超聲波振動條件下磁控濺射納米材料的超塑變形研究

蔣少松，盧振，張凱鋒

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

開發(fā)高性能納米材料一直是世界各國戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)的一部分，塑性加工領(lǐng)域尤其是微成形領(lǐng)域，也一直在對納米材料的潛在應(yīng)用進(jìn)行著探索。磁控濺射法可在低溫條件下快速濺射晶粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)均勻、純度高的納米材料，而且?guī)缀跛薪饘?、合金和陶瓷材料都可以制成靶材。同時，納米材料的組織和性能還可通過調(diào)整T/Tm（襯底溫度與靶材熔點(diǎn)之比）和沉積室工作氣壓等關(guān)鍵工作參數(shù)來控制，易于獲得滿足不同性能要求的理想的納米材料［1—4］。然而，目前對磁控濺射納米材料的研究主要用于表面鍍膜。若將磁控濺射納米材料與襯底剝離，單獨(dú)作為成形材料應(yīng)用于塑性成形領(lǐng)域，尤其是微成形領(lǐng)域，則既可以為磁控濺射納米材料的應(yīng)用開拓新方向，也可以為塑性成形提供一種性能優(yōu)良的納米材料，是學(xué)科交叉、優(yōu)勢互補(bǔ)的典型體現(xiàn)。

1 可剝離磁控濺射納米材料研究現(xiàn)狀

目前，國外已有學(xué)者將磁控濺射納米材料與襯底剝離開來，單獨(dú)研究其材料特性。例如，Lovery，Ishi-da，Zhang等人，采用磁控濺射法分別在玻璃襯底上制備了厚度為 3 μm 的 Cu-Al-Ni，7 ～ 9 μm 的 Ti-Ni，以及6.5 μm的Ti-48.9Ni納米材料，將它們從襯底上剝離后，對退火過程中的馬氏體轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究［5—7］。圖1為與襯底剝離后的Cu-Al-Ni納米材料。Park等人采用磁控濺射法，制備了厚度為1 μm的Al-3%Ti納米材料，采用離子刻蝕法將硅襯底腐蝕后，單獨(dú)研究了材料在不同溫度退火后的組織演變［8］。這些研究表明，將磁控濺射納米材料與襯底剝離開來研究是可行的。目前將磁控濺射納米材料直接作為成形對象應(yīng)用到塑性成形領(lǐng)域的研究仍不多見，且其組織結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，晶格常數(shù)往往不同于其他材料，相關(guān)變形機(jī)制尚不明確，因此，開展磁控濺射納米材料在塑性成形領(lǐng)域的研究具有開拓性和原創(chuàng)性意義。

圖1 與襯底剝離后的磁控濺射納米材料Fig.1 Magnetron sputtering nanomaterial stripped from the base sheet

2 納米材料的超塑性能

發(fā)掘磁控濺射納米材料的超塑性能是將其拓展到塑性成形領(lǐng)域的有效途徑。這是因?yàn)榇趴貫R射納米材料具有超細(xì)晶組織，晶界數(shù)目多。同時，細(xì)小晶粒的等軸性優(yōu)良，晶粒的滑動和轉(zhuǎn)動容易進(jìn)行。而超塑性是一種與材料內(nèi)部顯微組織密切相關(guān)的變形行為，晶界滑移是超塑性變形的主要機(jī)制，其形成的變形量占超塑性總體變形的50% ～70%［9］。因此，具有超細(xì)晶組織的磁控濺射納米材料符合超塑性的主要條件，有望實(shí)現(xiàn)其超塑性。從通用的超塑性本構(gòu)方程也可以推測到這一點(diǎn)，方程描述了晶粒尺寸、溫度與應(yīng)變速率三者間的關(guān)系:

圖2 納米Ni在不同溫度條件下的超塑拉伸試樣Fig.2 Superplastic tensile samples of nano Ni at different temperatures

