基于超聲輔助等靜壓成型含能材料致密度的提升

王 蔚，肖 俊，冉 振，鄭小濤，傅 波

（1. 四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065；2. 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999）

1 引言

等靜壓成型技術(shù)是目前制備含能器件、高性能陶瓷等粉體材料的理想成型方法，該方法是將裝有粉體材料的模套放入加載缸中，在一定溫度和壓力下通過液體介質(zhì)擠壓模套中的粉體材料來實(shí)現(xiàn)成型。等靜壓技術(shù)按照成型溫度分為冷、溫、熱三類［1-4］。含能材料成型后的致密度均勻性對(duì)產(chǎn)品性能有著重要的影響，如何提高含能材料成型密度和均勻性，是等靜壓成型技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)十分重要的研究課題。

目前，已有研究表明經(jīng)傳統(tǒng)的等靜壓成型技術(shù)處理后的粉體材料，其性能有明顯改善。根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，在壓力充分利用的條件下，等靜壓成型方法所制成壓坯的密度相對(duì)常規(guī)模壓方法一般高出10%～15%［5］，如在35～55 ℃范圍內(nèi)加工JOB-9003 炸藥，采用等靜壓成型工藝的炸藥其力學(xué)性能比模壓成型明顯偏高［6］，有實(shí)驗(yàn)利用X 射線微層析成像技術(shù)研究了經(jīng)溫等靜壓成型的三氨基三硝基苯TATB 試件，其典型形態(tài)呈多邊體，壓實(shí)顆粒間有高密度薄層、顆粒接觸數(shù)最大可達(dá)12［7］。如經(jīng)熱等靜壓技術(shù)處理后的316 L 不銹鋼，其孔隙率降低且彈性性能提高到與鍛壓316 L鋼相等的水平［8］；經(jīng)熱等靜壓技術(shù)進(jìn)行致密化處理后的Ti2AlNb 合金粉末，其致密化過程和力學(xué)性能（尤其是高溫?cái)嗔褖勖┦艿接绊懀?］；經(jīng)熱等靜壓技術(shù)處理后的DD3 合金，其疏松和縮孔等鑄造缺陷有效減少或消除［10］；經(jīng)熱等靜壓處理后的第二代單晶高溫合金DD6，其顯微疏松顯著減少，且低周疲勞性能提高［11］。等靜壓技術(shù)在金屬、無機(jī)非金屬的成型及后處理等領(lǐng)域具有較為成熟的應(yīng)用［12］。

等靜壓成型技術(shù)在含能材料成型方面有著天然的優(yōu)勢(shì)，然而該技術(shù)對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、致密度要求高的零部件其成型質(zhì)量仍然不能滿足要求。梁華瓊等［13］在高聚物黏結(jié)粉末橡膠等靜壓凈成型實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，工藝條件對(duì)橡膠等靜壓成型件性能的影響非常明顯，成型件的整體密度會(huì)隨成型壓力的增加而增加。劉春澤等［14］在超聲粉末成型離散元模擬研究中發(fā)現(xiàn)超聲可以顯著降低所需外界壓力，降低摩擦損耗；促進(jìn)顆粒運(yùn)動(dòng)重排，提高密度均勻性。研究證明：在材料的壓制過程中，在模具外周施加單向或多向的復(fù)雜超聲外場(chǎng)，使得模具內(nèi)的壓坯受到單向或多向的高頻振動(dòng)，從而改善壓坯質(zhì)量［15-19］。目前超聲輔助壓制成型技術(shù)的研究主要集中在模壓成型，而在等靜壓成型技術(shù)中的應(yīng)用研究甚少涉及。

本研究以提高含能材料等靜壓成型構(gòu)件均勻性和致密度為目標(biāo)，提出一種超聲輔助等靜壓成型的技術(shù)思路，設(shè)計(jì)出一種超聲輔助等靜壓成型的裝置，結(jié)合聲場(chǎng)仿真軟件COMSOL 和具體實(shí)驗(yàn)來研究超聲對(duì)含能材料成型致密度的影響。

