【摘 要】
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金属增材技术发展至今已有几十年时间,常用的增材技术一般有激光增材和电子束增材等技术。但是由于技术的局限性,导致在某些领域无法高效加工生产,为了缓解技术难题,超声波金属增材制造技术在近些年轰然问世,并且得到众多研究学者的关注。但是迄今为止,超声波金属增材制造技术的固结机理仍是众说纷纭,工艺参数对增材试件性能的影响规律也未完全研究透彻,极大地限制该技术的蓬勃发展。本文希望通过超声波金属增材试验可以深入
【基金项目】
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辽宁省组织部,辽宁省兴辽英才项目“智能零部件超声波增减材制造基础理论与关键技术”,资助项目编号:XLYC2007133；
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金属增材技术发展至今已有几十年时间,常用的增材技术一般有激光增材和电子束增材等技术。但是由于技术的局限性,导致在某些领域无法高效加工生产,为了缓解技术难题,超声波金属增材制造技术在近些年轰然问世,并且得到众多研究学者的关注。但是迄今为止,超声波金属增材制造技术的固结机理仍是众说纷纭,工艺参数对增材试件性能的影响规律也未完全研究透彻,极大地限制该技术的蓬勃发展。本文希望通过超声波金属增材试验可以深入了解金属固结机理以及工艺参数对于固结试件力学性能的影响规律。主要研究内容如下:（1）通过推导声学、运动学以及静力学公式,对超声增材设备的超声波固结系统各部件以及其他辅助工作系统进行结构设计、标准件选型,并使用Abaqus软件对所建立三维模型进行有限元模态分析与结果验证,最终研制出具有双换能器的超声波金属增材设备。（2）使用自制设备对金属铝箔进行超声波固结试验,使用金相显微镜和扫描电镜对固结试件进行固结界面微观形貌分析;搭建温度场测试平台进行固结区域温度场热瞬态采集。经过试验发现,固结界面存在三种常见微观缺陷,分别为:线性、点状和不规则缺陷;实验参数范围内,固结质量与压力、振幅呈正相关趋势,与速度呈负相关趋势;固结区域热瞬态均未超过150℃,远不及铝的熔点600℃。（3）综合分析界面微观形貌和热瞬态,最终发现,超声金属固结时由于固结工具头高频振动生成的摩擦热会使金属材料表面发生塑性变形、流动以及原子扩散,从而实现金属箔材的超声固结增材;此外,铝箔表面的致密氧化膜在超声固结时会被高频振动破坏分裂成细小碎片并随着振动向四周分散,对固结质量影响有限。（4）对固结试件进行拉伸试验、三点弯曲试验、显微硬度试验、表面粗糙度试验以及摩擦磨损试验,对比试验结果分析不同工艺参数对于固结试件各项性能的影响规律。通过试验发现,在实验参数范围内,固结压力与固结振幅的提高会有效提升试件的力学性能,速度的增加会降低试件的力学性能;固结试件的抗拉强度最大可达89.86MPa;固结试件的抗弯强度最大可达151MPa;显微硬度最大为33.5HV,远大于原材料的21HV;表面粗糙度Ra最小可达2.884m。
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