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超声波金属快速增材制造成形机理研究进展(三)

        为研究异种材料在超声波固结过程中叠层界面的结合问题, 美国陆军研究实验室Sano 等将超声波固结技术和热压烧结技术相结合在基体3003 铝合金上通过超声波固结获得了Cp-Ti/ Al 层状复合材料, 如图4 所示。分析表明, 超声波固结过程中使Cp-Ti 表面粗糙, 而热压烧结正好在表面粗糙Cp-Ti 层表面形成了金属间化合物Al3 Ti 层。剥离试验表明Cp-Ti/ Al3 Ti/ Al 层状复合材料的剥离强度要高于Cp-Ti/ Al 片层结构, 可能是由于界面形成了Al3 Ti 和TiAl 相的缘故。然而对于Al-Ti 反应动力学机理尚不清楚, 还有待进一步研究。

图4 超声波固结获得的金属层状复合材料

3.2 摇金属与埋入纤维界面及近界面区微观特征
        利用超声波固结成形技术制备纤维增强的金属叠层材料, 主要是通过将纤维铺放于金属箔材的层间, 对其施加一定的压力和超声波能量使金属箔材发生塑性变形,从而将增强纤维固结在金属叠层之间, 如图5 所示。Yang 等利用超声波固结成形技术在叠层Al/ Al 材料层间成功加入增强SiC 纤维, 界面形貌如图6 所示, 可见纤维仍保持圆柱状, 在纤维周围存在大量的塑性变形流线, 且纤维与基体界面结合良好, 但却以机械结合为主。英国拉夫堡大学Friel在制备叠层Al/ Al 材料间加入SMA 纤维时, 深入研究了纤维周围基体材料的塑性流动情况。结果表明, 纤维上层的铝箔材塑性变形明显高
于其下层的铝箔材, 在纤维与基体的界面及近界面区存在大量细化晶粒和亚晶(见图7a ~ b), 且可清晰看到纤维与基体间存在一定的孔洞(见图7c ~ d), 这些孔洞主要是由于二者结合性质造成的, 通过优化制备工艺可有效降低孔洞, 但从图可清晰看出纤维与基体界面并没有形成有效的冶金结合, 仍以机械结合为主。
图5 利用UC工艺在层间加入纤维原理示意图
图6 叠层A3003基体层间加入SiC纤维SEM照片
        可见, 在超声波固结成形技术制备的叠层金属复合材料层间加入增强纤维主要是通过上下层箔材的大量塑性变形将纤维包裹, 其界面主要为机械结合, 所以超声波固结成形技术只是起到制备纤维增强叠层材料预制带材的作用。
图7 SAM纤维周围基体AL3003(0)的晶粒结构及塑性流动

未完待续;
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