幅、超聲波壓頭的固結速度、壓頭表面粗糙度及基板預熱溫度等。但是在超聲波固結成形技術制備金屬疊層材料的過程中，所施加的靜壓力、超聲波振幅以及超聲波壓頭的固結速度是影響疊層材料成形能力的最主要的參數(shù)，要想獲得結合性能優(yōu)異的疊層材料，需要深入研究三者之間的協(xié)同關系，使其達到最優(yōu)組合。

3 超聲波金屬界面固結成形機理

3.1 金屬疊層界面及近界面區(qū)微觀特征

基于已經(jīng)形成的系列超聲波固結金屬箔材的最優(yōu)工藝參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)超聲波固結金屬箔材與基板界面和固結壓頭與金屬箔材界面微觀結構受固結工藝影響，但其微觀結構則主要受超聲波能量影響[28]。而固結試樣界面微觀結構包含4個特征區(qū)：連續(xù)氧化層區(qū)、非連續(xù)氧化層區(qū)、微孔和金屬箔材結合區(qū)(見圖1[28])。在固結過程中未去除箔材表面氧化物及被超聲波打碎的氧化物分散在層間而形成了連續(xù)和非連續(xù)氧化層區(qū)。Bakavos和Prangnell[32]利用掃描電鏡研究了超聲波固結試樣界面的微觀結構，發(fā)現(xiàn)金屬箔材表面氧化層在固結過程中會成為碎片狀氧化物而分散在界面。而微孔是由于超聲波壓頭表面紋路轉移至金屬箔材表面后，在后續(xù)固結過程中超聲波能量不足以使箔材表面紋路壓合而形成(見圖2)[6]。微孔和氧化層的存在將嚴重影響界面結合強度，因此合理選擇固結工藝參數(shù)及去除箔材表面氧化層工序至關重要。金屬箔材結合區(qū)界面一般為直形界面(部分反應)和波形界面(冶金結合)。波形界面區(qū)是由于界面及近界面區(qū)材料嚴重塑性變形而引起的動態(tài)再結晶形成的等軸晶區(qū)，為理想結合界面；而界面及近界面區(qū)材料塑性變形和流動形成了直形界面，但其界面處無再結晶發(fā)生，為機械結合。Dehoff等[33]進一步研究了利用超聲波固結成形技術制備的疊層Al3003材料的界面微觀結構，除在箔材界面處發(fā)現(xiàn)再結晶現(xiàn)象和大量位錯存在外，還在界面區(qū)的微孔附近發(fā)現(xiàn)納米晶(見圖3)，認為在超聲波固結過程中界面區(qū)部分鋁可能存在熔化現(xiàn)象。Sriraman 等[28]以振幅36 μm、壓力6.7 kN、固結速度30 mm/s的參數(shù)，利用超聲波固結技術成功制備了疊層銅C11000材料，通過EBSD技術分析了界面織構，發(fā)現(xiàn)在固結過程中界面區(qū)材料發(fā)生了再結晶，形成冶金結合，并且結合超聲波固結過程中的絕熱效應和熱軟化效應計算出了此過程中銅箔的真實溫度，該溫度正好處于銅的再結晶溫度區(qū)間，與界面織構分析結果一致。Ramet等[31]則利用超聲波固結技術成功制備了疊層Al3003/Cu10復合材料，并對疊層Al3003/Cu10復合材料界面進一步研究，發(fā)現(xiàn)界面無金屬間化合物生成。而Friel等[34]對超聲波固結技術制備的疊層Al3003 H-18材料的界面紋路效應進行了研究，發(fā)現(xiàn)壓頭表面紋路能否有效轉移至固結材料表面與材料的剛度有關，由此得出合理設計壓頭表面紋路可有效提高界面結合強度，甚至還可固結高密度、高強度材料。

圖1 利用FIB系統(tǒng)獲得的沿固結箔材與基板結合界面的氧化物、孔隙和再結晶區(qū)的圖像Fig.1 Consolidating foil-substrate interface displaying oxides, voids and recrystallization along the bonding interface produced using a FIB system operating in the ion beam imaging mode

