科学家证实超声波3D打印铝部件，采用预处理可强化金属机械强度

2022年10月27日，南极熊获悉，一组科研人员开展了如何在超声波3D打印（UAM）中强化预处理铝的问题。

△铝材示意图

该研究由田纳西大学、俄亥俄州立大学、丹麦技术大学和橡树岭国家实验室的科学家共同研究。皆在探索预处理对超声波3D打印铝部件微观结构的影响，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。

△该研究表明，铝(Al 6061)在通过超声波3D打印键合之前，通过回火和退火进行预处理，冶金的机械强度特征会增加而不是降低

超声波3D打印技术背景
3D打印已成为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、低成本以及施工后没有废料。

在过去的几十年中，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等。

近年来，超声波3D打印针对难以焊接或异种材料生产具有很强的技术优势，该方法可以加工的材料包括铝钛、钢镍、镍铝和铝铜。在应用方向上，该技术可以广泛用于工程结构，例如新型冷却通道、强化复合材料和传感器嵌入式结构等。

超声波3D打印是一种基于传统加工工艺“超声波焊接”的技术。此工艺不同于以往的3D打印熔融机制，其超声波驱动器对箔施加超声波振动，产生的震动摩擦去除表面氧化物和污染物，同时新的薄片填平原来表面的粗糙，并在压力下瞬时结合形成新表面或选择性去除不需要的材料，该技术的最大优势是在低温下就可以进行金属3D打印。

△由Fabrisonic 开发的混合加减法SonicLayer 4000 UAM 3D打印系统

评估超声波3D打印零件的机械性能
可以使用多种测试方法，来评估该技术制造的零件机械性能。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，不提供比初始剪切测试更多的信息，因为它们只测试最薄弱的界面。

有限元模型也被用于研究，揭示了施加的塑性变形与位错密度增加之间的关系。这种变形作用细化了打印材料中的晶粒尺寸。研究表明，打印界面处的纳米级空隙可以潜在地提高材料的强度，其中分散的位错阻挡效应起着关键作用。

根据先前的研究表明，在超声波3D打印零件时界面处会产生微孔和剪切带。当承受拉伸载荷时，界面可能会发生负面行为，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。一些研究人员观察到与体积值相比，构建强度降低。

由于该工艺的高应变率塑性变形，超声波3D打印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，尽管到目前为止，还缺乏实验证据来证实这一点。但是一些研究表明，与其他方法生产的零件相比，焊缝的老化速度更快。

△该研究成果已发表在sciencedirect，题目为“超声波3D打印制造中预处理铝的强化”（传送门）

研究结果
该团队对预处理的铝样品进行了滚动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O条件。

根据拉伸测试结果表明，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界面比散装箔强得多。整体强化是由键合材料界面区域的晶格变化引起的。

动态再结晶和恢复以及绝热加热导致微观结构变化，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，观察到Mg 2 Si 沉淀物的镁扩散和溶解增强。

正如该团队所指出的，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。

该论文得到了空军国家实验室和美国能源部等机构的资助。