引言
国防和国民经济建设的巨大需求及结合第四次工业革命所带来的技术爆炸推动着航空航天领域的复杂装备向精密化、一体化、轻质化和智能化发展，这给传统的制造业带来了极大的挑战。当前航空航天领域的主流制造技术仍为减材或等材制造，面对复杂的内／外部结构、超高的尺寸精度要求、快速试制和小批量定制等需求，该技术出现了明显的瓶颈，使得人们将目光转向增材制造领域。
目前，国内研究较多的为高温增材制造技术，如激光熔融、电子束熔融、激光烧结和光固化等技术［1-4］，难以支撑低温材料加工、复杂内部结构加工以及功能性复合材料加工等应用。
金属超声增材制造（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）也被称为超声固结（Ｕｌ-ｔｒａｓｏｎｉｃｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ），具有低温加工的特性，是一种极具潜力的制造技术，自1999年被Ｗｈｉｔｅ等［5］提出后引起了国内外学者的广泛关注。
金属超声增材制造的基本原理是通过超声波发生源产生高频超声电信号，再由换能器将电信号转化成超声波频率的振动，从而将一系列金属带材连接形成结构体。目前常用的带材宽度为25mm。
为了获得复杂的内部结构和最终的几何外形，超声增材过程中还需要穿插机械加工，如图1所示。与超声金属焊接类似，增材阶段通过换能器驱动超声压头产生高频摩擦运动，振动频率可达20kHz，通过加工过程中的超声功率器实现振幅的精确控制。同时，压头会被施加一定的下压力并在数控系统的控制下进行滚动，以实现金属带材的连续固结。在必要的情况下，还会通过给基板预热来为超声焊接系统提供额外的能量。在减材阶段，采用数控加对已固结部分进行处理，引入复杂的内部结构，并形成满足精度要求的外形。
金属超声增材制造属于固相冶金过程，其原理是在高频摩擦振动和下压力的作用下，层间界面处的金属产生高应变率的塑性变形，破坏金属表面的氧化膜，使得金属间发生直接接触、原子扩散直至形成冶金结合。Ｆｕｊｉｉ等［7］详细研究了界面形成的过程，如图２所示，带有纹理结构的超声压头与金属箔片首先接触，在超声振动的作用下金属发生塑性变形，在表面形成微小的凸起（如图2ａ—ｃ所示）；引入新的金属箔片后，凸起位置与上层金属之间产生接触并形成微小的粘结（如图２ｄ所示），伴随压头的振动发生塑性流动，导致氧化膜破裂形成纳米级别的氧化物簇，随后在下压力的作用下这些粘结体发生变形坍塌，使得界面间直接接触的区域逐渐扩展，通过原子扩散最终形成厚度为10～20μｍ的冶金结合层［8］。此外，研究表明，由于塑性变形的影响，界面处还会发生再结晶（如图2f所示）。
从以上研究可以看出，金属超声增材的核心是界面处的热力耦合过程，即通过界面的温升和塑性流动来影响结合质量，塑性流动过小，界面结合强度将会偏低甚至无法结合，塑性流动过大，则容易导致材料发生破坏。因此，需要对振幅和下压力等影响热力耦合过程的关键工艺参数进行合理的组合，以尽可能提高结合强度并防止材料发生破坏。值得注意的是，超声增材过程中金属不会熔化，由摩擦和塑性变形产生的温升不超过材料熔点的1／2（如铜和铝的温度为150℃）［9-11］，因此区别于大多数的高温增材技术，超声增材制造过程中几乎不会发生金属氧化现象，不需要控制周围的气氛。
从第一台超声增材设备出现至今已经20余年［5］，经过国内外同行的不懈研究，超声增材设备不断完善，超声增材技术所能加工的材料也逐渐增加，但是真正用于工程实际的超声增材部件仍然受到限制。
对超声增材加工的部件进行拉伸试验和疲劳试验［12-16］，结果表明，拉伸破坏形式主要是层间脆性断裂，而疲劳失效也主要发生在界面，说明超声增材部件的特性主要受层间结合性能的影响。