圖2 壓頭、固結箔材和基板的相對位置及其表面紋路Fig.2 Sonotrode, consolidating foil and substrate position and surface texture

為研究異種材料在超聲波固結過程中疊層界面的結合問題，美國陸軍研究實驗室Sano等[12]將超聲波固結技術和熱壓燒結技術相結合在基體3003鋁合金上通過超聲波固結獲得了Cp-Ti/Al層狀復合材料，如圖4所示。分析表明，超聲波固結過程中使Cp-Ti表面粗糙，而熱壓燒結正好在表面粗糙Cp-Ti層表面形成了金屬間化合物Al3Ti層。剝離試驗表明Cp-Ti/Al3Ti/Al層狀復合材料的剝離強度要高于Cp-Ti/Al片層結構，可能是由于界面形成了Al3Ti和TiAl相的緣故。然而對于Al-Ti反應動力學機理尚不清楚，還有待進一步研究。

圖3 納米晶區(qū)圖像：(a)孔隙表面的納米晶區(qū)，(b)納米晶區(qū)的STEM明場像照片F(xiàn)ig.3 The images of the nanograin region:(a) the nanograin regions at the void interface, and (b) bright-field STEM image of the nanograin region

圖4 超聲波固結獲得的金屬層狀復合材料：(a)超聲波固結技術制備的Cp-Ti/Al疊層材料，(b)超聲波固結技術加熱壓燒結技術制備的Cp-Ti/Al3Ti/Al層狀材料Fig.4 Metal laminate composite fabricated by ultrasonic consolidation technique: (a) Cp-Ti/Al laminatecomposites fabricated by ultrasonic consolidation technique， and (b) Cp-Ti/Al laminate composites fabricated by ultrasonic consolidation technique and hot pressing sintering technique

3.2 金屬與埋入纖維界面及近界面區(qū)微觀特征

圖5 利用UC工藝在層間加入纖維原理示意圖Fig.5 Schematic of the UC process for fiber embedment

利用超聲波固結成形技術制備纖維增強的金屬疊層材料，主要是通過將纖維鋪放于金屬箔材的層間，對其施加一定的壓力和超聲波能量使金屬箔材發(fā)生塑性變形，從而將增強纖維固結在金屬疊層之間，如圖5所示。Yang等[16]利用超聲波固結成形技術在疊層Al/Al材料層間成功加入增強SiC纖維，界面形貌如圖6所示，可見纖維仍保持圓柱狀，在纖維周圍存在大量的塑性變形流線，且纖維與基體界面結合良好，但卻以機械結合為主。英國拉夫堡大學Friel[35]在制備疊層Al/Al材料間加入SMA纖維時，深入研究了纖維周圍基體材料的塑性流動情況。結果表明，纖維上層的鋁箔材塑性變形明顯高于其下層的鋁箔材，在纖維與基體的界面及近界面區(qū)存在大量細化晶粒和亞晶(見圖7a～b)，且可清晰看到纖維與基體間存在一定的孔洞(見圖7c～d)，這些孔洞主要是由于二者結合性質造成的，通過優(yōu)化制備工藝可有效降低孔洞，但從圖可清晰看出纖維與基體界面并沒有形成有效的冶金結合，仍以機械結合為主。

圖6 疊層A3003基體層間加入SiC纖維SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM image of matrix Al3003 embedded SiC fiber

可見，在超聲波固結成形技術制備的疊層金屬復合材料層間加入增強纖維主要是通過上下層箔材的大量塑性變形將纖維包裹，其界面主要為機械結合，所以超聲波固結成形技術只是起到制備纖維增強疊層材料預制帶材的作用。

圖7 SAM纖維周圍基體Al3003(0)的晶粒結構及塑性流動Fig.7 Grain structures and plastic flow of Al3003(0) matrix around the SAM fibre

