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超声波金属快速增材制造成形机理研究进展(二)

        由于超声波固结成形技术具有低温制备的优点, 此技术不仅应用于制备同种或异种金属叠层材料, 而且在纤维增强叠层金属复合材料以及智能复合材料与结构等方面也获得了应用。人们尝试在叠层复合材料层间加入纤维来增强叠层材料的性能。Yang 等利用超声波固结成形技术在叠层Al/ Al 材料层间成功加入了SiC 纤维,表征了纤维与基体结合的微观界面形貌, 同时还通过纤维拔出试验测得了纤维与基体界面的结合强度, 从而确定了在叠层Al/ Al 材料层间加入SiC 纤维的最优工艺参数, 要求压力1700 N, 振幅20 μm, 固结速度34 mm/ s,基板预热温度149 ℃。另外, Kong 等人将光学纤维和形状记忆合金(SMA)纤维埋入铝合金层间, 通过超声波固结成形技术制造金属基智能复合材料, 结果表明,通过合理的固结参数可以将易破碎的光学纤维和形状记忆合金纤维埋入铝合金薄片之间, 且没有出现明显的变形与损坏。通过纤维拔出试验发现在设定的参数范围内,施加应力为0.207 MPa, 振幅为6.8 μm, 固结速度为27.8 mm/ s 时, 纤维与基体的结合强度最大。

        综上所述, 超声波固结成形的工艺参数包括很多,例如, 施加的静压力、超声波振幅、超声波压头的固结速度、压头表面粗糙度及基板预热温度等。但是在超声波固结成形技术制备金属叠层材料的过程中, 所施加的静压力、超声波振幅以及超声波压头的固结速度是影响叠层材料成形能力的最主要的参数, 要想获得结合性能优异的叠层材料, 需要深入研究三者之间的协同关系,使其达到最优组合。

3 摇超声波金属界面固结成形机理
3.1 摇金属叠层界面及近界面区微观特征
        基于已经形成的系列超声波固结金属箔材的最优工艺参数, 研究发现超声波固结金属箔材与基板界面和固结压头与金属箔材界面微观结构受固结工艺影响, 但其微观结构则主要受超声波能量影响。而固结试样界面微观结构包含4 个特征区: 连续氧化层区、非连续氧化层区、微孔和金属箔材结合区(见图1)。在固结过程中未去除箔材表面氧化物及被超声波打碎的氧化物分散在层间而形成了连续和非连续氧化层区。Bakavos 和Prangnell利用扫描电镜研究了超声波固结试样界面的微观结构, 发现金属箔材表面氧化层在固结过程中会成为碎片状氧化物而分散在界面。而微孔是由于超声波压头表面纹路转移至金属箔材表面后, 在后续固结过程中超声波能量不足以使箔材表面纹路压合而形成(见图2)。
图1 利用FIB系统获得的沿固结箔材与基板结合界面的氧化物、孔隙和再结晶区的图像
图2 压头、固结箔材和基板的相对位置及其表面纹路


        微孔和氧化层的存在将严重影响界面结合强度,因此合理选择固结工艺参数及去除箔材表面氧化层工序至关重要。金属箔材结合区界面一般为直形界面(部分反应)和波形界面(冶金结合)。波形界面区是由于界面及近界面区材料严重塑性变形而引起的动态再结晶形成的等轴晶区, 为理想结合界面; 而界面及近界面区材料塑性变形和流动形成了直形界面, 但其界面处无再结晶发生, 为机械结合。Dehoff 等进一步研究了利用超声波固结成形技术制备的叠层Al3003 材料的界面微观结构,除在箔材界面处发现再结晶现象和大量位错存在外, 还在界面区的微孔附近发现纳米晶(见图3), 认为在超声波固结过程中界面区部分铝可能存在熔化现象。Sriraman等以振幅36 μm、压力6.7 kN、固结速度30 mm/ s 的参数, 利用超声波固结技术成功制备了叠层铜C11000 材料, 通过EBSD 技术分析了界面织构, 发现在固结过程中界面区材料发生了再结晶, 形成冶金结合, 并且结合超声波固结过程中的绝热效应和热软化效应计算出了此过程中铜箔的真实温度, 该温度正好处于铜的再结晶温度区间, 与界面织构分析结果一致。Ramet 等 则利用超声波固结技术成功制备了叠层Al3003/ Cu10 复合材料, 并对叠层Al3003/ Cu10 复合材料界面进一步研究, 发现界面无金属间化合物生成。而Friel 等对超声波固结技术制备的叠层Al3003 H-18 材料的界面纹路效应进行了研究, 发现压头表面纹路能否有效转移至固结材料表面与材料的刚度有关, 由此得出合理设计压头表面纹路可有效提高界面结合强度, 甚至还可固结高密度、高强度材料。
图3 纳米晶区图像

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