2 超聲輔助等靜壓成型的工作原理

超聲輔助等靜壓成型的工作原理如圖1 所示，在工作腔內(nèi)液體介質(zhì)中沿圓周方向布置四個(gè)刀片型超聲振動(dòng)子，激發(fā)彎曲超聲振動(dòng)場(chǎng)，超聲波在液體中傳播，激發(fā)模套壁高頻蠕動(dòng)，以提高模套內(nèi)含能材料的流動(dòng)性，從而在等靜壓常規(guī)工作壓力下，甚至更低壓力下，進(jìn)一步提升含能材料的成型密度和均勻性。

圖1 超聲輔助等靜壓成型工作原理Fig.1 Working principle of ultrasonic assisted isostatic pressing

圖2 超聲振子結(jié)構(gòu)及優(yōu)化振型云圖Fig.2 Structure and optimized mode shape of the ultrasonic vibrator

研究所使用的超聲振動(dòng)子結(jié)構(gòu)如圖2a 所示，設(shè)計(jì)頻率為20 kHz，采用夾心式壓電超聲換能器結(jié)構(gòu)，包括后端塊、壓電片和前端塊三部分。前端塊變幅部分設(shè)計(jì)成刀片狀，通過開槽將換能器的縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為刀片部分的彎曲振動(dòng)，擴(kuò)大了聲場(chǎng)范圍，盡可能地使超聲場(chǎng)覆蓋整個(gè)柱狀工件。超聲振子的結(jié)構(gòu)尺寸采用傳輸矩陣法確定，并利用ANSYS 進(jìn)行振型優(yōu)化，圖2b 為優(yōu)化后的超聲振子振型云圖。ANSYS 優(yōu)化后的超聲振子諧振頻率為20.5 kHz，在超聲電源的工作頻率范圍內(nèi)，變幅桿振型也符合設(shè)計(jì)要求。

3 超聲輔助等靜壓成型的聲場(chǎng)分析

為了進(jìn)一步明確超聲輔助等靜壓成型的工作機(jī)理，對(duì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的聲場(chǎng)進(jìn)行仿真研究，分析單個(gè)和多個(gè)超聲振子激勵(lì)、環(huán)境壓力、包套厚度和功率輸出幅值等多組工藝參數(shù)下的聲場(chǎng)分布情況，對(duì)每一組工藝參數(shù)下的聲場(chǎng)分布情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，從理論上驗(yàn)證超聲輔助等靜壓成型提升含能材料致密度的可行性。

評(píng)價(jià)聲場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)主要有兩個(gè)：聲場(chǎng)平均強(qiáng)度和聲場(chǎng)均勻系數(shù)［20-22］，這兩個(gè)指標(biāo)的表達(dá)式分別如式（1）、式（2）所示。

式中，Pave為聲場(chǎng)強(qiáng)度均值，Pa；Pi為在聲場(chǎng)區(qū)域內(nèi)取的有限個(gè)點(diǎn)的聲場(chǎng)強(qiáng)度值，Pa；Ps為聲場(chǎng)均勻度系數(shù)，其本質(zhì)就是求關(guān)于聲場(chǎng)均值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，該標(biāo)準(zhǔn)差值越小，則偏離平均強(qiáng)度更近，則說明均勻性更好，標(biāo)準(zhǔn)差越大，偏離平均強(qiáng)度值越遠(yuǎn)，均勻性也就相對(duì)較差。

3.1 單個(gè)超聲振動(dòng)子的聲場(chǎng)分析

將等靜壓實(shí)驗(yàn)裝置的容腔簡(jiǎn)化等效為一個(gè)圓柱體，阻抗界面設(shè)定在圓柱體表面，容腔內(nèi)盛裝液體介質(zhì)，將液體介質(zhì)與振子進(jìn)行建模，將整體模型分為PZT、Water、Solid 三部分域，指定三個(gè)域的材料，Water 域的溫度設(shè)定為353.15 K。利用COMSOL 仿真計(jì)算得到的超聲振子諧振頻率為19.4 kHz，這與ANSYS 分析得出的結(jié)果存在誤差，究其原因，一是不同的仿真軟件的計(jì)算差異，二是在COMSOL 仿真計(jì)算超聲振子諧振頻率的過程中，考慮了液體介質(zhì)的負(fù)載效應(yīng)。這個(gè)誤差不影響后續(xù)的聲場(chǎng)分析，因?yàn)?9.4 kHz 處在超聲電源工作頻率范圍內(nèi)，超聲振子可以在諧振頻率19.4 kHz處被激發(fā)，相應(yīng)的振型也滿足要求。設(shè)壓電振子輸入電壓為220 V，工作頻率為19.4 kHz，利用COMSOL仿真計(jì)算得出的聲場(chǎng)分布情況如圖3 所示。

