金屬超聲波增材制造技術的發展
超聲波增材制造是在超聲波金屬焊的基礎上發展的最新的增材領域應用技術。哈爾濱工程大學的學者在《航空制造技術》發表了題為“金屬超聲波增材制造技術的發展”的綜述論文，主要綜述超聲波增材制造技術的技術原理、裝備、產業化應用。本期將分享該文的主要內容。
目前，增材制造技術主要以激光、粒子束和等離子束作為加熱熱源，以金屬粉末為原材料來進行逐層成形和制造，但這種以高能三束為主的增材快速成形與制造技術存在一定的局限性。為了克服現有的高能束成形直接制造技術的不足，美國近年來發展了新的非高能束直接快速成形與制造技術，即超聲波增材制造技術。它采用大功率超聲能量，以金屬箔材作為原材料，利用金屬層與層之間振動摩擦產生的熱量，促進界面間金屬原子相互擴散并形成固態物理冶金結合，從而實現了快速逐層增材制造成形。同時將固結增材過程與數控銑削等減材工藝相結合，實現了超聲波成形與制造一體化的超聲波增材制造技術。超聲波固結與快速制造技術具有速度快、變形小、壓力低、能耗小、無污染、結合強度高且能固結異種金屬材料的優點，在汽車制造業、電工電子技術、電器及儀表制造業、航空、宇航工業、密封技術等方面有著廣泛的應用，是近年來發展起來的又一種先進的增材制造技術。
本文簡要介紹了超聲波固結成形技術原理，超聲波增材制造技術的發展、特點及應用，以及我國近年來在超聲波增材制造技術領域的發展狀況。
增材制造技術概述
增材制造技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除-切削加工技術，增材制造是一種“自下而上”的制造方法。作為一種全新概念的制造技術，自20世紀90年代出現以來，經過20余年的發展，增材制造已經成為先進制造領域一種無法取代的制造方法。“快速原型制造（Rapid Prototyping）”、“3D 打印”、“實體自由制造（Solid Free-form Fabrication）”等對增材制造技術的不同命名都體現了該制造方法的技術特點。
增材制造技術不需要傳統的刀具和夾具以及多道加工工序，在一臺設備上可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現了零件的“自由制造”，解決了許多復雜結構零件的成形難度，并減少了加工工序，縮短了加工周期。而且產品結構越復雜，其制造速度的提升就越顯著。以現今應用較為廣泛的幾種金屬增材制造技術為例，電子束熔絲沉積成形、激光直接沉積增材成形、電子束選區熔化成形及激光選區熔化增材成形技術已經成功應用于航空領域當中，能夠制造出具有復雜點陣夾芯減震梁及點陣夾芯連接件，以及異形復雜型腔結構件。快速原型制造也是增材制造技術的分支之一，主要服務于產品概念設計優化、功能評估、商業宣傳、工裝模具制造等。
由以上諸多優點及現有應用情況可見，增材制造技術在各個領域當中都能得到廣泛的應用，如電子消費產品、汽車、航空航天、醫療、軍工、地理信息、藝術設計等。增材制造的特點是單件或小批量的快速制造，這一技術特點決定了它在產品創新中具有顯著的作用。
超聲波增材制造技術的發展
1 超聲波金屬焊接的發展
超聲波金屬焊接技術是19世紀30年代偶然發現的。當時在做電流點焊電極加超聲波振動試驗時發現不通電流也能進行焊接，因而發展了超聲金屬冷焊技術。雖然超聲波金屬焊接技術的發現比超聲波塑料焊接要早，但目前應用較廣的還是超聲波塑料焊接，這是因為超聲波塑料焊接對于焊頭質量和換能器功率的要求要比金屬焊接低得多。所以，由于受超聲波換能器功率的限制，多年來超聲波焊接技術在金屬焊接領域沒有得到很好的應用和發展，主要局限于金屬點焊、滾焊、線束和封管4個方面。
超聲波增材制造裝備的關鍵是大功率超聲波換能器，美國采用推-挽（push-pull）技術，通過將兩個換能器串聯，成功制造出了9kW大功率超聲波換能器，推-挽（push-pull）式超聲波換能器原理如圖1所示。大功率超聲波換能器的出現使得超聲波焊接技術能夠對一定厚度金屬箔材實現大面積快速固結成形，為超聲波增材制造技術的發展奠定了技術基礎。
圖1 推-挽（push-pull）式超聲波換能器結構示意圖
2 超聲波固結成形機理
