非晶合金微塑性振動(dòng)輔助成形研究現(xiàn)狀

陳超，吳曉

(武漢紡織大學(xué)，湖北省數(shù)字化紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430200 )

0 引言

非晶合金與相同或相似成分的晶態(tài)合金相比，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和電磁性能[1-5]。由于不存在位錯(cuò)、孿晶等微觀結(jié)構(gòu)缺陷，大多數(shù)非晶合金室溫下的宏觀塑性變形十分有限[6-8]，這嚴(yán)重制約著非晶合金作為高強(qiáng)度工程材料的應(yīng)用。然而，非晶合金在過冷液態(tài)區(qū)內(nèi)卻表現(xiàn)出粘性流體特征[9-11]，具有較好的微成形能力，其特性研究極具發(fā)展前景[12-13]。人們對(duì)非晶合金超塑性流變機(jī)理及微成形能力研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著零件尺度的減小，非晶過冷液的表觀粘度和成形載荷急劇增加，表現(xiàn)出明顯的幾何尺寸效應(yīng)[14]。對(duì)于形狀較復(fù)雜的微型零件，在成形過程中，坯料往往需要發(fā)生多軸流動(dòng)，幾何尺寸效應(yīng)將導(dǎo)致成形難度加大。吳曉等[15-16]通過穩(wěn)態(tài)載荷反擠壓工藝研究了變截面復(fù)雜微型非晶零件的成形工藝，在成型該類零件時(shí)，坯料需要產(chǎn)生軸向和徑向等多軸流動(dòng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，零件的徑向尺寸難以保證。這主要是由于微成形時(shí)非晶坯料的表觀粘度高，內(nèi)部變形流動(dòng)阻力大，軸向和徑向受力不均勻?qū)е滤苄宰冃尾痪?/p>

顯然，降低非晶合金的表觀粘度，提高其流動(dòng)充模能力對(duì)非晶合金微成型技術(shù)的發(fā)展尤為關(guān)鍵。現(xiàn)有的研究主要集中在兩個(gè)方面，即通過優(yōu)化溫度和應(yīng)變速率等工藝參數(shù)，或者引入振動(dòng)來降低粘度以提高其成形能力。但是過高的溫度將縮短非晶合金的晶化孕育時(shí)間[17]，而過高的應(yīng)變速率將會(huì)誘導(dǎo)非晶材料晶化現(xiàn)象的產(chǎn)生[18]，這些都將增加非晶材料晶化的危險(xiǎn)，使其失去優(yōu)良的綜合性能。于是振動(dòng)降粘技術(shù)受到了相關(guān)科研人員的青睞，有不少文獻(xiàn)報(bào)道了相關(guān)研究成果。本文從非晶合金微塑性振動(dòng)輔助成形理論研究、實(shí)驗(yàn)研究以及裝備研究三方面，綜述了最新的相關(guān)研究成果，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 非晶合金微塑性振動(dòng)輔助成形理論研究現(xiàn)狀

振動(dòng)作為一種能量，對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)會(huì)有一定的影響，在穩(wěn)態(tài)流變時(shí)，振動(dòng)會(huì)引起材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)程，從而影響剪切速率[19]，當(dāng)剪切速率加大時(shí)，破壞進(jìn)程大于松弛過程，黏度隨剪切速率加快而降低；在動(dòng)態(tài)流變時(shí)，流體的動(dòng)態(tài)黏度還與加載頻率有關(guān)[20]。振動(dòng)載荷的作用機(jī)理主要體現(xiàn)在對(duì)非晶合金自由體積的影響和表面效應(yīng)兩個(gè)方面。