圖3 單個(gè)超聲振動(dòng)子聲場(chǎng)切片圖Fig.3 Sound field slice diagram of a single ultrasonic vibrator

由圖3 可知，在XY 平面內(nèi)的某一切片聲場(chǎng)分布圖上基本呈現(xiàn)中心對(duì)稱狀態(tài)，但由于超聲振子變幅桿上槽口并不對(duì)稱，所以呈現(xiàn)的并不是完全的中心對(duì)稱狀態(tài)（圖3a）。在YZ 平面內(nèi)，因?yàn)椴劭诜较虼怪庇赮Z 平面，所以對(duì)該平面的對(duì)稱分布并沒有顯著影響，呈現(xiàn)軸對(duì)稱狀態(tài)（圖3b）。在XZ 平面內(nèi)，可以明顯地發(fā)現(xiàn)聲場(chǎng)分布云圖既不呈現(xiàn)中心對(duì)稱，也不呈現(xiàn)軸對(duì)稱的狀態(tài)（圖3c），而且聲壓極值集中在槽口附近，這是因?yàn)椴劭谧尶v向振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢駝?dòng)。

3.2 多振子超聲振動(dòng)系統(tǒng)的聲場(chǎng)分析

進(jìn)一步分析四個(gè)超聲振子作用下，等靜壓加載容腔內(nèi)的聲場(chǎng)分布。將天然橡膠包套與Brick Powder的域設(shè)定在壓力聲學(xué)中進(jìn)行分析，以觀察天然橡膠包套與Brick Powder 的內(nèi)部聲場(chǎng)分布情況。在Water 域四周及內(nèi)部設(shè)定相應(yīng)阻抗，終端電壓初始值為220 V，工作頻率為19.4 kHz，COMSOL 仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 四個(gè)超聲振子聲場(chǎng)分布云圖Fig.4 Sound field distribution diagram of the ultrasonic vibration system with four vibrators

由于四個(gè)超聲振子在圓周方向上均布分列（圖4b），故聲場(chǎng)分布上都呈軸對(duì)稱狀態(tài)（圖4a），且在超聲振動(dòng)子變幅桿的凹槽處都產(chǎn)生聲場(chǎng)突變。XY 平面內(nèi)的聲場(chǎng)分布則是一個(gè)呈現(xiàn)中心對(duì)稱的情況，且在四個(gè)超聲振動(dòng)子的內(nèi)側(cè)形成了一個(gè)環(huán)形（圖4b 中間紅色區(qū)域）較強(qiáng)的聲場(chǎng)區(qū)域。在聲場(chǎng)分布云圖中，由橡膠包裹的粉體材料所形成的區(qū)域與周圍聲場(chǎng)分布對(duì)比明顯，包套四周產(chǎn)生了強(qiáng)度較高的交變場(chǎng)，其聲場(chǎng)分布如圖5 所示。

圖5 包套與被加載對(duì)象的聲場(chǎng)分布云圖Fig.5 Sound field distribution diagram of the cover and the loaded object

對(duì)比圖3 的單個(gè)超聲振子與圖4 的四個(gè)超聲振子的聲場(chǎng)分布云圖可以發(fā)現(xiàn)：在同樣的超聲頻率激振條件下，四振子超聲振動(dòng)系統(tǒng)的坐標(biāo)顯示值是單個(gè)超聲振子的4 倍，其數(shù)值與振子數(shù)目吻合，說明多振子聲場(chǎng)的產(chǎn)生是單個(gè)超聲振子聲場(chǎng)的線性疊加。根據(jù)前述的超聲強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)單個(gè)超聲振子與四振子超聲振動(dòng)系統(tǒng)的超聲強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行比較，在Water 域、Brick域以及包套表面域內(nèi)取數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)求解相應(yīng)數(shù)值，結(jié)果如表1 所示。