超聲波固結成形技術是采用大功率超聲波能量，以金屬箔材作為原料，利用金屬層與層之間振動摩擦而產生的熱量，促進界面間金屬原子的相互擴散并形成固態冶金結合，從而實現逐層累加的增材制造成形。圖2為超聲波固結原理示意圖，當上層的金屬箔材在超聲波壓頭的驅動下相對于下層箔材高頻振動時，由于摩擦生熱導致箔材之間凸起部分溫度升高，在靜壓力的作用下發生塑性變形，同時處于超聲能場的金屬原子將發生擴散形成界面結合，從而實現金 屬逐層增材固結成形制造。將增材快速成形與數控銑削等工藝相結合，形成超聲波固結成形與制造一體化的3D打印技術。
圖2 金屬箔材超聲波固結成形機理
3 超聲波增材制造技術的優點
與高能束金屬零件快速成形技術相比，超聲波固結成形與制造技術具有以下優點：
（1）原材料是采用一定厚度的普通商用金屬帶材，如鋁帶、銅帶、鈦 帶、鋼帶等，而不是特殊的增材制造用金屬粉末，所以原材料來源廣泛，價格低廉。
（2）超聲波固結過程是固態連接成形，溫度低，一般是金屬熔點的 25%~50%，因此材料內部的殘余內應力低，結構穩定性好，成形后無須進行去應力退火。
（3）節省能源，所消耗的能量只占傳統成形工藝的5%左右；不產生任何焊渣、污水、有害氣體等廢物污染，因而是一種節能環保的快速成形與制造方法。
（4）該技術與數控系統相結合，易實現三維復雜形狀零件的疊層制造和數控加工一體化，可制作深槽、空洞、網格、內部蜂巢狀結構，以及形狀復雜的傳統加工技術無法制造的金屬零件，還可根據零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實現梯度功能。
（5）超聲波固結不僅可以獲得近100%的物理冶金界面結合率，且在界面局部區域可發生晶粒再結晶，局部生長納米簇，從而使材料結構性能提高。此外，固結過程箔材表面氧化膜可以被超聲波擊碎，無需事先對材料進行表面預處理。
（6）該技術不僅可用于金屬基復合材料和結構、金屬泡沫和金屬蜂窩夾芯結構面板的快速鋪設成形和制造，且由于該技術的制造過程是低溫固態物理冶金反應，因而可把功能元器件植入其中，制備出智能結構和零部件。
（7）除了用于大型板狀復雜結構零部件以外，超聲波固結成形裝備還可用于制造疊層封裝材料、疊層復合電極、薄材疊層，并且采用這些材料以及后處理工藝制作出精密電子元器件封裝結構和復雜的疊層薄壁結構件。
超聲波增材制造裝備
在研發出大功率超聲波換能器的基礎上，美國首先研發了國際上第一臺利用超聲波能量固結成形的非高能束成形增材制造裝備。該系統單道次固結的金屬箔材寬度達到25mm，實現了超聲波固結從點對點到面對面的拓展。經過10余年的發展，目前超聲波增材制造裝備已發展到第三代產品。表1為美國一、二、 三代超聲波增材制造裝備技術指標對比。從總體技術水平來看，第一代產品僅能被稱作為原型機，許多功能并不完善。第二代裝備在第一代的基礎上增加了3軸CNC 加工系統、自動送料系統并擴大了工作空間，第三代裝備則又進一步擴大了工作空間和焊頭的最大垂直載荷，從而使之具有快速制造大尺寸零部件的能力，第三代超聲波增材制造裝備如圖3所示。美國第三代超聲波增材制造裝備的工作空間大小已達到（1800×1800×900）mm³，而且加工的材料也從最初的低強度鋁合金擴展到了Cu、316不銹鋼、Ni和Ti-6-4合金等。美國研發的具有快速制造能力的超聲波增材制造裝備和技術代表了目前國際超聲波增材成形與制造技術的最高水平，它可以用于金屬疊層復合材料、纖維增強金屬層狀復合材料、疊層智能結構等的快速制造，也可用于深槽、空洞、網格、內部蜂巢狀結構體等形狀復雜的金屬零件的快速成形與制造。由于超聲固結材料、技術和設備的特殊用途及其在軍工領域的應用背景，美國對中國實施嚴格的技術封鎖，禁止有關公司向中國出口超聲波固結設備和技術。
圖3 美國發展的第三代超聲波固結設備
超聲波增材制造技術的應用