3.3 界面和近界面微區(qū)原子擴散行為

在短時、快速超聲波固結成形過程中原子擴散非常困難，界面多數(shù)以機械結合，界面強度低。所以提高金屬疊層材料界面結合強度也是研究難點之一，可通過合理選擇固結參數(shù)以達到界面原子擴散激活能，使界面原子互擴散，在界面盡可能多的形成冶金結合。

Ramet等[31]對超聲波固結Al3003和Cu10界面原子擴散進行了研究，發(fā)現(xiàn)無Cu擴散進入Al側，但有Al擴散進入Cu側。Ramet認為由于EDS分辨率低，可能得到的關于Al原子擴散結論不準確，需進一步使用TEM EDS證實。Mueller等[36]基于擴散相關參數(shù)的系列計算及MC模擬分析，利用掃描電鏡和EDS線掃描技術發(fā)展了一種評價超聲波固結Cu-Al試樣界面互擴散系數(shù)的新方法，此方法可計算出掃描電鏡在不同加速電壓時獲得的互擴散系數(shù)和擴散距離的誤差。進一步解決了SEM EDS測試分辨率低等問題，為界面元素擴散研究提供了一種新思路。

然而，有學者提出超聲波焊接時材料在幾秒內形成的塑性應變率高達103/s，快速塑性變形可促進界面原子擴散而使界面形成冶金結合。Kulemin 和Kholopov[37]研究發(fā)現(xiàn)，在超聲波焊接鋁板和銅板時互擴散系數(shù)極高，可達1.4×103μm2/s，是溫度713 K時晶格擴散系數(shù)的107倍。而Ruoff 和 Balluffi[38]在分析塑性變形對應變誘發(fā)過多空位輔助金屬擴散影響的試驗數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)應變率低于一定值(<10-2/s)時可促進晶格擴散。基于上述結論可得出引起應變誘發(fā)空位促進擴散的應變率應存在一極值。Gunduz等[39]研究了鋁箔和鋅板513 K時超聲波焊接后界面原子擴散的問題，將焊接界面分為3個特征區(qū)：FCC鋁晶界鋅富集區(qū)、無特征區(qū)及無特征區(qū)與鋅富集區(qū)之間的薄層區(qū)。結果表明超聲波焊接引起的高應變率變形可有效增加材料內部空位濃度，從而促進界面原子擴散。鋁在513 K時，一般的晶格擴散系數(shù)為1.208×10-5μm2/s[40]，超聲波焊接時互擴散系數(shù)1.9 μm2/s，提高了5個數(shù)量級。

影響超聲波固結質量的主要參數(shù)包括超聲波振幅、壓力、固結速度和基板溫度等，每種材料都有特定的最優(yōu)工藝參數(shù)。若固結參數(shù)相對較低時，由于界面無法獲得足夠的能量，最終形成的界面質量較差；若固結參數(shù)較高，過高能量輸入將已經(jīng)形成的界面結合破壞，最終也無法獲得良好的界面結合。由于超聲波固結試樣界面結合機制多為物理冶金或機械結合，關于界面原子擴散與固結參數(shù)的關系研究幾乎沒有，多數(shù)學者認為固結界面結合機制主要為再結晶，同時也通過理論計算間接證明其正確性。

Sriraman等[28]在固結Cu/Cu時，根據(jù)超聲波固結過程中的絕熱效應和熱軟化效應計算出該過程中的溫升，見式(1)：

(1)

Tb+ΔT正好處于銅的再結晶溫度區(qū)間。其中，Tb為基板預熱溫度，τ為剪切應力，γ為剪切應變，β為熱轉化率，ρ為材料密度，c為工件的比熱。

Schick等[6]為解釋超聲波固結過程中晶粒尺寸變化，假設此過程與鋁合金熱加工過程相似，可用Zener-Hollomon(Zh)計算[41-43]，見式(2)和(3)：

dsub=[-0.06+0.018log(Zh)]-1

(2)

(3)

固結過程中，箔材表面粗糙度輪廓在固結過程中結合區(qū)的位移隨時間變化為d(t)，表面紋路的剪切應變率的計算見式(4)：

(4)