由于超声增材系统过于复杂，加工中的过程控制参数也较多，不同材料、不同参数组合所形成的层间界面微结构与粘结质量也各不相同，导致加工出的部件性能有很大区别。为了充分理解增材制造的物理过程，从而更好地指导其实际加工过程，目前国内外的研究主要集中在以下几个方面：（1）层间结合机理；（２）超声固结工艺参数优化及建模；（3）异种材料结合特性；（4）支撑材料。本文从上述四个领域出发，综述超声增材技术的理论和关键技术的研究进展，分析其在航空航天领域的应用现状，并展望未来增材制造技术的发展趋势。
1、超声增材制造的研究现状
1.1层间结合机理
针对超声增材层间结合机理，已有学者分别从实验和数值模拟等方面进行了大量研究。其中，最早发表相关研究成果的是英国拉夫堡大学的研究团队［17-19］，他们研究了Ａ13003材料层间嵌入纤维后界面处的微观组织，发现界面处存在再结晶晶粒，表明金属表面氧化层破裂并非层间结合的唯一因素，塑性变形也是重要原因之一（如图3ａ所示）。
Ｍａｒｉａｎｉ等［20］、Ｄｅｈｏｆｆ等［14］和Ｓｈｉｍｉｚｕ等［21］对超声增材Ａ16061和Ａ13003材料的界面微结构进行了观察（如图3ｂ所示），并提出界面塑性变形将导致动态再结晶，而再结晶过程中的晶界迁移伴随着原子的扩散和原子间结合的形成，这是超声增材过程中结合形成的主要原因。
进一步的微结构观察实验表明，在加工过程中，由于界面处塑性变形，主要在结合界面以下一定厚度区域内发生动态再结晶现象，而界面以上只有很薄的区域出现了晶粒细化［8，14，22-24］。
同时，由于界面细小晶粒的存在，界面处材料的显微硬度比本体材料高［25］。针对超声增材过程的数值模拟研究工作主要集中在通过有限元数值模拟对超声固结过程中的热力耦合过程与结合形成过程的关系进行分析。
对超声增材过程中热力耦合过程的数值模拟研究［26-28］表明，超声增材加工过程中界面摩擦热和塑性变形均会受到过程变量的影响，而塑性变形是结合形成的主要原因。Ｐａｌ等［29-30］还将热力耦合模型与位错本构模型相结合，对结合过程中位错等结构的变化进行研究，结果表明，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。
1.２超声固结过程参数优化
由于超声增材制造过程控制变量复杂，研究者大多通过实验来优化过程参数，并建立过程控制变量与粘结层微结构和性能之间的关系。在第一代低功率超声增材设备（ＳｏｌｉｄｉｃａＡｌｐｈａ）［31］面世之初，Ｆｒｉｅｌ等［32-35］就通过剥离试验研究了振动振幅、焊接速度和下压力对层间结合强度的影响，结果表明，提高振幅、降低速度和提高下压力更有利于提高结合强度。Ｔｒｕｏｇ和Ｗｏｌｃｏｔｔ等［9-11，36］围绕高功率增材制造设备开展研究，得到相似的结论，即高振幅、低速度有利于提高界面结强度，不同的是下压力增加到一定程度（4000Ｎ）之后对界面结合强度不再产生影响。
Ｋｏｎｇ等［33-34］考虑压力、速度和振动振幅这三个过程控制变量，通过实验试错法建立了Ａｌ3003和Ａｌ6061的工艺参数操作窗口。Ｒａｍ等［27-29］通过剥离试验和线性焊接密度（Ｌｉｎｅａｒｗｅｌｄｉｎｇｄｅｎｓｉｔｙ，ＬＷＤ）研究了Ａ13003材料的层间结合强度以及层间结合完整度（如图4所示），结果表明，升高基体预热温度以及采用使界面发生较大塑性变形的工艺参数有利于增加结合强度。桑健等［40］进一步研究了基体加热温度对结合强度的影响，结果表明，铜箔固相结合强度在加热温度为100℃时最佳，为２4．4２0Ｎ／ｍｍ，并随界面最高温度的升高先增大后减小。
近年来，利用数值模拟技术开展层间结合特性研究受到广泛关注。Ｋｅｌｌｙ等［41-43］开发了基于声学软化模型的材料模型，以描述增材制造过程中材料的变形行为，利用有限元仿真建立过程参数（振幅、速度和下压力）与焊接能量之间的关系，随后通过试验建立焊接能量与层间结合强度之间的关系。除此以外，也有研究者围绕超声增材过程中的中间变量，建立其与层间结构的关系，以得到在不同材料间具有泛化能力的模型或工艺窗口。