1.1 振動(dòng)載荷對(duì)非晶合金微成形自由體積影響機(jī)理

非晶合金振動(dòng)微成形工藝中，頻率較低時(shí)，大部分形變都是黏性流動(dòng)的貢獻(xiàn)，這種形變產(chǎn)生不可回復(fù)的能量耗散。而當(dāng)頻率增高時(shí)，黏性流動(dòng)時(shí)間很短，即原子結(jié)構(gòu)來不及重排，此時(shí)彈性形變將占優(yōu)勢(shì)，而大部分彈性能量都是可回復(fù)的，所以頻率增大時(shí)能量的耗散減小，黏度大大降低，非晶合金的微成形能力增強(qiáng)。自由體積漲落模型認(rèn)為非晶合金的塑性形變是通過局部單個(gè)原子的躍遷來實(shí)現(xiàn)的，類似于原子的擴(kuò)散。Spaepen[21]認(rèn)為原子要想移動(dòng)或者擴(kuò)散必須推擠周圍的其它原子來產(chǎn)生可以躍遷的自由體積，并把流變速率和自由體積聯(lián)系起來，建立非晶流動(dòng)的自由體積演化方程，表明了隨著自由體積增加，原子的流動(dòng)會(huì)變得越來越容易，流變速率也隨之增加，黏度下降。振動(dòng)頻率的增大將降低弛豫時(shí)間，減慢了自由體積的湮滅，導(dǎo)致非晶合金自由體積濃度的增加，使得流動(dòng)單元分布更加均勻，從而降低流動(dòng)粘度。李寧[22-23]等對(duì)Zr35Ti30Be26.75Cu8.25非晶合金在振動(dòng)場(chǎng)作用下的單軸拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著振動(dòng)頻率的增大，非晶合金“自由體積”的增加、“流動(dòng)單元”體積減小，從而引起流動(dòng)黏度降低，微成形能力增強(qiáng)。

1.2 振動(dòng)載荷對(duì)非晶合金微成形表面效應(yīng)影響機(jī)理

李東君[24]等對(duì)非晶合金微成形過程中的界面摩擦行為研究表明，隨著溫度的升高或是應(yīng)變速率的降低，非晶合金和金屬模具之間的界面摩擦系數(shù)增大。非晶合金和模具之間的界面摩擦行為主要受到非晶合金流動(dòng)特征的影響。這種界面摩擦的存在影響非晶合金的成形能力，其本質(zhì)是由于界面摩擦的存在影響了材料的流動(dòng)行為，使材料的流動(dòng)趨于不均勻，從而影響非晶合金的充模成形能力。隨著成形尺寸的減小界面摩擦的影響變得越加明顯，一方面是由于隨著成形尺寸的減小，成形件的比表面積增大，界面摩擦力增大，需要的成形力增加；另一方面，成形尺寸減小而界面摩擦影響區(qū)域的大小不變，從而非晶合金流動(dòng)的不均勻性增加，成形能力降低。振動(dòng)力場(chǎng)通過降低非晶合金的粘度，使非晶過冷液與模具的界面摩擦模型轉(zhuǎn)向黏著模型，從而降低了摩擦因數(shù)，促進(jìn)了其微成形。

1.3 非晶合金超聲振動(dòng)輔助微成形機(jī)理

與晶態(tài)材料不同，非晶合金結(jié)構(gòu)均勻，沒有晶態(tài)材料中的位錯(cuò)等超聲能量吸收源，文獻(xiàn)[25]發(fā)現(xiàn)300 KHz以上的高頻振動(dòng)會(huì)破壞非晶合金的玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)，而低頻振動(dòng)則沒有此現(xiàn)象，說明非晶合金對(duì)低頻振動(dòng)的吸收不明顯。

體積效應(yīng)和表面效應(yīng)是超聲振動(dòng)輔助塑性成形中流動(dòng)應(yīng)力降低的兩大效應(yīng)。對(duì)于將超聲振動(dòng)場(chǎng)引入到非晶過冷液流變成形中，由于壓板發(fā)生超聲頻振動(dòng)，導(dǎo)致了變形過程中內(nèi)應(yīng)力和摩擦力周期性消失，宏觀上表現(xiàn)為變形抗力的降低和摩擦條件的改善[26-28]。從金屬振動(dòng)塑性成形的角度來看，坯料與工具之間由于振動(dòng)而導(dǎo)致摩擦力矢量瞬間反向，這種“摩擦效應(yīng)”使得在振動(dòng)周期的部分時(shí)間里摩擦作用降低，降低了材料塑性變形力，使材料得到更好的成形效果[29-30]。

可見在非晶合金微成形過程中，振動(dòng)載荷降低了其流動(dòng)粘度，改善了坯料與模具之間的摩擦效應(yīng)，促進(jìn)了其成形過程。近年來對(duì)非晶合金微塑性振動(dòng)成形機(jī)理還不夠完善，需要進(jìn)一步深入研究。

