三维智能金属结构（钛合金）超声波固结成型研究

Ultrasonic consolidation is a totally new rapid manufacturing technology of metal layer upon layer, which has been attached great importance by the government and the defense department of the United States and Britain. The relevant colleges and universities have series of research, but research materials mainly focus on aluminum alloy, and the titanium alloy forming mechanism and the three dimensional smart structure made by ultrasonic consolidation has not yet been reported. Titanium alloy because of its small density, high strength, high temperature resistance, corrosion resistance, is becoming more and more widely used in civilian industry sectors such as automotive applications, the aerospace and military industry. This research uses titanium alloy as the research object to study the mechanism of ultrasonic consolidation, discusses its volume effect, surface effect and heat effect under the ultrasonic vibration of the titanium alloy material. To research on FBG three-dimensional titanium alloy under the embedded fiber Bragg grating sensor. To research on the compatibility of the metal substrate and FBG, including embedded FBG sensing performance, plastic flow because of FBG embedding into substrate, etc. To study a three dimensional titanium alloy smart metal structure technology integrated ultrasonic welding technology and high speed milling technology, and application of this technology to repair the important parts of titanium alloy.

超声波固结成型是一种全新的金属层层堆积快速制造技术，在美国和英国已经受到政府和国防部门高度重视，在相关高校已经进行系列研究，然而研究材料主要集中在铝合金上，对钛合金超声波固结成型机理及其三维智能结构的研究尚未见报道。钛合金由于具有密度小、比强度高、耐高温、抗腐蚀等优点，在航空航天等军事工业和汽车等民用工业领域应用日益广泛。本课题以钛合金为研究对象，研究其超声波固结机理，探讨钛合金材料在超声振动下的体积效应、表面效应和热效应。研究FBG光纤光栅传感器嵌入下的三维钛合金智能结构制造，研究FBG光纤与金属基体的相容性，包括FBG的传感性能、FBG嵌入对基体塑性流影响等。研究综合超声波焊接技术和高速铣削技术来快速制造三维钛合金智能金属结构技术，并应用该方法于钛合金重要零件的修复上。

在本项目资助下，项目组集成了高频超声振动试验机和数字材料万能试验设备，完成了铝合金、钛合金超声激励力学性能实验的探索，并对所绘制的应力-应变曲线进行了分析，为钛合金超声波固结试验研究提供了一定的实践和理论基础。以现有的超声波发生器为雏形，设计完成了适合高硬度钛合金的超声波发生器，采用等离子喷涂方法，发生器表面获得了高硬度的陶瓷粉末涂层。开展了无电流辅助下钛合金超声波固结试验，对实验结果进行了对比分析，给出了最佳实验参数。对界面微观织构变化进行了分析，包括晶粒尺寸及形态、晶粒取向及取向差、晶界特征等的统计分析。结合钛合金超声激励压缩实验结果和基于超声固结热、声软化效应的计算分析模型为理论依据，建立了钛合金超声固结热-机耦合有限元模型。对通辅助高频交流电下的钛合金超声固结进行了相关实验，分析了电阻热软化效应对钛合金超声固结的影响机制。数值计算了电流辅助下钛合金超声固结的温度场变化、塑性流动和应力场变化情况。对FBG传感器进行了混合镀（化学镀和电镀）镍、铜实验（简称MFBG），研究了镀层对FBG传感器温度传感性能的影响。进行了MFBG传感器埋入到钛合金的超声固结实验，研究了镀层与基体的相容性和扩散机制。超声固结下成功埋入了MFBG传感器至钛合金基体中，并获得了良好的力学性能和温度传感性能。数值模拟了埋入后基体金属的塑形流动情况。设计完成了超声波固结设备和数控铣床的集成模式，实现了这两种设备的集成制造，为钛合金零件的修复提供了思路。