超声增材制造在航空航天领域的应用进展_刘婷.pdf

，.，.：.超声增材制造在航空航天领域的应用进展刘 婷，朱 宇，胡 晓，张 松，中国航空发动机研究院，北京 清华大学航空发动机研究院，北京 金属超声增材制造是一种低温、固态的加工技术，其原理是在近室温环境中通过超声波振动在金属带材之间建立冶金结合，制造过程中金属不会熔化。利用超声增材与机械加工相结合的技术能够制备出精细的内外部结构。然而，超声增材层间结合机理仍在不断研究中，层间界面微结构和结合质量与工艺参数间的关系不清晰，使得界面处容易发生失效，加之目前应用的材料体系范围有限，导致超声增材的应用受到极大限制。因此，国内外的工作主要集中在以下四个方面：（）层间结合机理研究；（）超声固结工艺参数优化及建模；（）异种材料结合特性研究；（）支撑材料研究。现有研究表明，塑性成形是层间结合的主要驱动力，而加工过程中界面处的晶粒破碎以及动态疲劳破坏会导致层间结合变弱；利用试验和数值模拟研究，明确了振动振幅、焊接速度、下压力和固结宽 高比是影响结合强度的重要工艺参数，通过建立不同材料的工艺窗口，可指导实际加工过程；钛、铝、铜、不锈钢等面心立方体金属之间具有好的结合强度，而对非面心立方体材料而言 和 是理想的结合材料，在铝合金基材中嵌入 纤维和 形状记忆合金时，其结合强度主要受振动振幅、速度、下压力、基体预热温度以及嵌入纤维方向等过程变量的影响；对于支撑材料，选择坚硬且熔点高于焊接温度的支撑材料更容易获得高质量的结构件，如无铅焊料等。与此同时，金属超声增材在航空航天领域的应用探索也在同步开展，已实现的典型应用包括高效换热器、电子元器件植入和表面修复等。本文介绍了超声增材制造技术的基本过程及原理，综述了国内外关于该技术的研究现状，总结了该技术在航空航天领域的应用情况，分析了未来的发展趋势，旨在进一步拓展金属超声增材制造技术在航空航天领域的应用范围。关键词 超声增材制造技术 复合材料 低温加工 航空航天中图分类号：文献标识码：，（），：（）；（）；（）；（），引言国防和国民经济建设的巨大需求及结合第四次工业革命所带来的技术爆炸推动着航空航天领域的复杂装备向精密化、一体化、轻质化和智能化发展，这给传统的制造业带来了极大的挑战。当前航空航天领域的主流制造技术仍为减材或等材制造，面对复杂的内 外部结构、超高的尺寸精度要求、快速试制和小批量定制等需求，该技术出现了明显的瓶颈，使得人们将目光转向增材制造领域。目前，国内研究较多的为高温增材制造技术，如激光熔融、电子束熔融、激光烧结和光固化等技术，难以支撑低温材料加工、复杂内部结构加工以及功能性复合材料加工等应用。金属超声增材制造（）也被称为超声固结（），具有低温加工的特性，是一种极具潜力的制造技术，自 年被 等提出后引起了国内外学者的广泛关注。金属超声增材制造的基本原理是通过超声波发生源产生高频超声电信号，再由换能器将电信号转化成超声波频率的振动，从而将一系列金属带材连接形成结构体。目前常用的带材宽度为 。为了获得复杂的内部结构和最终的几何外形，超声增材过程中还需要穿插机械加工，如图 所示。与超声金属焊接类似，增材阶段通过换能器驱动超声压头产生高频摩擦运动，振动频率可达 ，通过加工过程中的超声功率器实现振幅的精确控制。同时，压头会被施加一定的下压力并在数控系统的控制下进行滚动，以实现金属带材的连续固结。在必要的情况下，还会通过给基板预热来为超声焊接系统提供额外的能量。在减材阶段，采用数控加图 金属超声增材过程：（）增材阶段；（）减材阶段 ：（）；（）工对已固结部分进行处理，引入复杂的内部结构，并形成满足精度要求的外形。金属超声增材制造属于固相冶金过程，其原理是在高频摩擦振动和下压力的作用下，层间界面处的金属产生高应变率的塑性变形，破坏金属表面的氧化膜，使得金属间发生直接接触、原子扩散直至形成冶金结合。