张松等［44-46］通过超声固结实验及宏观／微观相结合的元胞自动机模型开展数值模拟研究。
不同于以往以振幅、速度和下压力等作为控制变量，他们提出超声增材过程中界面温度和塑性应变是影响层间结合的关键变量，并且上述关系不受材料特性的影响，通过研究该关键变量与界面微结构特性以及层间结合质量的关系，建立了铝合金系列材料的过程图，过程图中已知材料操作窗口可支撑对未知材料进行反向设计，实现不同材料加工过程的优化。
此外，加工过程中随着固结高度的增加，会出现层间结合强度逐渐减弱的现象。Ｒｏｂｉｎｓｏｎ等［47］、Ｚｈａｎｇ等［48］和Ｇｉｂｅｒｔ等［49］分别采用实验、有限元模型以及非动态Ｒａｙｌｅｉｇｈ-Ｒｉｔｚ模型等手段研究了超声固结过程中固结高度与带材宽度之间的关系，均得到两者之比约为1∶1。Ｇｉｂｅｒｔ等［50］还研究了加工过程中的振动对焊接性能的影响，即当结构件的长、宽比大于0．7时（见图5），加工时可能会引发结构共振，导致粘结层产生缺陷甚至被破坏，并且他们建立了预测铝合金是否发生共振的过程图。
1.3异种材料及复合材料结合特性研究
随着超声增材技术应用领域的不断扩展，异种材料结合或在带材中嵌入功能纤维而形成具有特殊功能的复合材料等也不断受到关注。
针对超声增材实现异种材料结合的研究最早是由犹他州立大学的Ｒａｍ等［515２］开展，他们通过对不同金属带材与Ａｌ3003结合的界面微观组织研究，评估界面结合强度。随后大量科研人员研究不同材料间的结合特性［53-57］，结果表明，在钛、银、钽、铝、钼、不锈钢、镍、镍基合金、铜和ＭｅｔＰｒｅｇ®几种材料中，所有面心立方体金属之间都可以很好地结合，只有Ａｌ1100和Ａｌ3003可以很好地与钼、钽和钛这三种非面心立方体金属很好地结合，而Ａｌ6061和以上三种金属的结合能力适中。
对不同材料所加工形成的结构而言，含有较多韧性材料的结构在失效前的能量吸收能力也更好。不同金属带材与Ａｌ3003结合及界面微观组织如图6所示。
超声固结过程冷加工和逐层叠加的特性使得其在某些特殊领域具有天然优势，如金属带材中层间嵌入结构强化纤维和嵌入式传感器等。
在嵌入纤维的结合原理方面，Ｍａｒｉａｎｉ等［２0］、Ｋｏｎｇ等［5960］通过观察嵌入纤维的金属带材微结构特征研究纤维与金属带材之间的结合机理，发现由于纤维周围金属的塑性流动使得纤维被机械地固定（见图7ａ），金属带材与纤维之间并没有发生明显的扩散或者化学反应。
在嵌入纤维的结合强度研究方面，Ｋｏｎｇ等［61］研究了不同类型纤维（ＳｉＣ、ＮｉＴｉ形状记忆合金）嵌入铝合金带材时结合强度随工艺参数的变化情况（见图7ｂ），并将该应用扩展到埋覆集成纤维和电子元器件等方向；Ｏｂｉｅｌｏｄａｎ等［54］、Ｈａｈｎｌｅｎ等［6２-63］在铝带材中嵌入结构强化纤维制备了复合材料结构件（见图7ｃ），试验表明纤维增韧的复合材料具有更高的比强度和刚度；Ｙａｎｇ等［64］研究发现Ａｌ3003带材嵌入ＳｉＣ纤维时的结合强度主要受振动振幅、焊接速度、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，优化工艺参数为振幅２0μｍ、焊接速度34ｍｍ／ｓ、下压力1700Ｎ、基体预热温度4２２Ｋ以及纤维方向45°。
1.4支撑材料研究
由于超声增材制造过程会带给金属带材较大的下压力，为了获得复杂、精细的内部结构，与其他高温增材制造技术相比，金属超声增材制造过程需要更多的支撑材料，研究支撑材料对最终成形零件形状和性能的影响十分重要。