3 納米材料超塑微成形

超塑性狀態(tài)下材料具有良好的成形性能，能夠在較低的變形溫度下展現(xiàn)出大延伸率和良好的成形性能，特別適合于微小零部件的加工。超塑成形在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)件時還具有大塑性變形和大高徑比的特點(diǎn)，應(yīng)用于微成形可以達(dá)到微小的工件尺寸和與工件尺寸相比的絕對小變形［16—18］。因此，國內(nèi)外在超塑性微成形領(lǐng)域已開展了很多研究，與磁控濺射同為傳統(tǒng)鍍膜技術(shù)的電沉積法制備的納米材料已通過超塑性能在微成形中得到應(yīng)用［19—21］。磁控濺射制備的箔類納米材料具有晶粒尺寸小、空隙率低、純度高的特點(diǎn)，符合超塑性變形和微成形的主要條件。只是，目前磁控濺射納米材料的高溫變形機(jī)理尚不明確。超塑變形的主要機(jī)制是晶界擴(kuò)散、晶粒沿晶界的滑移和相鄰晶粒間相互侵吞而產(chǎn)生的晶界遷移，而非常規(guī)塑性變形主要依靠位錯滑移，特別是在高溫變形時，兩種過程交替進(jìn)行，對晶界的依賴性很高。磁控濺射納米材料由于晶粒尺寸小，導(dǎo)致其晶界數(shù)量顯著增加、晶界具有異乎尋常大的表面積。同時，磁控濺射納米材料的空隙率低，孔 洞數(shù)量減少，在高溫變形過程中孔洞的形核、長大、擴(kuò)展規(guī)律及材料對孔洞的容忍性也會發(fā)生顯著變化。因此，磁控濺射納米材料高溫條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及高溫變形機(jī)制具有復(fù)雜性和獨(dú)特性。

納米材料超塑性變形的一個關(guān)鍵問題是成形后材料存在晶粒過于粗化的問題，這是因?yàn)槌苄宰冃问窃诟邷睾偷蛻?yīng)變速率的條件下進(jìn)行的，大量的晶界處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)，在適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件下將向較穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)或穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化。如丁水等對電沉積納米ZrO2/Ni進(jìn)行超塑拉伸后，晶粒由變形前的45 nm長大到500 nm，且晶粒長大主要發(fā)生在超塑性變形初期［22］，可見溫度對晶粒長大的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于應(yīng)變量的影響。目前控制晶粒長大的手段大多是降低成形溫度，而這往往以犧牲材料的成形極限為代價(jià)。在塑性成形中引入超聲波振動，可以使變形材料中的原子產(chǎn)生受迫振動，給偏離平衡位置的原子以很多的復(fù)位機(jī)會，使晶格畸變延緩，從而有利于防止被加工材料的硬化和提高材料的塑性。因此，將超聲波振動引入到納米材料的超塑性成形中，有望利用超聲波的“布萊哈”效應(yīng)能有效改善金屬塑性的特點(diǎn)，在保證成形極限的前提下降低納米材料超塑成形溫度，從而控制超塑成形過程中的晶粒粗化。在超聲波振動的作用下，金屬原子會貢獻(xiàn)出更多的自由電子，增加正離子和自由電子之間的靜電作用，金屬鍵的作用加強(qiáng)和原子結(jié)合力增加，從而減小外力作用下斷裂的幾率。然而，金屬原子中自由電子的振動與溫度密切相關(guān)，高溫條件下超聲波對金屬塑性的影響將發(fā)生顯著變化，而目前將超聲波用于高溫塑性成形的研究鮮見報(bào)道。研究超聲波振動條件下納米材料的高溫力學(xué)性能，有望揭示高溫下超聲波對納米材料晶粒粗化及成形極限的影響規(guī)律。

4 超聲波輔助塑性成形

在納米材料微成形過程中，由于零件比表面積的增加及制品厚度的減小，使得表面質(zhì)量及精度控制變得困難。一些學(xué)者將超聲波應(yīng)用于微成形以改善此類情況，許多國際一流大學(xué)在此領(lǐng)域均展開了研究，不同大學(xué)的超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均不相同。圖3是英國的University of Glasgow、美國的North Carolina State University和中國臺灣的National Chiao Tung U-niversity制造的超聲波輔助塑性成形裝置圖。其超聲波發(fā)生器的參數(shù)基本上是功率2 kW，頻率20 kHz，承載2000 kg。超聲波承載結(jié)構(gòu)與發(fā)生器部分接觸，既滿足了可以承載以進(jìn)行塑性成形的目的，又可以保證超聲波在承載過程中不會漏波而產(chǎn)生聲波衰減的情況。需要注意的是，超聲波發(fā)生器輸出的信號頻率必須與超聲換能器、超聲變幅桿以及工具頭構(gòu)成的工作系統(tǒng)的固有頻率相匹配，才能使換能器工作在理想的諧振狀態(tài)。