根據(jù)表1 可知，在同樣的Water 域內(nèi)，四個(gè)超聲振子的的聲場(chǎng)強(qiáng)度均值為1.0×105Pa，均勻性系數(shù)達(dá)到0.8677，這兩個(gè)超聲強(qiáng)度指標(biāo)均優(yōu)于單個(gè)超聲振子。在四個(gè)超聲振子的聲場(chǎng)范圍內(nèi)，在Water 域和Brick 域的最大聲場(chǎng)強(qiáng)度為1.2×106Pa，都比較接近包套表面的最大聲場(chǎng)強(qiáng)度1.3×106Pa；其中均勻性系數(shù)最好的是Water 域，其次是非常接近Water 域的包套表面，僅相差0.0057，均勻性最差的是Brick 域。

3.3 10 MPa 預(yù)壓力對(duì)聲場(chǎng)分布的影響

保持前述四個(gè)超聲振子聲場(chǎng)分析條件不變，包套厚度設(shè)為3 mm，給Water 域施加10 MPa 的預(yù)壓力，經(jīng)COMSOL 仿真分析，可以得到施加10 MPa 預(yù)壓力后的聲場(chǎng)分布情況如圖6 所示，包膜內(nèi)部的聲場(chǎng)分布如圖7 所示。

比較圖4 和圖6 可以看出，有10 MPa 預(yù)壓力的情況下，聲場(chǎng)分布的趨勢(shì)也有所改變，聲場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)量級(jí)也隨之改變。如沒有壓力加載下的超聲振動(dòng)系統(tǒng)其材料柱部分為藍(lán)色（圖4a），四個(gè)超聲振動(dòng)子的內(nèi)側(cè)以及缸壁四周出現(xiàn)紅色區(qū)域（圖4b），聲場(chǎng)分布不均。經(jīng)過10 MPa 壓力加載后，材料柱藍(lán)色部分（圖6a）和振子內(nèi)側(cè)、缸壁四周紅色區(qū)域（圖6b）消失，聲場(chǎng)分布更加均勻，包套四周仍然保持強(qiáng)度較高的正負(fù)壓交替場(chǎng)（圖7），激發(fā)包套壁高頻蠕動(dòng)，提高了內(nèi)部含能材料的流動(dòng)性。表2 為給Water 域施加10 MPa 預(yù)壓力后的聲場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值。

表1 單個(gè)與四個(gè)超聲振子系統(tǒng)聲場(chǎng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)Table 1 Sound intensity evaluation of single and four ultrasonic vibrator systems

圖6 10 MPa 下的四振子超聲振動(dòng)系統(tǒng)聲場(chǎng)分布云圖Fig.6 Sound field distribution diagram of the ultrasonic vibration system with four vibrators under 10 MPa

根據(jù)表2 和表1 可知，給Water 域施加10 MPa 的預(yù)壓力后，超聲振動(dòng)系統(tǒng)的整體聲場(chǎng)平均強(qiáng)度、最大聲場(chǎng)強(qiáng)度以及最小聲場(chǎng)強(qiáng)度都有了極大的提高。如超聲預(yù)壓加載下的超聲振動(dòng)系統(tǒng)，其聲場(chǎng)強(qiáng)度均值為2.32×107Pa，均勻性系數(shù)為0.8318，這兩個(gè)超聲強(qiáng)度指標(biāo)均優(yōu)于僅超聲加載下的超聲振動(dòng)系統(tǒng)。整體均勻性系數(shù)與表1 中一致，無論是在超聲加載還是超聲預(yù)壓加載條件下，Water 域中的均勻性表現(xiàn)較好，Brick域的均勻性較差?？梢娫谟?0 MPa 預(yù)壓力作用下，聲場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，整體性能更優(yōu)于沒有10 MPa 預(yù)壓力作用下的聲場(chǎng)效果。