2 非晶合金微塑性振動(dòng)輔助成形實(shí)驗(yàn)研究

具有高生產(chǎn)效率、減少?gòu)U料、降低加工成本等優(yōu)點(diǎn)的微塑性成形，備受國(guó)內(nèi)外關(guān)注。目前研究較多的微成形工藝有微沖壓、微體積成形、微超塑成形、微注塑、微壓鑄等[31]。關(guān)于非晶合金振動(dòng)輔助微成形的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在振動(dòng)擠壓和振動(dòng)壓縮等成形工藝。

李金陽(yáng)[32-33]設(shè)計(jì)了Zr55Cu30Al10Ni5塊體非晶合金在過冷液態(tài)區(qū)內(nèi)進(jìn)行低頻振動(dòng)擠壓側(cè)向流動(dòng)的微成形實(shí)驗(yàn)方案，利用DEFORM-3D有限元分析軟件進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬分析，為實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)確定提供依據(jù)；并在450 ℃下選取不同振幅（38~760 N）和不同頻率（0.1~2.0 Hz），一定時(shí)間（避免晶化）內(nèi)進(jìn)行成形實(shí)驗(yàn)，并通過非晶合金在橫向槽內(nèi)的流動(dòng)長(zhǎng)度來定量地衡量非晶合金的流動(dòng)變形能力，其中一組非晶合金側(cè)擠壓微成形實(shí)物對(duì)比圖如圖1(a)所示。其研究結(jié)果表明，引入振動(dòng)場(chǎng)能有效提高非晶合金的微成形能力。

圖1 非晶合金微成形樣品Fig.1 The samples of amorphous alloy micro-forming

圖2 雙杯擠壓成形件的截面SEM照片(振幅360 N)Fig.2 Cross-section SEM images of parts formed by double cup extrusion test ( A = 360 N)

楊彬[34-35]設(shè)計(jì)Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金在振動(dòng)力場(chǎng)作用下的雙杯擠壓模型，利用有限元模擬和實(shí)驗(yàn)的方法，研究了低頻振動(dòng)頻率、振幅等工藝參數(shù)對(duì)非晶合金摩擦行為的影響規(guī)律。使用deform2D模擬雙杯擠壓實(shí)驗(yàn)，獲得不同振動(dòng)力場(chǎng)作用下的摩擦標(biāo)定曲線。并在頻率0.05~2 Hz，振幅120~480 N，溫度保持450 ℃條件下進(jìn)行擠壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明摩擦因數(shù)隨著頻率的增加而減小。圖2是振幅為360 N時(shí)，3組不同振動(dòng)頻率下雙杯擠壓成形件的試樣斷面圖。

李輝[36]設(shè)計(jì)了一套超聲振動(dòng)輔助金屬熱塑成形實(shí)驗(yàn)裝置，將超聲振動(dòng)場(chǎng)引入到非晶過冷液流變成形中，并利用Zr55Cu30Al10Ni5塊體非晶合金高溫單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了非晶合金在超聲振動(dòng)輔助下過冷液相區(qū)內(nèi)的流變行為，圖1(b)是非晶合金單軸壓縮成形實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲振動(dòng)能減小非晶合金的流動(dòng)應(yīng)力與黏度，且輸入功率越大，越有利于非晶合金的成形。

文獻(xiàn)[36]的分析認(rèn)為，在超聲振動(dòng)輔助非晶合金單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，由于高頻振動(dòng)使試樣與壓板之間發(fā)生瞬間分離,破壞了試樣表面，使試樣表面出現(xiàn)凹坑。圖3為成形后試樣表面形貌，從圖(a)中可以看到，常載荷模式下試樣表面平整，圖(b)表明，施加功率1200 W，頻率19 KHz超聲振動(dòng)后試樣的表面質(zhì)量明顯變差，且出現(xiàn)了內(nèi)凹形成了巨大的凹坑。

圖3 非晶合金單軸壓縮Fig.3 The single shaft compression Amorphous alloy

3 非晶合金微塑性振動(dòng)輔助成形裝備研究

非晶合金振動(dòng)輔助微成形系統(tǒng)主要包括高精度的成形機(jī)（如壓力機(jī)）、模具系統(tǒng)、振動(dòng)加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、成形工藝控制系統(tǒng)以及加熱系統(tǒng)等。其中，振動(dòng)加載系統(tǒng)是關(guān)鍵，目前的研究主要是采用機(jī)械振動(dòng)和超聲波振動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)低頻和高頻振動(dòng)源的引入，振動(dòng)場(chǎng)的施加流程如圖4所示。