圖3 超聲波振動輔助塑性成形裝置Fig.3 Ultrasonic vibration assisted plastic forming device

美國的Bunget和Presz等人將超聲波振動應(yīng)用于微成形，將超聲波發(fā)生器的工具頭直接作為擠壓模具的凸模，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在施加超聲波時，成形載荷顯著下降，零件表面質(zhì)量大幅提高，可以克服常規(guī)微成形中出現(xiàn)的摩擦力過大、微模具易損、零件質(zhì)量差等一系列問題［22—23］。圖4為超聲波輔助成形裝置及微零件表面質(zhì)量比較，可以看出在超聲波振動條件下，零件表面質(zhì)量明顯改善。這是因?yàn)槌曊駝拥摹氨砻嫘?yīng)”可以增加潤滑劑的表面活化作用，在某些瞬間使接觸面分離，促使表面發(fā)熱，有利于潤滑劑吸入和排出，凈化表面及使摩擦力換向等。超塑微成形時材料始終處于高溫狀態(tài)，摩擦因數(shù)比冷加工時大，更易導(dǎo)致成形質(zhì)量下降。在超塑微成形中引入超聲波，有望通過改善摩擦狀態(tài)進(jìn)而提高零件成形質(zhì)量。然而，超塑微成形屬于高溫成形，材料在成形過程中處于粘滯流動狀態(tài)，材料與模具之間接觸面的相互擴(kuò)散作用增強(qiáng)，摩擦狀態(tài)更加復(fù)雜，變形均勻性亦發(fā)生改變，導(dǎo)致超塑成形狀態(tài)下材料的變形特征顯著變化。因此，揭示超聲波振動條件下的超塑微成形特性，是保證超聲波在磁控濺射納米材料微成形領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖4 超聲波輔助成形裝置及零件表面質(zhì)量比較Fig.4 Ultrasonic assisted forming device and comparison of surface quality of the parts

5 結(jié)語

采用磁控濺射方法制備單獨(dú)的納米材料箔是可行的，納米材料在超塑性狀態(tài)下雖然變形能力強(qiáng)，但是晶粒易粗大，引入超聲波振動降低其超塑成形溫度是控制晶粒長大的一個方法。將納米材料的超塑成形與超聲振動結(jié)合，研究其變形機(jī)理，可以為塑性成形領(lǐng)域在此方面的研究奠定理論基礎(chǔ)。

進(jìn)一步的研究思路可以歸納為3個方面，包括超聲波振動對磁控濺射納米材料超塑性力學(xué)性能的影響;超聲波振動對磁控濺射納米材料超塑性變形過程中微觀組織的影響;超聲振動條件下磁控濺射納米材料的超塑微成形特性?？梢酝ㄟ^研究超聲波振動條件下磁控濺射納米材料的超塑性及超塑微成形，綜合利用超聲波的“布萊哈效應(yīng)”來降低成形溫度，避免晶粒過快長大，降低摩擦作用，提高成形質(zhì)量。揭示超聲波振動條件下納米材料超塑性變形機(jī)理，掌握關(guān)鍵控制因素及優(yōu)化手段，可實(shí)現(xiàn)超聲波輔助磁控濺射納米材料的超塑微成形。實(shí)現(xiàn)新材料與新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，拓展出新領(lǐng)域，開創(chuàng)出新局面。

［1］YANAGIHARA M，KAWANO K，HONDA T，et al.Formation of NiZn Ferrite Nano-crystalline Thin Films by Rfmagnetron Sputtering with Changing Substrate Temperatures［J］.Thermochimica Acta，2012，532:145—147.

［2］XU Y J，LIAO J X，CAI Q W，et al.Preparation of a Highlyreflective TiO2/SiO2/Ag Thin Film with Self-cleaning Properties by Magnetron Sputtering for Solar Front Reflectors［J］.Solar Energy Materials and Solar Cells，2013，113:7—12.

［3］SARAKINOS K，ALAMI J，KONSTANTINIDIS S.High Power Pulsed Magnetron Sputtering:A Review on Scientific and Engineering State of the Art［J］.Surface and Coatings Technology，2011，11:1661—1664.

［4］LI W L，WANG J N，YU Y S，et al.Microstructural and Magnetoresistance Effect of Fe-Ag Granular Films without any Heat-treatment［J］.Journal of Non-Crystalline Solids，2010，351（25—27）:1315—1318.