等详细研究了界面形成的过程，如图 所示，带有纹理结构的超声压头与金属箔片首先接触，在超声振动的作用下金属发生塑性变形，在表面形成微小的凸起（如图 所示）；引入新的金属箔片后，凸起位置与上层金属之间产生接触并形成微小的粘结（如图 所示），伴随压头的振动发生塑性流动，导致氧化膜破裂形成纳米级别的氧化物簇，随后在下压力的作用下这些粘结体发生变形坍塌，使得界面间直接接触的区域逐渐扩展，通过原子扩散最终形成厚度为 的冶金结合层。此外，研究表明，由于塑性变形的影响，界面处还会发生再结晶（如图 所示）。从以上研究可以看出，金属超声增材的核心是界面处的热力耦合过程，即通过界面的温升和塑性流动来影响结合质量，塑性流动过小，界面结合强度将会偏低甚至无法结合，塑性流动过大，则容易导致材料发生破坏。因此，需要对振幅和下压力等影响热力耦合过程的关键工艺参数进行合理的组合，以尽可能提高结合强度并防止材料发生破坏。值得注意的是，超声增材过程中金属不会熔化，由摩擦和塑性变形产生的温升不超过材料熔点的（如铜和铝的温度为），因此区别于大多数的高温增材技术，超声增材制造过程中几乎不会发生金属氧化现象，不需要控制周围的气氛。图 金属超声增材制造机理 从第一台超声增材设备出现至今已经 余年，经过国内外同行的不懈研究，超声增材设备不断完善，超声增材技术所能加工的材料也逐渐增加，但是真正用于工程实际的超声增材部件仍然受到限制。对超声增材加工的部件进行拉伸试验和疲劳试验，结果表明，拉伸破坏形式主要是层间脆性断裂，而疲劳失效也主要发生在界面，说明超声增材部件的特性主要受层间结合性能的影响。由于超声增材系统过于复杂，加工中的过程控制参数也较多，不同材料、不同参数组合所形成的层间界面微结构与粘结质量也各不相同，导致加工出的部件性能有很大区别。为了充分理解增材制造的物理过程，从而更好地指导其实际加工过程，目前国内外的研究主要集中在以下几个方面：（）层间结合机理；超声增材制造在航空航天领域的应用进展 刘 婷等 （）超声固结工艺参数优化及建模；（）异种材料结合特性；（）支撑材料。本文从上述四个领域出发，综述超声增材技术的理论和关键技术的研究进展，分析其在航空航天领域的应用现状，并展望未来增材制造技术的发展趋势。超声增材制造的研究现状 层间结合机理针对超声增材层间结合机理，已有学者分别从实验和数值模拟等方面进行了大量研究。其中，最早发表相关研究成果的是英国拉夫堡大学的研究团队，他们研究了 材料层间嵌入纤维后界面处的微观组织，发现界面处存在再结晶晶粒，表明金属表面氧化层破裂并非层间结合的唯一因素，塑性变形也是重要原因之一（如图 所示）。等、等和 等对超声增材 和 材料的界面微结构进行了观察（如图 所示），并提出界面塑性变形将导致动态再结晶，而再结晶过程中的晶界迁移伴随着原子的扩散和原子间结合的形成，这是超声增材过程中结合形成的主要原因。进一步的微结构观察实验表明，在加工过程中，由于界面处塑性变形，主要在结合界面以下一定厚度区域内发生动态再结晶现象，而界面以上只有很薄的区域出现了晶粒细化，。同时，由于界面细小晶粒的存在，界面处材料的显微硬度比本体材料高。图 （）结合界面附近微观组织显微图，反映了塑性流动的存在；（）粘结界面附近再结晶晶粒显微图 （），；（）针对超声增材过程的数值模拟研究工作主要集中在通过有限元数值模拟对超声固结过程中的热力耦合过程与结合形成过程的关系进行分析。对超声增材过程中热力耦合过程的数值模拟研究表明，超声增材加工过程中界面摩擦热和塑性变形均会受到过程变量的影响，而塑性变形是结合形成的主要原因。等还将热力耦合模型与位错本构模型相结合，对结合过程中位错等结构的变化进行研究，结果表明，加工过程中界面处的晶粒破碎以及动态疲劳破坏会导致层间结合变弱。超声固结过程参数优化由于超声增材制造过程控制变量复杂，研究者大多通过实验来优化过程参数，并建立过程控制变量与粘结层微结构和性能之间的关系。在第一代低功率超声增材设备（）面世之初，等就通过剥离试验研究了振动振幅、焊接速度和下压力对层间结合强度的影响，结果表明，提高振幅、降低速度和提高下压力更有利于提高结合强度。