圖4 高、低頻振動(dòng)的施加流程圖Fig.4 The flow chart of high and low frequency vibration applied

低頻機(jī)械振動(dòng)場(chǎng)的引入比較簡(jiǎn)單，一些精密成型機(jī)自身帶有循環(huán)加載模塊，通過相應(yīng)的軟件控制成型機(jī)的加載模式，就可以將低頻機(jī)械振動(dòng)引入到成形工藝中。

高頻/超聲振動(dòng)受工具尺寸、材料、裝配及接觸狀態(tài)等諸多因素影響，每一個(gè)因素的改變都會(huì)對(duì)其固有頻率產(chǎn)生較大影響，從而影響其振動(dòng)效果。為了實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助非晶合金微成形，需要研制具有較強(qiáng)負(fù)載能力的超聲振動(dòng)平臺(tái)。韓光超[37]采用雙換能器和雙變幅桿驅(qū)動(dòng)形式研制了一套超聲振動(dòng)加載系統(tǒng)，如圖5(a)所示，實(shí)現(xiàn)了超聲變幅器與超聲振動(dòng)系統(tǒng)以及微擠壓成形設(shè)備的有效結(jié)合，并利用這套超聲振動(dòng)加載系統(tǒng)，在圖5(b)所示的日本島津 AG-100 KN壓力機(jī)上開展了超聲微擠壓成形實(shí)驗(yàn)研究。

圖5 超聲輔助微擠壓成形實(shí)驗(yàn)Fig.5 Ultrasonic assists micro-extrusion forming experiment

為了開展非晶合金超聲振動(dòng)輔助微成形實(shí)驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[36]設(shè)計(jì)了一套超聲振動(dòng)系統(tǒng)，如圖6所示，主要由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、變幅桿、壓縮工具頭和支架組成，超聲振動(dòng)系統(tǒng)通過支架與力學(xué)試驗(yàn)機(jī)緊固連接，壓縮工具頭與變幅桿通過螺紋連接。利用該系統(tǒng)，在Zwick/Roell電子材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行非晶合金的超聲振動(dòng)微擠壓實(shí)驗(yàn)。

圖6 超聲振動(dòng)輔助非晶合金單軸壓縮實(shí)驗(yàn)Fig.6 Ultrasonic vibration assists the single shaft compression experiment of amorphous alloys

目前，高、低頻以及超聲振動(dòng)系統(tǒng)裝備，實(shí)現(xiàn)了非晶合金微塑性振動(dòng)成形，為進(jìn)一步深入探索研究振動(dòng)載荷輔助非晶合金微成形機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

非晶合金的振動(dòng)輔助微成形技術(shù)在理論上是可行的，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究和探索，取得了一些可喜的進(jìn)展，也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。但仍有很多急需解決的問題：如振動(dòng)場(chǎng)作用下非晶合金的流變特性機(jī)理還不夠完善，現(xiàn)有的解釋和模型大多是在假設(shè)或理論分析的基礎(chǔ)上給出的，具有說服力的實(shí)驗(yàn)觀察還很少；需要建立能更加準(zhǔn)確地描述非晶合金在特殊工況下的材料本構(gòu)模型，根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變以及應(yīng)變速率之間的關(guān)系，結(jié)合流變學(xué)理論，建立振動(dòng)場(chǎng)作用下非晶合金流動(dòng)黏度的計(jì)算模型；振動(dòng)工具或模具的設(shè)計(jì)理論有待完善。一套振動(dòng)成型裝置就是一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，其固有頻率受工具尺寸、材料、裝配及接觸狀態(tài)等諸多因素影響，每一個(gè)因素的改變都會(huì)影響其振動(dòng)效果，需要更系統(tǒng)的理論來指導(dǎo)振動(dòng)成形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；此外，振動(dòng)的頻率、振幅等參數(shù)的量化控制困難，需要設(shè)計(jì)更先進(jìn)的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電源和控制器，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率、振幅以及輸入能量等多參數(shù)的量化調(diào)節(jié)與控制。

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