超声对丝材增材制备铝基纳米复合材料的影响！

来源：材料科学与工程


金属基纳米复合材料(MMNC)是用纳米尺寸陶瓷颗粒增强金属材料，具有高比强度和延展性，改善高温性能。增材制造(AM)在快速成型自由几何形状方面具有独特优势，其效率更高、成本更低。与传统工艺相比，可以通过增材制造工艺以低成本制造新型轻质材料。电弧增材制造(WAAM)具有更高的沉积速率、更好的能源效率和更低的成本。然而，WAAM具有铸态微观结构性质的缺点（如孔隙率、残余应力、偏析等）。超声能量已被证明可以在MMNC的制造过程中有效地分散纳米颗粒，这类作用是通过将超声波探头直接浸入熔池中产生的，超声波主要引起两种物理现象：声空化和声流效应。然而，UA探针的直接浸入如何影响WAAM过程和纳米粒子分散尚未明确。

美国俄亥俄州立大学的一项最新研究首次在AA7075 MMNC的WAAM期间应用超声波，将探头直接浸入局部沉积池中。基于新开发的UA-WAAM系统，综合分析了超声对不同尺度MMNC力学性能和显微组织的影响。相关论文以题为“Ultrasonic effects on gas tungsten arc based wire additive manufacturing of aluminum matrix nanocomposite”发表在Materials & Design。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110393

本研究选用直径1.2mm的TiB2纳米颗粒增强AA7075焊丝，厚度19mm的AA6061铝板作为基材。UA-WAAM工艺在衬底上共沉积20层，在较高层处的热输入减少，行进速度为1.5mm/s，每层总行进时间为1 min，在整个过程中保持0.9 mm/pass的平均高度沉积速率。

研究发现，在制备过程中超声波能量和纳米粒子都参与了脱气过程。TiB2纳米颗粒和其他夹杂物充当氢浓缩剂和空化核并降低空化阈值。非金属形核质点的浓度严重影响空化的发展。在UA的正弦声压场下，空化气泡在熔体中不可润湿颗粒处形成并转化为气态气泡。UA引起的空化脉动通过整流扩散将氢扩散到气泡中并增强气泡的膨胀。这些气泡一部分在高压循环中破裂并产生冲击波，其余气泡则保留下来继续增长到临界尺寸并漂浮到熔体表面。在UA-WAAM制备工艺中，超声波振动、纳米粒子及其相互作用促进微观结构细化。

图1 沉积最后10层的横截面宏观形貌


图2 无UA和UA段的反极图


图3 无UA样品和UA样品顶部区域的BSE-SEM图


图4 无UA试样中大型颗粒团聚的EDS图

本研究验证了UA-WAAM系统的可行性和有效性，其提高了WAAM工艺的超声波能量效率，并满足大规模制备复杂的零部件。WAAM过程中的原位超声振动被证明能够降低孔隙率，细化凝固结构，导致TiB2纳米粒子分散更均匀。这些微观结构特征可归因于超声引起的声空化和声流。与常规WAAM样品相比，UA-WAAM样品在拉伸试验和显微硬度中均表现出更好的机械性能。UA在破坏颗粒团聚和提高颗粒润湿性方面发挥了关键作用，进而提升了增强相对基体性能的强化作用。本文为UA在增材制造中的应用提供了理论基础。