超聲波增材制造技術具有的一系列優點，使其更適用于復雜疊層材料零件和結構的設計、成形、加工一體化的數字化快速制造，代表了國際先進增材制造技術又一新的發展方向。由于超聲波增材制造技術獨特的低溫制造優點，在制造需嵌入功能性元器件的復合材料和結構時，能夠保證功能元器件不被損壞和失效，因此尤為適合將功能性元器件嵌入制成功能/智能材料和結構。同時， 其獨特的疊層制造方式，以及增材制造中增材/減材相搭配的制造方法，使得超聲波增材制造技術成功地應用于同種、異種金屬層狀復合材料、纖維增強復合材料、梯度功能復合材料與結構、智能材料與結構。此外，超聲波增材制造技術還被應用于電子封裝結構、航空零部件、金屬蜂窩板結構、熱交換器等復雜內腔結構零部件的制造。因此，該技術和裝備在航空航天、國防、能源、交通等尖端支柱領域有著重要的應用前景。下面簡要介紹超聲波增材制造技術在復合材料與結構、零部件等制造中的應用。
1 層狀材料和結構材料
超聲波增材制造技術的應用之一即為層狀材料的疊層堆積制造，可制備出疊層復合材料。無論是對于同種金屬還是異種金屬都能取得理想的固結質量。在層狀材料的制備中，超聲波增材制造技術有著相比其他制備方法更加迅速、節能的優點，并能達到近100%的界面結合率及良好界面結合強度（圖4為超聲波固結Ti/Al異種金屬SEM掃描圖像）。在金屬間化合物基層狀復合材料的兩步法制備過程中，超聲波固結方法已成功制造出Ti/Al疊層毛坯，用于后續的燒結制備金屬間化合物基層狀復合材料。
圖4 Ti/Al層狀復合材料SEM掃描圖像
2 纖維增強復合材料
現有的材料技術已經越來越多地由之前的純金屬及合金轉向復合材料的應用研究。雖然復合材料有著許多純材料及合金無法比擬的優點，但相關學者仍在不斷地尋找復合材料的強化機制。以層狀復合材料為例，在基體中埋入SiC 陶瓷纖維或NiTi形狀記憶合金纖維，能夠在很大程度上改善原有復合材料的強度和韌性等力學指標以及取得減震降噪等特殊性能，達到材料的強韌化及功能性等目的。采用超聲波增材制造技術制造出的Al2O3纖維增強鋁基復合材料如圖 5（a）所示，碳芯SiC纖維強化Ti/Al復合材料如圖5（b）所示。
圖5 纖維增強復合材料界面掃描圖像
3 功能/智能材料
利用超聲波增材制造技術已經成功地在金屬基體中埋入光導纖維、多功能元器件等，從而制造出金屬基功能/智能復合材料。在金屬基體中直接植入電子元器件等能夠在很大程度上提高元器件的精密度，并簡化結構，提高空間利用率。同時，超聲波增材制造過程中進行的局部低溫固態物理冶金反應，避免了高能束成形制造時導致植入元器件的失效和增強體性能的劣化問題。試驗表明，采用優化的超聲波增材制造技術，在鋁合金疊層中埋入的光纖沒有出現明顯的變形和破壞，保持了原有的性能。圖6所示為鋁基體中使用超聲波增材制造方法嵌入光纖材料的功能材料。
圖6 超聲波增材制造制備的光纖功能材料
4 金屬蜂窩夾芯板結構
超聲波增材制造技術的另一個應用是金屬蜂窩夾芯板的制造。眾所周知，目前航空航天領域對于新一代的超輕高強材料的需求迫切，復合材料雖然能夠在一定程度上滿足這些需求但還不夠完美，利用超聲波增材制造技術能夠制造出新一代輕質金屬蜂窩夾芯板結構材料，中空蜂窩骨架結構的支撐及表層金屬共同構成的三明治夾心結構優化了強度和密度比，使其擁有優異的力學性能和輕質特性。圖7所示為超聲波增材制造技術制備出的金屬蜂窩夾芯板。
圖7 金屬蜂窩夾芯板
5 金屬疊層零部件制造
由于超聲波增材制造技術能夠制造出內腔復雜、精確的疊層結構，所以近年來在金屬零部件制造領域中的應用前景漸顯。逐層制造的特點使得很容易設計并制造出獨特的內部結構，可應用于精密電子元器件的封裝（圖 8（a）），鋁合金航空零部件（圖 8（b））的快速制造和鋁合金微通道熱交換器（圖 8（c））等零部件及結構件的制造。
圖8 應用超聲波增材制造技術制造的典型零部件
國內金屬超聲波增材制造技術研究進展
1 超聲波焊接的主要應用
由于目前國內超聲波金屬焊接技術與裝備還不夠完善，僅僅停留在點焊、滾焊等點、線焊接層面，遠沒有達到面與面間的大尺度焊接能力，所以目前國內超聲波金屬焊接僅能應用在電池電極的點焊，汽車線束焊，太陽能電池板滾焊，冰箱、空調等行業銅管封尾等應用。
眾所周知，制約超聲波金屬焊接技術發展的最大技術瓶頸為超聲波換能器的功率。由于受換能器壓電陶瓷轉換效率的制約，實際輸出的超聲能量難以大幅提高，這是超聲波焊接技術應用范圍受限的主要原因。目前國內普通低功率超聲波金屬焊接的應用還主要集中在對超聲能量要求不高的金屬絲、箔、片等結構的連接，其主要的焊接方式也大多只能實現點焊、滾焊和線束焊等低功率要求的超聲波焊接，這一狀況嚴重阻礙了國內超聲波金屬焊接技術應用領域的拓展以及超聲波增材制造技術的發展。
