Zr基非晶合金超声辅助挤压成形工艺研究

发布时间：2020-06-30 09:35

【摘要】：随着微型零件在电子、通讯和微机电系统等领域的应用愈来愈广泛,微型零件的成形制造工艺受到广泛关注。微塑性成形技术由于具有高精度、高生产效率、低成本和净成形等优点,已成为微型零件制造的关键技术之一。非晶合金以其独特的非晶态结构,可避免在微成形过程中产生晶粒尺寸效应,且在过冷液相区具备优良的塑性成形能力,因此在微塑性成形领域具有广阔的应用前景。在目前的非晶合金微塑性成形工艺中,仍存在非晶合金材料微充填性能差和接触摩擦力大等问题,直接影响非晶合金的微成形质量。为了改善非晶合金的微成形性能,本文在非晶合金成形过程中引入超声振动,以Zr_(35)Ti_(10)Cu_(26.75)Be_(8.25)块体非晶合金为研究对象,对非晶合金的超声辅助单轴压缩和微挤压过程进行成形试验,研究过冷液相区非晶合金的单轴压缩塑性变形特性和模具挤压成形时的微塑性成形特性,并采用ABAQUS有限元软件对成形过程进行数值模拟,分析超声振动对非晶合金挤压成形过程的作用机理。研究内容如下:1.采用铜模吸铸法制备直径为3mm的Zr_(35)Ti_(10)Cu_(26.75)Be_(8.25)非晶合金棒料,测定其过冷液相区的温度范围为308-456℃。采用模具整体取放原则,设计微挤压成形模具。并采用课题组自行研制的超声振动平台搭建了超声振动系统。检测结果表明超声振动系统的整体谐振频率为19969.3Hz,能够实现超声振动稳定加载,满足试验设计要求。2.对非晶合金试样进行不同超声功率输出、过冷态温度和挤压速度条件下的超声辅助单轴压缩成形试验,得到相应的真实应力-真实应变曲线、非晶合金单轴压缩的最大应力、最终成形面积和成形高度。试验结果表明:(1)随着过冷态温度升高和挤压速度降低,单轴压缩过程中非晶合金的流动应力和成形高度逐渐减小,挤压成形面积逐渐增加。当超声功率输出为40%、成形温度380℃、挤压速度为0.12mm/min时,非晶合金的流动应力降低了32.8%,成形件面积增加了55.6%,成形高度减小了50.0%。(2)成形温度380℃、挤压速度为0.24mm/min条件下,当超声功率输出从零依次增加到60%时,最大流动应力减小了57.8%,挤压面积增大了266.1%,这表明随着工具超声振幅的增加,非晶合金的塑性成形能力得到了改善;采用ABAQUS对不同超声振幅下的单轴压缩过程及拉伸过程进行数值模拟,发现与常规压缩过程相比,超声振动能够加快非晶合金在成形过程的流变速率,增加自由体积浓度,降低粘度,从而使非晶合金的塑性变形更加容易。3.对非晶合金试样进行不同超声功率输出、过冷态温度和挤压速度的变截面超声辅助微挤压成形试验,得到相应的真实应力-真实应变曲线和非晶合金试样的微挤压成形长度,并计算出相应的等效填充长度。试验结果表明:(1)成形温度380℃、挤压速度为0.24mm/min条件下,当超声功率输出从0增加到60%时,最大应力减小了60.17%,试样等效填充长度增加了810.9%。这表明工具超声振幅越大,超声软化作用越明显,非晶合金的微成形能力增强越显著。同时采用ABAQUS对不同超声振幅条件下的微挤压成形过程进行仿真分析,发现施加辅助超声振动还能降低成形过程等效摩擦系数。(2)随着微挤压成形温度升高和挤压速度降低,非晶合金的成形流动应力逐渐减小,试样等效填充长度随之增加。当超声输出功率40%,成形温度380℃、挤压速度为0.12mm/min时,非晶合金的挤压流动应力降低了31.88%,试样等效填充长度增加了264.2%。(3)研究还表明升高成形温度和加载超声振动均能够增强非晶合金的微挤压成形能力,但加载超声振动可获得相对更好的改善效果。(4)利用ABAQUS对非晶合金微挤压过程进行工艺参数优化仿真分析,结果表明,当超声振动频率为60kHz,接触面摩擦系数在0~0.1之间,过冷态成形温度为380℃,挤压速度0.12mm/min,超声振幅为24μm时,可获得更好的超声软化效果及非晶合金微挤压成形质量。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8;TG663;TG376
【图文】：

挤压成形

1.2 微塑性成形的研究进展代微机电系统、通讯、电子等产业的迅猛发展，微型零件造技术因此受到广泛关注。其中比较典型的有超精细机械、LIGA 等技术。但由于这些加工方法自身的局限性，加低、成本高、环境污染严重等缺陷，使其在微细加工领域相比之下，自 20 世纪 90 年代后，利用材料的塑性成形能性成形技术(Micro-forming)，因其制造工艺优点突出更受成形已成为微细零件量产的理想方法之一，其主要工艺挤压等。

示意图,微型结构,非晶态材料,晶态

利于保证微成形后试样的高精度。以非晶合金为研究对象，进行，对于制备出高精度、低表面粗糙度的精细零部件具有重要指导1.3 非晶合金的发展概况晶合金，是一类原子结构排列长程无序而短程有序的复合金属材为金属玻璃[3]。非晶合金根据不同的原子组成和配比有不同的类传统的晶态材料相比，常温下的非晶合金具有很高的强度、硬度优良的软磁性，已经被广泛的应用于国防航天、精密机械制造、多个领域。当温度从室温持续升高时，非晶合金将会先发生玻璃化温度后将会晶化反应，材料性能将会发生根本性转变且过程不被称为过冷液相区(Supercooled Liquid Region)。处于过冷液相区有粘度较低的特点，其粘度值在 105Pa.s 附近，可以近似认是牛性成形性能良好。

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