圖7 10 MPa 下的包套與被加載對(duì)象聲場(chǎng)分布云圖Fig.7 Sound field distribution diagram of the cover and the loaded object under 10 MPa

表2 四振子超聲振動(dòng)系統(tǒng)在10 MPa 預(yù)壓力作用下的聲場(chǎng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)Table 2 Evaluation of the sound field intensity of the ultrasonic vibration system with four vibrators under 10 MPa

3.4 電壓幅值對(duì)聲場(chǎng)強(qiáng)度的影響

為了探究超聲功率對(duì)聲場(chǎng)的影響，改變壓電超聲振子的輸入電壓幅值，以19.4 kHz 下的聲場(chǎng)均值強(qiáng)度為參考量，在有無10 MPa 預(yù)壓力條件下得到的聲場(chǎng)強(qiáng)度均值與電壓幅值的關(guān)系如圖8 所示。

對(duì)比圖8a 與圖8b，發(fā)現(xiàn)兩者分布規(guī)律不一樣，在10 MPa 預(yù)壓力的情況下（圖8b），聲場(chǎng)均值隨著電壓的升高而降低，但降低的幅值并不是很大，總體的聲場(chǎng)均值都在27 MPa 左右；在沒有10 MPa 的預(yù)壓力下（圖8a），總體的聲場(chǎng)均值范圍在0.2～0.4 MPa 之間，其聲場(chǎng)均值隨著電壓的升高而升高，且相對(duì)影響較大。因?yàn)槌曊褡铀a(chǎn)生的聲強(qiáng)相對(duì)于Water 域預(yù)壓力很小，所以施加10 MPa 預(yù)壓力時(shí)，改變換能器兩端電壓幅值對(duì)整體的聲場(chǎng)均值影響不明顯，在沒有施加10 MPa 預(yù)壓力時(shí)，電壓幅值會(huì)對(duì)聲場(chǎng)均值產(chǎn)生較大影響。所以在超聲加載時(shí)，在該特定環(huán)境下，驅(qū)動(dòng)超聲振子只需要達(dá)到指定功率即可。

圖8 聲場(chǎng)域內(nèi)聲場(chǎng)均值隨著電壓幅值的變化曲線圖Fig.8 Curve of the average sound intensity with the voltage amplitude

3.5 包套厚度對(duì)聲場(chǎng)分部的影響

本研究的含能材料包套厚度有3 mm 和5 mm 兩種規(guī)格，前述仿真分析中包套厚度為3 mm。在保持前述仿真前置條件不變的情況下，將包套厚度改為5 mm，分析相應(yīng)的聲場(chǎng)分布情況，圖9 為采用5 mm包套的四振子超聲振動(dòng)系統(tǒng)在10 MPa 預(yù)壓加載下的COMSOL 仿真計(jì)算結(jié)果。

表3 為兩種包套厚度下聲場(chǎng)強(qiáng)度結(jié)果，由表3 可以看出，采用薄型包套，不僅在聲場(chǎng)平均強(qiáng)度、聲場(chǎng)最大值、聲場(chǎng)最小值方面都優(yōu)于厚型包套，而且在聲場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻性更好。

圖9 包套為5 mm 的YZ 平面聲場(chǎng)分布云圖Fig.9 Sound field distribution diagram in YZ plane with a 5 mm cover

表3 10 MPa 預(yù)壓力下的聲場(chǎng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)Table 3 Evaluation on the sound field intensity under 10 MPa

4 PBX 代用材料的成型實(shí)驗(yàn)研究

前述仿真結(jié)果表明，在含能材料等靜壓成型的過程引入超聲波，可以激發(fā)包套壁的高頻蠕動(dòng)，提高了包套內(nèi)含能材料的流動(dòng)性，為等靜壓成型致密度的提升提供了可能。為了進(jìn)一步驗(yàn)證超聲輔助等靜壓成型提升含能材料致密度的可行性，檢驗(yàn)超聲加載效果及驗(yàn)證工藝參數(shù)，根據(jù)前述的仿真分析結(jié)果，試制了一小型超聲輔助等靜壓加載試驗(yàn)缸，如圖10 所示。將六個(gè)高聚物粘結(jié)炸藥（Polymer bonded explosive，PBX）代用材料柱，每?jī)蓚€(gè)為一組，按表4 參數(shù)在該加載缸中進(jìn)行超聲加載處理。超聲加載處理完成后，再送入溫等靜壓成型機(jī)中完成超高壓成型。

