純鎳微成形流動應力尺寸效應及充填行為研究.pdf

1、塑性微成形技術相對于其他微細加工技術而言，在加工效率、材料利用率、制造成本、零件性能和尺寸精度等方面具有明顯的優(yōu)勢，其將對產(chǎn)品微型化的快速發(fā)展起到至關重要的推動作用。然而，塑性微成形并不是宏觀塑性成形工藝的簡單微型化。當金屬零件的尺寸或特征尺寸降低到介觀尺度時，此時材料的塑性變形行為與宏觀成形存在明顯區(qū)別，表現(xiàn)出明顯的尺寸依賴性現(xiàn)象，即出現(xiàn)了明顯的尺寸效應現(xiàn)象。尺寸效應是塑性微成形中最根本的問題，也是國際上該領域研究的熱點和難點，迫切需

2、要深入開展相關基礎研究。
　　本文首先實驗研究了介觀尺度單向壓縮過程中的塑性變形行為，包括流動應力尺寸效應和非均勻變形行為，建立了介觀尺度多晶體材料流動應力尺寸效應模型，揭示了微型圓柱單向壓縮流動應力尺寸效應機理，其次實驗研究了微型槽模壓充填行為，揭示了微型槽模壓充填機理，最后以微型渦輪作為典型構件系統(tǒng)研究了復雜微型構件精密模鍛工藝，解決了復雜微型構件整體成形關鍵技術。
　　基于微型圓柱單向壓縮實驗特點，設計了一套適用微型圓

3、柱單向壓縮實驗的模具裝置，系統(tǒng)開展了微型圓柱單向壓縮實驗研究。實驗結果表明，隨著晶粒尺寸的增加或試樣尺寸的減小，材料的非均勻變形程度逐漸增加；隨著晶粒尺寸的增加，材料的流動應力逐漸降低，當試樣直徑方向上的晶粒數(shù)量降低到3-4個時，流動應力反而增加。當試樣尺寸與晶粒尺寸之比大于9時，主要表現(xiàn)為流動應力晶粒尺寸效應現(xiàn)象，反之，主要表現(xiàn)為流動應力試樣尺寸效應現(xiàn)象。
　　基于宏觀多晶體材料流動應力與晶粒尺寸之間的Hall-Petch關系，

4、考慮晶粒分布邊界條件對其Taylor因子和晶界密度的影響，分析了試樣尺寸、晶粒尺寸及模具約束等對表層晶粒比重、內部晶粒比重、模具約束晶粒比重及晶界尺寸因子等參數(shù)的影響，并建立了流動應力與各參數(shù)之間的函數(shù)關系，構建了介觀尺度多晶體材料流動應力尺寸效應理論模型。分析結果表明，對于單向壓縮而言，當試樣尺寸與晶粒尺寸之比降低到6以下時出現(xiàn)了明顯的流動應力試樣尺寸效應；而對于單向拉伸而言，當試樣尺寸與晶粒尺寸之比降低到4以下時出現(xiàn)了明顯的流動應力

5、試樣尺寸效應。
　　微型槽模壓實驗結果表明，材料的模壓充填能力主要與槽寬尺寸t和槽寬尺寸與晶粒尺寸之比t/d有關。當 t=50μm，t/d=1.04時，此時材料充填最為困難，且隨著槽寬尺寸的增加，該t/d臨界值逐漸增加。當槽寬尺寸增加到300μm時，該 t/d臨界值消失。電子背散射衍射(EBSD)分析結果表明，當微型槽模壓的槽寬方向有多個晶粒時，各晶粒之間的塑性變形是不均勻的。位于凹模入口處的晶粒塑性變形程度最大，內部晶粒次之，端

6、部晶粒變形程度最??；而對于微型槽模壓的槽寬方向只有1個晶粒時，單個晶粒的內部發(fā)生劇烈塑性變形，出現(xiàn)了晶粒破碎現(xiàn)象，破碎的晶粒沿著材料流動方向分布，并伴有伸長現(xiàn)象。
　　在此基礎之上，開展了純鎳和7075鋁合金微型渦輪精密模鍛工藝研究。為了便于取出成形后的微型構件，設計了具有螺釘頂出機構的模具裝置。純鎳微型渦輪室溫模鍛實驗結果表明，無論粗晶還是細晶材料在常溫下都無法成形出高質量的微型渦輪構件。通過7075鋁合金等溫精密微模鍛實驗，系