超声增材制造在航空航天领域的应用进展

作     者：刘婷 朱宇 胡晓 张松 LIU Ting;ZHU Yu;HU Xiao;ZHANG Song

作者机构：中国航空发动机研究院北京101300 清华大学航空发动机研究院北京100084 

出 版 物：《材料导报》 (Materials Reports)

年 卷 期：2023年第37卷第2期

页      面：136-143页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0806[工学-冶金工程] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0813[工学-建筑学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主　　题：超声增材制造技术 复合材料 低温加工 航空航天 

摘      要：金属超声增材制造是一种低温、固态的加工技术,其原理是在近室温环境中通过超声波振动在金属带材之间建立冶金结合,制造过程中金属不会熔化。利用超声增材与机械加工相结合的技术能够制备出精细的内外部结构。然而,超声增材层间结合机理仍在不断研究中,层间界面微结构和结合质量与工艺参数间的关系不清晰,使得界面处容易发生失效,加之目前应用的材料体系范围有限,导致超声增材的应用受到极大限制。因此,国内外的工作主要集中在以下四个方面:(1)层间结合机理研究;(2)超声固结工艺参数优化及建模;(3)异种材料结合特性研究;(4)支撑材料研究。现有研究表明,塑性成形是层间结合的主要驱动力,而加工过程中界面处的晶粒破碎以及动态疲劳破坏会导致层间结合变弱;利用试验和数值模拟研究,明确了振动振幅、焊接速度、下压力和固结宽/高比是影响结合强度的重要工艺参数,通过建立不同材料的工艺窗口,可指导实际加工过程;钛、铝、铜、不锈钢等面心立方体金属之间具有好的结合强度,而对非面心立方体材料而言Al1100和Al3003是理想的结合材料,在铝合金基材中嵌入SiC纤维和NiTi形状记忆合金时,其结合强度主要受振动振幅、速度、下压力、基体预热温度以及嵌入纤维方向等过程变量的影响;对于支撑材料,选择坚硬且熔点高于焊接温度的支撑材料更容易获得高质量的结构件,如无铅焊料等。与此同时,金属超声增材在航空航天领域的应用探索也在同步开展,已实现的典型应用包括高效换热器、电子元器件植入和表面修复等。本文介绍了超声增材制造技术的基本过程及原理,综述了国内外关于该技术的研究现状,总结了该技术在航空航天领域的应用情况,分析了未来的发展趋势,旨在进一步拓展金属超声增材制造技术在航空航天领域的应用范围。