首先，將公式(1)計算出的溫升加基板預熱溫度代入公式(3)的Tp，再將公式(4)代入公式(3)就可計算得Zh。然后，將Zh值代入公式(2)就可計算晶粒尺寸值。所以，根據(jù)溫升計算可驗證Dehoff等[33]提出的熔化現(xiàn)象，而晶粒尺寸計算可從理論計算方面驗證納米晶。但是上述公式是基于幾個假設而提出的，其正確性有待進一步驗證。

3.4 超聲波固結金屬界面成形機理

金屬疊層復合材料與結構中，界面對其內載荷的傳遞、微區(qū)應力和應變分布、殘余應力、增強機制和斷裂過程都有著極為重要的作用，所以研究金屬疊層材料界面結構及其成形機理非常重要。

國內目前常用的超聲波金屬焊接工藝主要有，點焊、滾焊和縫焊等，盡管缺乏大功率金屬焊接裝備，但是國內利用超聲波金屬點焊工藝對金屬界面的成形機理進行了相當多的研究。例如：南昌大學熊志林等[44]基于超聲波點焊在研究6061鋁合金超聲波焊接接頭的組織及性能時，發(fā)現(xiàn)超聲波點焊可有效焊接6061Al合金，而且界面成分分析結果顯示短時超聲波能量作用后界面原子有一定的擴散并在界面形成了新相，由此得出在界面材料塑性變形和原子擴散共同作用下形成了結合較好的超聲波點焊Al6061接頭。朱政強等[45]展開了6061鋁合金和Ti6Al4V鈦合金異種金屬材料超聲波焊接研究，發(fā)現(xiàn)超聲波焊接時間為170 ms，壓力為0.4 MPa時可有效焊接6061鋁合金和Ti6Al4V鈦合金異種金屬材料，而且界面成分分析后得出焊接過程中Al原子和Ti原子在界面存在0.4 μm的擴散層。近年來，隨著超聲波增材制造技術的發(fā)展，國內外關于超聲波增材制造技術制備的疊層金屬材料界面形成機理成為研究熱點之一。Kong等[46]將超聲波固結界面結合機制分兩種：①體積結合效應；②表面結合效應。體積結合效應包括由于聲軟化和熱軟化使材料屈服應力降低而產(chǎn)生的彈性變形和塑性變形；表面結合效應包括可去除氧化膜而使材料緊密接觸的界面摩擦變形和剪切變形，并且利用熱電偶和紅外照相機等技術測量超聲波固結過程中的溫度場。Sriraman等[7]和Yang等[15]通過在層間安裝熱電偶來測量溫度。De Vries[47]研究發(fā)現(xiàn)利用紅外相機測量溫度也是一種非常有效的方法，因為紅外相機可很容易地測得整個區(qū)域的溫度分布。Koellhoffer等[48]在超聲波固結設備上安裝紅外相機分析了不同固結參數(shù)在基板-帶材界面和帶材-帶材界面形成的溫度效應，同時還通過有限元模擬分析了此過程中的摩擦產(chǎn)熱問題。Kelly等[49]得出在超聲波固結過程中由于聲軟化和少量的熱軟化作用，可顯著增加鋁材的塑性變形。Fujii等[9]利用背散射技術研究了超聲波固結試樣的界面微觀結構，發(fā)現(xiàn)在界面及近界面區(qū)金屬箔材的微觀結構發(fā)生了顯著變化。

至今為止，關于超聲波金屬快速固結成形機理主流解釋有3種：①表面氧化物去除機制；②界面塑性變形機制；③界面金屬原子擴散機制。關于這3種機制，目前仍然存在諸多爭議，而相關機理解釋中塑性變形機制下的界面再結晶占主要優(yōu)勢。可見雖然目前國外已經(jīng)掌握超高功率超聲波固結成形技術，并且在工程上應用了這種新型的金屬快速增材成形與制造技術，但對超聲波能場下金屬原子的低溫擴散、界面固結成形的機理目前仍眾說紛紜，至今尚未得出普遍接受的結論，仍然需要開展深入的研究。