和 等，围绕高功率增材制造设备开展研究，得到相似的结论，即高振幅、低速度有利于提高界面结合强度，不同的是下压力增加到一定程度（）之后对界面结合强度不再产生影响。等考虑压力、速度和振动振幅这三个过程控制变量，通过实验试错法建立了 和 的工艺参数操作窗口。等通过剥离试验和线性焊接密度（，）研究了 材料的层间结合强度以及层间结合完整度（如图 所示），结果表明，升高基体预热温度以及采用使界面发生较大塑性变形的工艺参数有利于增加结合强度。桑健等进一步研究了基体加热温度对结合强度的影响，结果表明，铜箔固相结合强度在加热温度为 时最佳，为 ，并随界面最高温度的升高先增大后减小。图 根据下压力、速度和振动振幅建立 材料工艺参数操作窗口 ，近年来，利用数值模拟技术开展层间结合特性研究受到广泛关注。等开发了基于声学软化模型的材料模型，以描述增材制造过程中材料的变形行为，利用有限元仿真建立过程参数（振幅、速度和下压力）与焊接能量之间的关系，随后通过试验建立焊接能量与层间结合强度之间的关系。除此以外，也有研究者围绕超声增材过程中的中间变量，建立其与层间结构的关系，以得到在不同材料间具有泛化能力的模型或工艺窗口。张松等通过超声固结实验及宏观 微观相结合的元胞自动机模型开展数值模拟研究。不同于以往以振幅、速度和下压力等作为控制变量，他们提出超声增材过程中界面温度和塑性应变是影响层间结合的关键变量，并且上述关系不受材料特性的影响，通过研究该关键变量与界面微结构特性以及层间结合质量的关系，建立了铝合金系列材料的过程图，过程图中已知材料操作窗口可支撑对未知材料进行反向设计，实现不同材料加工过程的优化。此外，加工过程中随着固结高度的增加，会出现层间结合强度逐渐减弱的现象。等、等和等分别采用实验、有限元模型以及非动态 模型等手段研究了超声固结过程中固结高度与带材宽度之间的关系，均得到两者之比约为 。等还研究了加工过程中的振动对焊接性能的影响，即当结构件的长、宽比大于 时（见图），加工时可能会引发结构共振，导致粘结层产生缺陷甚至被破坏，并且他们建立了预测铝合金是否发生共振的过程图。材料导报，（）：图 铝合金振动模式过程图 异种材料及复合材料结合特性研究随着超声增材技术应用领域的不断扩展，异种材料结合或在带材中嵌入功能纤维而形成具有特殊功能的复合材料等也不断受到关注。针对超声增材实现异种材料结合的研究最早是由犹他州立大学的 等开展，他们通过对不同金属带材与 结合的界面微观组织研究，评估界面结合强度。随后大量科研人员研究不同材料间的结合特性，结果表明，在钛、银、钽、铝、钼、不锈钢、镍、镍基合金、铜和 几种材料中，所有面心立方体金属之间都可以很好地结合，只有 和 可以很好地与钼、钽和钛这三种非面心立方体金属很好地结合，而 和以上三种金属的结合能力适中。对不同材料所加工形成的结构而言，含有较多韧性材料的结构在失效前的能量吸收能力也更好。不同金属带材与 结合及界面微观组织如图所示。图 异种材料结合及界面微观组织 超声固结过程冷加工和逐层叠加的特性使得其在某些特殊领域具有天然优势，如金属带材中层间嵌入结构强化纤维和嵌入式传感器等。在嵌入纤维的结合原理方面，等、等通过观察嵌入纤维的金属带材微结构特征研究纤维与金属带材之间的结合机理，发现由于纤维周围金属的塑性流动使得纤维被机械地固定（见图），金属带材与纤维之间并没有发生明显的扩散或者化学反应。在嵌入纤维的结合强度研究方面，等研究了不同类型纤维（、形状记忆合金）嵌入铝合金带材时结合强度随工艺参数的变化情况（见图），并将该应用扩展到埋覆集成纤维和电子元器件等方向；等、等在铝带材中嵌入结构强化纤维制备了复合材料结构件（见图），试验表明纤维增韧的复合材料具有更高的比强度和刚度；等研究发现 带材嵌入 纤维时的结合强度主要受振动振幅、焊接速度、下压力、基体预热温度以及嵌入纤维方向等过程变量的影响，优化工艺参数为振幅、焊接速度 、下压力 、基体预热温度 以及纤维方向。图 （）复合材料纤维强度测试；（）金属铝中嵌入 纤