犹他州立大学的Ｓｗａｎｋ等［65-66］是最早开展超声增材制造支撑材料研究的团队，他们通过研究发现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，并以此为据提出了多种适用于超声增材制造过程的支撑材料类型，如无铅焊料等。此外，克莱姆森大学和爱迪生焊接研究所的相关团队［67］也开展了支撑材料的研究。
2、金属超声增材技术在航空航天领域的应用
从２014年开始，ＮＡＳＡ喷气实验室（ＪＰＬ）与美国Ｆａｂｒｉｓｏｎｉｃ公司合作，探索使用金属超声增材技术制备一体化热管理系统来替代原有的分体式外部换热管道，以达到减轻质量、缩短加工时间的目的。图8ａ为采用超声增材技术打印的一体化换热器，通过综合利用支撑材料和机械加工，可实现将换热管道打印到部件结构中，从而提高换热器的换热效率和鲁棒性。上述换热器已经通过ＮＡＳＡＪＰＬＴＬ6质量测试，用于２0２0年ＮＡＳＡ火星探测任务。据悉，利用增材制造技术打印的换热器的质量减少了30％，而制造周期也有一定的缩短。此外，利用超声增材制造技术容易实现异种材料结合的特点，可在换热器的局部高温区域采用导热率高的铜，而其余位置采用轻质铝或铝合金，从而在提高换热性能的基础上降低质量损失（见图8ｂ）。
随着数字孪生技术的兴起，ＮＡＳＡ聚焦航空解决方案项目（Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｙａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓｓｏｌｕｔｉｏｎ，ＣＡＳ）中的数字孪生子项目，正在探索嵌入式传感器技术，目的是对实际运行系统的信息进行实时采集，修正数字孪生模型以支撑运行时的决策乃至快速设计。然而，航空航天设备多工作于极端环境，在部件外部安装传感器一方面可能干扰部件正常工作，另一方面绝大部分常规传感器难以应用于高温高压环境，导致目前实际使用的传感器数量较少，采集的信息十分有限。利用超声增材技术可以将对温度敏感的传感器直接嵌入结构件中，如ＮＡＳＡ与Ｆａｂｒｉｓｏｎｉｃ公司合作［70］，将直径为195μｍ的光纤应变传感器（工作温度：－180～２60℃）嵌入铝合金结构件中，如图9ａ所示，通过准静态和循环拉伸试验可知，经校准后传感器的测量结果符合精度要求；随后上述技术被用于ＮＡＳＡ数字孪生项目中，在结构件内部应力集中的区域（如图9ｂ所示），利用增材制造技术布置了30个光纤应变传感器，提前预测部件的疲劳寿命。为了进一步扩展传感器的使用温度范围，光纤表面还沉积了一层金属涂层。
在役修复和快速替换是航空航天装备维修保障的未来发展方向［71］，而增材制造作为一种快速制造技术，是目前最佳的实现途径。基于激光或电子束的高温增材技术会使得局部区域的金属呈熔融状态，需要严格控制周围环境的气氛，且原有基体中热影响区域的尺寸和微结构都将发生明显的变化，导致残余应力增大、强度降低、修复区域组织非均匀化等，进而影响修复后部件的疲劳特性乃至使用安全性。超声增材制造作为一种低温固态连接技术，能够克服上述不足，且由于金属不会熔化，不需要控制周围环境，对待修复部件尺寸没有要求，使用领域更加广泛。图10为采用超声增材制造修复直升机机翼前缘，通过逆向工程可以构建出失效部件的２Ｄ或3Ｄ几何结构，通过与原始部件进行对比，获得磨损区域的几何特征，进而驱动超声增材设备将Ａｌ7075材料打印到磨损区域，修复几何外形。
此外，超声增材技术也常用于结构减重，如制造点阵结构和复合材料金属连接件等。Ｇｅｏｇｅ等［39］设计了一款纳米卫星（电离层扰动层析遥感器，ＴＯＲＯＩＤ）以测量低纬度电离层中的闪烁行为，进而提供更精确的定位。
其中，基于模块化的设计理念，为了将测量设备固定在卫星上，需要采用具有蜂窝结构的轻质面板作为卫星的主体结构（见图11ａ）。采用超声增材技术制造蜂窝结构，不仅提供了较多的安装空间，能够获得比复合材料更轻的质量，还具有可在结构内部埋入电子元器件的优势。试验表明，该蜂窝结构的刚度达到1151Ｎ／ｍｍ，能够支撑卫星的发射。