4 超聲波固結成形金屬界面性能表征技術

疊層復合材料是通過界面結合在一起的，界面在加載過程中將外力傳遞給鄰接層，起到了層與層之間的橋梁作用，同時在微觀上界面可有效限制材料在塑性變形過程中的位錯運動，因此界面對疊層材料有硬化和增韌作用，對疊層材料的性能起著非常重要的作用?？梢娙鎻氐椎亓私饨缑嫘阅苁强刂坪透纳漂B層材料的最重要基礎之一。目前，表征超聲波固結成形金屬界面性能主要有搭接-剪切和拉伸試驗、剝離試驗和“Push-Pin”試驗等。Hopkins等[29]根據(jù)ASM C 961-06標準設計的搭接-剪切試樣見圖8，而拉伸試樣由于尺寸較小無法按照標準設計，其尺寸見圖9。Obiehdan等[50]也通過搭接-剪切試驗測得了Ti/Al固結樣品界面的強度。但此方法測試時有一定的局限性，只限于測試界面強度較低的樣品。若樣品界面強度較高時，基板界面失效先于界面失效。

圖8 搭接-剪切試樣示意圖Fig.8 Schematic for lap shear specimen

圖9 拉伸試樣示意圖Fig.9 Schematic for tensile test specimen

經(jīng)多數(shù)實驗結果表明，剝離試驗是研究箔材長度方向結合強度非常有效的方法。Li等[51]依據(jù)BS EN 2243-2∶1991標準設計試驗，其測試原理見圖10。試驗時，為防止在加載過程中發(fā)生彎曲，先將試樣固定于支撐板上[26]，然后對第二層加載并記錄測試結果。Kong等[46]研究發(fā)現(xiàn)剝離強度隨焊接參數(shù)增大至極值后下降，進一步顯微觀察得出其剝離強度的最高水平值與線結合密度無關。而且在剝離試驗中存在一臨界載荷，若超過臨界載荷值試樣將在接近基板處失效。

圖10 剝離實驗原理示意圖Fig.10 Schematic of peel test

Zhang等[52]則發(fā)展了一種“Push-Pin”方法來測量固結試樣結合強度，其試驗裝置和試樣尺寸見圖11。此方法的主要優(yōu)點為可測量指定表面的結合強度，尤其是異種材料疊層的試樣，但目前尚未統(tǒng)一的測試標準。

圖11 “Push-Pin”試驗：(a)“Push-Pin”試驗裝置，(b)“push-pin”試驗試樣示意圖Fig.11 “Push-Pin” test: (a) push-pin testing setup，(b) schematic of push-pin testing sample