2 超聲波焊接技術在層狀復合材料制備方面的研究
雖然受到試驗條件限制，但是國內一些學者仍利用超聲波點焊機對金屬焊接制備層狀復合材料工藝和機理進行了研究。其中南昌大學的朱政強等對超聲波金屬焊接的焊接機理進行了研究，確定了Al/Al同種金屬和Ti/Al異種金屬的最佳的焊接工藝參數，并對焊接工藝對焊接界面以及力學性能的影響進行了相關的測試。南昌大學的張義福通過超聲波金屬焊接快速成形方法將光纖布拉格光柵(FBG)傳感器埋入6061鋁基體中制備出金屬基智能復合材料，并建立了詳細的超聲波金屬焊接制備復合材料的材料模型、摩擦模型及界面溫度場等模型。
3 國內超聲波增材制造裝備
雖然我國對于超聲波增材制造技術的研究起步較晚，又受制于歐美等發達國家長期以來的技術封鎖，尤其是超聲波換能器功率不足的技術瓶頸長久無法突破，不過近些年隨著超聲波焊接技術應用的愈加廣泛，國內幾家具有自主研發制造超聲波換能器的公司無論在技術上還是設計制造能力上都取得了極大的進展，雙換能器推-挽（push-pull）技術和長壽命焊頭等關鍵部件制造可靠性的實現，使得設計并制造國內自主超聲波增材制造裝備成為可能，歐美等發達國家十幾年的技術封鎖隨即打破。隨著我國近兩年大力推進增材制造產業的發展，各科研院所及高等院校等研究機構也開始投入極大的科研力量，我國的超聲波增材制造技術的研究和應用前景日益廣闊。哈爾濱工程大學已經擁有了國內第一臺具有超聲波增材制造能力的裝備，并開展了一系列超聲波增材制造技術領域的研究。雖然該裝備的技術水平僅相當于美國的第一代產品，但該裝備具有連續層狀復合材料固結成形能力，換能器功率已達9kW，單道次固結寬度達到25mm，可用于鈦、鋁、銅、不銹鋼等金屬疊層復合材料、纖維增強金屬層狀復合材料、纖維均布預制帶材等的制造，以及用來開展金屬原子擴散、界面固結成形機理等研究。相信隨著對超聲波增材制造技術研究的不斷深入，我國超聲波增材制造高端裝備的建造及其制造技術和能力在短期內會有較大的發展， 能夠進一步地縮小與國外發達國家的差距。
結束語
當前，增材制造技術已經從研發轉向產業化應用，數字化增材制造技術在高形狀復雜度、高功能復雜度、低成本和輕量化零件的制造方面發揮著巨大的作用，被認為是現代制造業的一次工業革命，正在向高功能、高性能材料零件直接制造方向發展。作為增材制造技術的一種，超聲波增材制造技術具有諸多技術優點，并可以預見到在多個領域內有很大的發展前景。但對目前而言，超聲波增材制造技術還存在一些不足，如目前的超聲波功率只能對厚度小于0.4mm的鋁箔進行快速成形，對于鈦合金可實施固結的厚度則更小。這是因為 當超聲波固結技術應用于較大厚度和較高強度金屬板材時，需要大幅提 高超聲波換能器的輸出功率，這給加載系統聲學設計及制造帶來一系列難以解決的問題。所以，如何拓寬超聲波增材制造技術的工藝適用范圍和加工能力，滿足厚度大和強度高金屬板材的增材制造是目前國內外研究的熱點。
超聲波增材制造技術在原有較為初級的超聲波金屬焊接的基礎上經過不斷發展，在技術上突破了對金屬材料焊接應用中焊頭強度和換能器功率的限制，具有能夠固結大尺寸連續材料的能力，并具有了其他傳統制造方法所欠缺的快速精密制造能力。雖然目前超聲波增材制造技術還不及其他幾種高能束增材制造方法完善，但由于其獨特的低溫快速、綠色環保的技術特點，可以預見在未來能夠應用于很多領域，如大型復雜薄壁板狀零部件、連續纖維輕金屬預制帶材、金屬泡沫蜂窩夾芯板材、智能復合材料與結構、復合材料疊層電極等的快速成形和制造。超聲波快速固結成形制造技術必將成為現代先進制造技術的一個不可取代的分支。
文獻來源：
李鵬,焦飛飛,劉郢,等. 金屬超聲波增材制造技術的發展[J]. 航空制造技術,2016(12):49-55.
DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2016.12.049.
(責任編輯：admin)
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