Ｇｕｏ等［72］利用超声增材技术将碳纤维增韧聚合物复合材料（ＣＦＲＰ）与铝合金板连接（见图11ｂ），其实现方式是通过超声增材制备铝合金板时，利用机械加工在其边缘加工出一系列环形槽道，随后将碳纤维绕成圈放置于槽道中，再利用超声增材在其表面继续打印铝合金带材，重复上述过程即可形成复合材料-金属连接件。这可直接使用普通焊接方式将铝合金与原有金属结构连接，从而实现在结构设计中加入复合材料减重的同时不改变原有金属结构的加工工艺，降低制造成本，实现结构减重。试验结果表明，采用超声增材技术制备的复合材料-铝合金连接件的抗拉强度可达1２5ＭＰａ，优于其他加工方式。
3、展望
航空航天领域的复杂装备往往在极端环境中工作，承受着高温、高压和高负荷，对部件的寿命和可靠性提出了极高的要求。此外，第四次工业革命激发了智能化设备的发展势头，数字孪生是未来的发展方向之一。
为了获得虚实交互，需要精确采集实际设备工作过程中的状态参数，而先进的传感器技术是实现的基础。
随着超声增材技术的发展及其可适用材料的不断扩展，结合当前航空航天复杂装备的应用需求，可以推测未来超声增材技术在航空航天领域将有巨大的应用潜力。
金属超声增材加工过程中的增材与冷加工使得该技术能在部分领域取得创新性的成果，总结起来大体分为三类（见图1２）：
（1）一体化换热器。
由于超声增材加工过程中能引入机械加工，可以在铝合金、铜合金和其他金属结构件内部构造出光滑、准确的换热通道，或者在结构件外部构造出一体化的换热结构，这是常规加工方法难以实现的，可用于制造航天飞行器或者航空发动机中的换热器结构以及受外载荷较轻的热端部件，如低压涡轮静子叶片等。
（２）异种材料结合。
超声增材过程温度较低，金属间化合物很难形成，容易实现异种材料结合的金属基复合材料，从而提升制造件的性能，比如制备表面覆层、过渡连接件和复合材料结构件等，也可用于失效部件局部区域的表面修复；同时通过工艺设计，可以实现金属与非金属材料的连接，进而达到功能增强与减重的目的。
（3）电子元器件植入。
同样得益于超声增材技术的低温加工特性，可将一些对热敏感的电子元器件或传感器植入金属基体中，一方面能够获得应力集中区域等关键位置精确的测量信息，另一方面也能防止传感器被磨损或破坏。
例如，采用增材制造将传感器和微处理控制系统等电子元器件埋入航天器或其子系统的外壳中，构建一体化智能蒙皮，实现智能感知、预测与控制，从而提高飞行器或其子系统的使用性能。
4、结语
金属超声增材制造技术由于具有低温加工特性，在制造过程中不会引发金属材料熔化，因此相对于其他高温增材技术，其有着独特的适用领域，如异种材料结合、热敏电子元器件植入等。国内外对超声增材的研究主要集中在层间结合机理、超声固结过程参数优化、异种材料或复合材料结合特性研究及支撑材料研究等四个方面。
目前对超声增材层间结合机理的研究表明，界面处金属的塑性变形和随之产生的动态再结晶是层间结合产生的原因。为了提高结合质量，需要对振动振幅、下压力、速度、形状和基底温度等过程参数进行优化，目前针对铝合金系列（如Ａｌ3003、Ａｌ6061等）材料利用试验和数值仿真建立了过程窗口，可用来指导实际加工过程。关于异种材料及复合材料结合机理，研究重点在于结合形成的机理及微观组织和性能表征。此外，为了拓展超声增材的实际应用范围，也有部分学者致力于研究支撑材料对制造过程的影响，提出选择依据以指导实际加工。在工程应用方面，针对复杂服役环境下的航空航天领域复杂装备，综合使用超声增材制造制备高效换热通道、纤维增韧复合材料，并将热敏电子元器件埋入结构件中，形成具备结构功能一体化和状态实时感知的智能结构件，将推动航空航天复杂装备朝着轻质、高效和智能的方向发展。
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