5 超聲波金屬固結成形的計算機模擬

為更好理解超聲波增材制造過程中工藝參數(shù)對界面微區(qū)材料的應變、溫度及位移效應的影響，人們對超聲波金屬固結成形過程進行了有限元模擬探究。Huang等[53]假設Al3003-H18箔材和基板為各向同性，以超聲波固結工藝的3D熱機械有限元模型為基礎建立了準靜態(tài)摩擦(最大循環(huán)周期為50)模型，此模型利用了與屈服強度有依賴性關系的溫度及應變率參數(shù)，和與摩擦系數(shù)有依賴性的應變率參數(shù)。模擬結果顯示由于不可恢復滑移存在，材料的應力峰值落后于位移峰值0.1個周期。另外，Huang還發(fā)現(xiàn)材料最大變形區(qū)(250%塑性應變)位于與壓頭接觸的箔材上表面。但也發(fā)現(xiàn)一異?，F(xiàn)象，焊接箔材下表面只有5%的塑性變形，而基板的上表面應變最小，僅為0.3%。最終得出的模擬結果顯示沿結合界面溫升只有30 ℃。Zhang等[54]也假設Al3003-H18箔材和基板為各向同性，以超聲波增材制造制備試樣界面的3D有限元模型為基礎，探索了此過程中材料相互摩擦的問題。此模型中運用了雙線性各向同性加工硬化與溫度依賴性關系、楊氏模量、屈服強度和摩擦系數(shù)的關系。模擬結果顯示1500個焊接周期過后，界面溫升只有50 ℃，與Huang等人得出的結果不同，Zhang模擬結果顯示材料最大塑性應變區(qū)位于界面。此外，Zhang還利用此模型準確預測了超聲波增材制造前后試樣厚度的變化規(guī)律。而Siddiq等[55,56]進一步考慮了固結Al3003-H18和Al6061-T0過程中的聲軟化效應和摩擦效應，建立了超聲波增材制造過程的熱機械有限元模型，發(fā)現(xiàn)固結過程中的塑性變形是表面(摩擦)和體積(塑性)軟化效應共同作用的結果。Siddiq[55,56]利用以循環(huán)塑性理論為基礎的材料模型預測了體積效應，利用與溫度有依賴性關系的動力學方程計算了表面效應。模擬固結Al6061-T0結果指出隨振幅和施加靜壓力增大，Al6061-T0與基板界面的摩擦功降低，塑性功增大。Siddiq[55,56]指出由于Al6061-T0屈服應力低，而且在焊接時箔材與壓頭界面摩擦能量轉化為箔材的熱軟化(表面軟化效應)和體積軟化效應(塑性)的耗散增加，因此箔材存在軟化效應。而且隨施加靜壓力和振幅的增加，上述兩種軟化效應加強。在這兩種效應作用下，由于箔材的軟化效應存在，超聲振動轉化為箔材與基板界面的摩擦效應降低。所以，由于固結過程產(chǎn)生了大量塑性變形，模擬結果顯示界面溫度為280 ℃。當同樣的有限元模型用于Al3003-H18時，發(fā)現(xiàn)隨施加靜壓力和振幅增加，箔材與基板摩擦功增大，與Al6061模擬結果相反，而模擬結果差異是由于Al6061屈服強度高于Al3003-H18不易形成體積效應，這樣使超聲振動轉化為摩擦功的比例增加，使聲軟化效應降低。而模擬結果顯示摩擦功比例增加使溫度升高48 ℃，與Chen和Li[57]試驗結果一致。此外，Siddiq等[17]也建立了用于模擬利用超聲波固結技術制備纖維增強復合材料過程中纖維周圍基體金屬塑性流動模型。模擬結果顯示在未預制放置纖維凹槽的Al3003-H18基體中埋入一根或兩根纖維，可導致纖維周圍箔材的過度體積軟化和塑性變形，纖維周圍塑性變形是未埋入纖維超聲波固結試樣箔材塑性變形的50倍。此過程中從纖維與基體接觸面積最小至纖維完全被包裹在基體中，纖維與基體的摩擦效應較低，從而得出Al基體的過度塑性應變是由聲(體積)軟化引起。

由于超聲波增材制造為新型金屬固態(tài)連接工藝，近年來雖然其發(fā)展非常迅速，但起步較晚，相關計算機模擬分析仍存在較多爭論，且沒有完善的理論支持，仍需進一步深入研究。

6 結 語

超聲波固結成形技術作為一種新型快速成形連接工藝，其工藝簡單、固態(tài)連接成形精度高且材料熱應力低可直接快速成形三維構件，具有傳統(tǒng)工藝所不具備的優(yōu)點。但是目前國際上只有美國、英國少數(shù)幾個國家掌握這種先進的增材制造技術，本文所引用的工作也主要是這些國家的研究人員所進行的。由于國外在超聲波增材制造裝備和相關的先進技術方面對我國實行嚴格的封鎖，國內目前開展超聲波固結成形機理的研究工作是采用低功率的超聲波點焊機[45]。近期，本文作者所在團隊通過協(xié)同創(chuàng)新，研發(fā)出了超聲波固結成形實驗裝備，可用于鈦、鋁、銅、不銹鋼等金屬疊層復合材料、纖維增強金屬層狀復合材料固結成形機理研究[58]。