［5］LOVERY F C，CONDO A M，GUIMPEL J，et al.Shape Memory Effect in thin Films of a Cu-Al-Ni Alloy［J］.Materials Science and Engineering A，2008，481/482:426—430.

［6］ZHANG J X，SATO M，ISHIDA A.Deformation Mechanism of Martensite in Ti-rich Ti-Ni Shape Memory Alloy Thin Films［J］.Acta Materialia，2006，54（4）:1185—1198.

［7］ISHIDA A，SATO M，MIYAZAKI S.Mechanical Properties of Ti-Ni Shape Memory Thin Films Formed by Sputtering［J］.Materials Science and Engineering A，1999，A273—275:754—757.

［8］PARK J H，MYUNG M S，KIM Y J.Tensile and High Cycle Fatigue Test of Al-3%Ti Thin Films［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2008，147:561—569.

［9］NIEH T G，HSIUNG L M，WADSWORTH J.High Strain Rate Super Plasticity in a Continuously Re-crystallized Al-6%Mg-0.3%Sc Alloy［J］.Acta Materialia，1998，46（8）:2789—2800.

［10］HASSANI Amir，ZABIHI Majed.High Strain Rate Superplasticity in a Nano-structured Al-Mg/sic Composite Severely Deformed by Equal Channel Angular Extrusion［J］.Materials ＆ Design，2012，39:140—150.

［11］KIM W J，MOON I K，HAN S H.Ultrafine-grained Mg-Zn-Zr Alloy with High Strength and High-strain-rate Superplasticity［J］.Materials Science and Engineering A，2012，538:374—385.

［12］SUTRAKAR V K，MAHAPATRA D R.Superplasticity in Intermetallic Nial Nanowires Via Atomistic Simulations［J］.Materials Letters，2010，64:879—881.

［13］PARK S S，YOU B S.Low-temperature Superplasticity of Extruded Mg-Sn-Al-Zn Alloy［J］.Scripta Materialia，2011，65:202—205.

［14］XIAO M J，TIAN Y X，MAO G W，et al.Superplasticity of Ti2448 Alloy with Nanostructured Grains［J］.Journal of Material Science and Technology，2011，27（12）:1099—1104.

［15］WANG Guo-feng，ZHANG Kai-feng，JIN Hua，et al.Lowtemperature Superplasticity of Al2O3（p）/Ni-Co Nanocomposites［J］.Materials ＆ Design，2012，33:399—404.

［16］KIM W J，YOO S J，KIM H K.Superplastic Microforming of Mg-9Al-1Zn Alloy with Ultrafine-grained Microstructure［J］.Scripta Materialia，2008，59:599—602.

［17］HOSSAIN A M，HONG S-T，PARK K-Y，et al.Microforming of Superplastic 5083 Aluminum Alloy［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2012，22（3）:s656—s660.

［18］DING S，ZHANG Kai-feng，WANG Guo-feng.Superplastic Micro Deep Drawing of Fine-grained Nickel at Elevated Temperatures［J］.Material Science Forum，2007，551/552:545—550.

［19］PRASAD M J N V，CHOKSHI A H.Superplasticity in Electrodeposited Nano-crystalline Nickel［J］.Acta Materialia，2010，58（17）:5724—5736.

［20］WANG Guo-feng，ZHANG Kai-feng，JIN HUA，et al.Lowtemperature Superplasticity of Al2O3（p）/Ni-Co Nanocomposites［J］.Materials ＆ Design，2010，33:399—404.

［21］PRASAD M J N V，CHOKSHI A H.Extraordinary High Strain Rate Superplasticity in Electrodeposited Nano-nickel and Alloys［J］.Scripta Materialia，2010，63（1）:136—139.

［22］丁水.電沉積制備納米晶Ni及ZrO2/Ni復(fù)合材料的超塑性和超塑成形［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007:71—73.

［23］BUNGET C，NGAILE G.Influence of Ultrasonic Vibration on Micro-extrusion［J］.Ultrasonics，2011，51:606—616.

［24］PRESZ W，ANDERSEN B.Flexible Tooling for Vibrationassisted Microforming［J］.Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering，2007，21（2）:61—64.

［25］LIU Yan-xiong，HAN Qing-you，HUA Lin，et al.Numerical and Experimental Investigation of Upsetting with Ultrasonic Vibration of Pure Copper Cone Tip［J］.Ultrasonics，53（3）:803—807.