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超声波金属快速增材制造成形机理研究进展(四)

3.3摇界面和近界面微区原子扩散行为
        在短时、快速超声波固结成形过程中原子扩散非常困难, 界面多数以机械结合, 界面强度低。所以提高金属叠层材料界面结合强度也是研究难点之一, 可通过合理选择固结参数以达到界面原子扩散激活能, 使界面原子互扩散, 在界面尽可能多的形成冶金结合。

        Ramet 等对超声波固结Al3003 和Cu10 界面原子扩散进行了研究, 发现无Cu 扩散进入Al 侧, 但有Al 扩散进入Cu 侧。Ramet 认为由于EDS 分辨率低, 可能得到的关于Al 原子扩散结论不准确, 需进一步使用TEM EDS证实。Mueller 等基于扩散相关参数的系列计算及MC模拟分析, 利用扫描电镜和EDS 线扫描技术发展了一种评价超声波固结Cu-Al 试样界面互扩散系数的新方法,此方法可计算出扫描电镜在不同加速电压时获得的互扩散系数和扩散距离的误差。进一步解决了SEM EDS 测试分辨率低等问题, 为界面元素扩散研究提供了一种新思路。

        然而, 有学者提出超声波焊接时材料在几秒内形成的塑性应变率高达103 / s, 快速塑性变形可促进界面原子扩散而使界面形成冶金结合。Kulemin 和Kholopov研究发现, 在超声波焊接铝板和铜板时互扩散系数极高, 可达1.4×103 μm2 / s, 是温度713 K 时晶格扩散系数的107 倍。而Ruoff 和Balluffi在分析塑性变形对应变诱发过多空位辅助金属扩散影响的试验数据时, 发现应变率低于一定值(<10-2 / s)时可促进晶格扩散。基于上述结论可得出引起应变诱发空位促进扩散的应变率应存在一极值。Gunduz 等研究了铝箔和锌板513 K 时超声波焊接后界面原子扩散的问题, 将焊接界面分为3
个特征区: FCC 铝晶界锌富集区、无特征区及无特征区与锌富集区之间的薄层区。结果表明超声波焊接引起的高应变率变形可有效增加材料内部空位浓度, 从而促进界面原子扩散。铝在513 K时, 一般的晶格扩散系数为1.208伊10-5 μm2 / s, 超声波焊接时互扩散系数1.9 μm2 / s, 提高了5 个数量级。

        影响超声波固结质量的主要参数包括超声波振幅、压力、固结速度和基板温度等, 每种材料都有特定的最优工艺参数。若固结参数相对较低时, 由于界面无法获得足够的能量, 最终形成的界面质量较差; 若固结参数较高, 过高能量输入将已经形成的界面结合破坏, 最终也无法获得良好的界面结合。由于超声波固结试样界面结合机制多为物理冶金或机械结合, 关于界面原子扩散与固结参数的关系研究几乎没有, 多数学者认为固结界面结合机制主要为再结晶, 同时也通过理论计算间接证明其正确性。

        Sriraman 等在固结Cu/ Cu 时, 根据超声波固结过程中的绝热效应和热软化效应计算出该过程中的温升,见式(1):



        Tb +△t 正好处于铜的再结晶温度区间。其中, Tb 为基板预热温度, 子为剪切应力, 酌为剪切应变, 茁为热转化率, 籽为材料密度, c 为工件的比热。

        Schick 等为解释超声波固结过程中晶粒尺寸变化, 假设此过程与铝合金热加工过程相似, 可用Zener-Hollomon(Zh )计算 , 见式(2)和(3):




        其中, dsub为亚晶粒尺寸, Zh 为Zener-Hollomon 参数, Tp为峰值温度, 着Σ为应变率。

        固结过程中, 箔材表面粗糙度轮廓在固结过程中结合区的位移随时间变化为d(t), 表面纹路的剪切应变率的计算见式(4):


        首先, 将公式(1)计算出的温升加基板预热温度代入公式(3)的Tp , 再将公式(4)代入公式(3)就可计算得Zh 。然后, 将Zh 值代入公式(2)就可计算晶粒尺寸值。所以, 根据温升计算可验证Dehoff 等提出的熔化现象, 而晶粒尺寸计算可从理论计算方面验证纳米晶。但是上述公式是基于几个假设而提出的, 其正确性有待进一步验证。

未完待续;
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