超聲波固結成形與制造技術作為一種新型的非高能束加熱增材制造技術具有很多優(yōu)點，已在金屬疊層復合材料、智能復合材料與結構、電子封裝結構以及復雜型腔零部件的制造中獲得了應用，但是對于金屬界面成形機理還沒有獲得普遍認可的理論，需要在以下幾個方面深入研究：

(1)超聲波作用機理方面：超聲波固結過程中的絕熱效應和熱軟化效應導致的溫升多數(shù)處于模擬階段，目前沒有相應的理論支持和統(tǒng)一的計算方法。

(2)微結構表征方面：由于高分辨電鏡分析技術制樣要求較高，不能很好保存界面，很難進一步研究界面形貌和位錯等微觀結構，是超聲波固結試樣微結構表征的重點和難點之一。

(3)界面成形機理的研究需要對成形局部物理場參數(shù)(界面溫度分布和應力場的測試技術等)進行準確測試。

(4)采用有限元模擬的作用方面：目前，超聲波增材制造的有限模擬分析主要集中在界面塑性變形及摩擦溫升方面，而且相關解釋也是眾說紛壇，尚無統(tǒng)一理論及模擬模型支持。

(5)采用分子動力學模擬界面局部原子擴散方面：利用分子動力學模擬超聲波固結成形制備材料界面局部原子擴散方面的相關研究非常少，需進一步研究超聲波固結作用機理，建立可實現(xiàn)的分子動力學模擬模型，完善超聲波固結成形界面形成理論。

通過深入研究，探明超聲波固結金屬界面成形物理冶金機制，建立在超聲波能場作用下金屬原子低溫擴散理論，這對于提高超聲波固結成形能力和進一步拓寬其應用范圍具有重要的意義。

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(編輯 蓋少飛)

Advanced Research on Metal Consolidation Mechanism in Ultrasonic Additive Manufacturing

JIAO Feifei1，YANG Yong2，LI Peng1，LU Zichuan1, GUO Chunhuan1，JIANG Fengchun1

(1.Key Laboratory of Superlight Materials and Surface Technology, Ministry of Education, College of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China) (2.Navy in Shanghai Jiangnan Shipyard Group Company Ltd., Shanghai 201913, China )

In order to overcome the limitations of the high energy beam rapid prototyping and manufacturing processes, high power ultrasonic consolidation and manufacturing technique was developed in recent years. Metal foils were bonded together using very high ultrasonic energy and metal atoms were heated up by very high frequency vibration diffused from one phase surface to another to form a metallurgical solid-state combination. Compared with other rapid prototyping techniques, high power ultrasonic consolidation and manufacturing technique owns many advantages, such as low temperature, less deformation, high consolidation speed,and environment friendly, which can be used for the intelligent manufacture of integrated consolidation and machining for complex laminated metal parts. As mentioned above, it is a novel additive manufacturing 3D printing technique. This paper briefly introduces the advanced Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) technique and mainly reviews the achievements of the optimal process parameters of similar and dissimilar metal laminate materials(Al/Al, Cu/Cu, Ti/Al, etc.), then focuses on analyzing the microscopic physical metallurgy mechanism of metal ultrasonic consolidation and characterization techniques of interfacial properties. Based on the current study status of ultrasonic consolidation mechanism, some research aspects needed to further investigate are also pointed out in this work.

ultrasonic consolidation；metal laminate composites；ultrasonic additive manufacturing；interfacial properties；forming mechanism

2015-06-04

黑龍江省自然科學基金重點項目(ZD2015012)；哈爾濱工程大學中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目(HEUCFD15010)；國防基礎科研項目(B2420133004)

焦飛飛，女，1989年生，碩士研究生

姜風春，男，1963年生，教授，博士生導師， Email：fengchunjiang@hrbeu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.12.11

姜風春

TG439.9

A

1674-3962(2016)12-0950-10