金屬基納米復合材料(MMNC)是用納米尺寸陶瓷顆粒增強金屬材料，具有高比強度和延展性，改善高溫性能。增材制造(AM)在快速成型自由幾何形狀方面具有獨特優(yōu)勢，其效率更高、成本更低。與傳統(tǒng)工藝相比，可以通過增材制造工藝以低成本制造新型輕質(zhì)材料。電弧增材制造(WAAM)具有更高的沉積速率、更好的能源效率和更低的成本。然而，WAAM具有鑄態(tài)微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)的缺點（如孔隙率、殘余應力、偏析等）。超聲能量已被證明可以在MMNC的制造過程中有效地分散納米顆粒，這類作用是通過將超聲波探頭直接浸入熔池中產(chǎn)生的，超聲波主要引起兩種物理現(xiàn)象：聲空化和聲流效應。然而，UA探針的直接浸入如何影響WAAM過程和納米粒子分散尚未明確。

美國俄亥俄州立大學的一項最新研究首次在AA7075 MMNC的WAAM期間應用超聲波，將探頭直接浸入局部沉積池中。基于新開發(fā)的UA-WAAM系統(tǒng)，綜合分析了超聲對不同尺度MMNC力學性能和顯微組織的影響。相關(guān)論文以題為“Ultrasonic effects on gas tungsten arc based wire additive manufacturing of aluminum matrix nanocomposite”發(fā)表在Materials & Design。

論文鏈接：

https:///10.1016/j.matdes.2022.110393

本研究選用直徑1.2mm的TiB₂納米顆粒增強AA7075焊絲，厚度19mm的AA6061鋁板作為基材。UA-WAAM工藝在襯底上共沉積20層，在較高層處的熱輸入減少，行進速度為1.5mm/s，每層總行進時間為1 min，在整個過程中保持0.9 mm/pass的平均高度沉積速率。

研究發(fā)現(xiàn)，在制備過程中超聲波能量和納米粒子都參與了脫氣過程。TiB₂納米顆粒和其他夾雜物充當氫濃縮劑和空化核并降低空化閾值。非金屬形核質(zhì)點的濃度嚴重影響空化的發(fā)展。在UA的正弦聲壓場下，空化氣泡在熔體中不可潤濕顆粒處形成并轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氣泡。UA引起的空化脈動通過整流擴散將氫擴散到氣泡中并增強氣泡的膨脹。這些氣泡一部分在高壓循環(huán)中破裂并產(chǎn)生沖擊波，其余氣泡則保留下來繼續(xù)增長到臨界尺寸并漂浮到熔體表面。在UA-WAAM制備工藝中，超聲波振動、納米粒子及其相互作用促進微觀結(jié)構(gòu)細化。

圖1 沉積最后10層的橫截面宏觀形貌

圖2 無UA和UA段的反極圖

圖3 無UA樣品和UA樣品頂部區(qū)域的BSE-SEM圖

圖4 無UA試樣中大型顆粒團聚的EDS圖

本研究驗證了UA-WAAM系統(tǒng)的可行性和有效性，其提高了WAAM工藝的超聲波能量效率，并滿足大規(guī)模制備復雜的零部件。WAAM過程中的原位超聲振動被證明能夠降低孔隙率，細化凝固結(jié)構(gòu)，導致TiB₂納米粒子分散更均勻。這些微觀結(jié)構(gòu)特征可歸因于超聲引起的聲空化和聲流。與常規(guī)WAAM樣品相比，UA-WAAM樣品在拉伸試驗和顯微硬度中均表現(xiàn)出更好的機械性能。UA在破壞顆粒團聚和提高顆粒潤濕性方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，進而提升了增強相對基體性能的強化作用。本文為UA在增材制造中的應用提供了理論基礎(chǔ)。（文：破風）