科學家證實超聲波3D打印鋁部件，采用預處理可強化金屬機械強度

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�。║AM）中強化預處理鋁的問題。

△鋁材示意圖

該研究由田納西大學、俄亥俄州立大學、丹麥技術大學和橡樹嶺國家實驗室的科學家共同研究。皆在探索預處理對超聲波3D打印鋁部件微觀結構的影響，包括退火和T4回火。它們可以對材料的熱機械能態(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，通過回火和退火進行預處理，冶金的機械強度特征會增加而不是降低

超聲波3D打印技術背景
3D打印已成為21世紀的關鍵顛覆性技術之一。與傳統(tǒng)制造方法相比，它具有多種優(yōu)勢，包括自由形式設計、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等。

近年來，超聲波3D打印針對難以焊接或異種材料生產(chǎn)具有很強的技術優(yōu)勢，該方法可以加工的材料包括鋁鈦、鋼鎳、鎳鋁和鋁銅。在應用方向上，該技術可以廣泛用于工程結構，例如新型冷卻通道、強化復合材料和傳感器嵌入式結構等。

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。此工藝不同于以往的3D打印熔融機制，其超聲波驅動器對箔施加超聲波振動，產(chǎn)生的震動摩擦去除表面氧化物和污染物，同時新的薄片填平原來表面的粗糙，并在壓力下瞬時結合形成新表面或選擇性去除不需要的材料，該技術的最大優(yōu)勢是在低溫下就可以進行金屬3D打印。

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

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

剪切測試通常用于初步調(diào)查打印部件的粘合強度�？v向拉伸測試，可提供有關整體結構機械性能的最佳信息。然而，構建方向拉伸測試，不提供比初始剪切測試更多的信息，因為它們只測試最薄弱的界面。

有限元模型也被用于研究，揭示了施加的塑性變形與位錯密度增加之間的關系。這種變形作用細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空隙可以潛在地提高材料的強度，其中分散的位錯阻擋效應起著關鍵作用。

根據(jù)先前的研究表明，在超聲波3D打印零件時界面處會產(chǎn)生微孔和剪切帶。當承受拉伸載荷時，界面可能會發(fā)生負面行為，例如，由于微孔的聚結而導致的脆性破壞，從而導致孔洞的產(chǎn)生和開裂。一些研究人員觀察到與體積值相比，構建強度降低。

由于該工藝的高應變率塑性變形，超聲波3D打印會導致材料的顯著微觀結構變化�？梢孕纬牲c缺陷空位和位錯結構，盡管到目前為止，還缺乏實驗證據(jù)來證實這一點。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打印制造中預處理鋁的強化”（傳送門）

研究結果
該團隊對預處理的鋁樣品進行了滾動x方向拉伸試驗，揭示了這些部件的超聲增材制造的微觀結構演變和強化效果。評估了Al 6061的回火T4和退火O條件。

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

動態(tài)再結晶和恢復以及絕熱加熱導致微觀結構變化，包括鋁晶格應變增加、單空位合并成空位簇、點缺陷空位的產(chǎn)生以及印刷和粘合材料中的細化晶粒尺寸。此外，觀察到Mg 2 Si 沉淀物的鎂擴散和溶解增強。

正如該團隊所指出的，一個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、誘導塑性應變率和材料的內(nèi)部應變能）來改變塑性變形率的大小。

在初步研究超聲增材制造和預處理，對機械強度性能和微觀結構演變的影響的同時，本文為未來的研究提供了深入的知識基礎。

該論文得到了空軍國家實驗室和美國能源部等機構的資助。