實(shí)驗(yàn)對(duì)照組一共分為三組實(shí)驗(yàn)，在加載缸液體壓力為大氣壓或10 MPa 預(yù)壓力與環(huán)境溫度為20 ℃的條件下，A 和B 形成有無超聲加載處理的加載效果對(duì)照組；B 和C 形成在有無預(yù)壓力處理的加載效果對(duì)照組；A 與C 形成采用超聲輔助等靜壓成型與沒有采用該輔助成型技術(shù)下的加載對(duì)照組。超聲加載處理的過程如下：利用手動(dòng)增壓泵將加載試驗(yàn)缸增壓至10 MPa，保壓10 min 后，開啟超聲電源，對(duì)PBX 代用材料柱進(jìn)行超聲加載3 min，關(guān)閉超聲電源1 min（重復(fù)該步驟5 次），最后關(guān)閉超聲電源，將超聲加載后的PBX 代用材料柱取出，送至溫等靜壓成型機(jī)進(jìn)行超高壓成型。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建以及加載實(shí)驗(yàn)Fig.10 Experimental platform construction and loading experiment

表4 不同加載條件下的PBX 代用材料的成型實(shí)驗(yàn)Table 4 Forming experiment of PBX substitute materials under different loading conditions

4.1 成型樣件CT 掃描結(jié)果分析

對(duì)加工完成的A、B、C 三組PBX 代用材料成型樣件進(jìn)行CT 掃描，主要條件為管電壓65 kV，管電流10 mA，檢測(cè)時(shí)間90 s，射線源距樣品1.5 m，得到掃描圖如圖11 所示。

在掃描圖11 中，每一個(gè)PBX 代用材料柱上都有數(shù)量不等的高亮光斑（圖中已用紅色圓圈指出），產(chǎn)生高亮光斑的原因是材料內(nèi)部存在一些雜質(zhì)，密度均比原材料高，所吸收的X 光線比材料柱高。分析每一組的亮度，發(fā)現(xiàn)A 組（圖11a）第一個(gè)與B 組（圖11b）第二個(gè)整體亮度相對(duì)較低，亮度最高的是C 組（圖11c）的兩個(gè)材料柱，從CT 掃描效果而言，密度排列順序是C＞A＞B。對(duì)比圖11a 和圖11c 可以看出，超聲結(jié)合10MPa預(yù)壓處理的材料柱致密度高于無超聲預(yù)壓處理的材料柱致密度；此外，從圖11b 看出，僅加載超聲而沒有同時(shí)加載預(yù)壓力處理的B 組材料柱的亮度較低，致密度提高不明顯，其原因可能是超聲促進(jìn)材料的流動(dòng)性消除了原有的孔隙，但同時(shí)引起了材料柱其它部位產(chǎn)生了新的孔隙。

圖11 成型樣件的CT 掃描圖Fig.11 CT scan of the pressed samples

4.2 成型樣件SEM 掃描結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析PBX 代用材料成型樣件的致密性，在A、B、C 每一組中任取一個(gè)材料柱，分別在其底端截下5 mm 厚的試樣，使用掃描電鏡（SEM）分析其斷面上顆粒分布的均勻性，如圖12 所示。

從三組樣件的SEM 圖可以看出，未施加超聲和10 MPa 預(yù)壓力的A 材料柱有比較明顯的孔洞存在，右上角和左下角有較大的晶粒凹坑（圖12a）；僅施加超聲的B 材料柱斷面四周較為平整，但可見大塊的晶粒（圖12b）；施加了超聲和10 MPa 預(yù)壓力的C 材料柱整個(gè)斷面平整，沒有明顯的孔洞，晶粒形狀也比較規(guī)整（圖12c）。

圖12 三組材料柱在不同加載條件下SEM 分析結(jié)果Fig.12 SEM analysis results of three groups of material columns under different loading conditions

5 結(jié)論

（1）COMSOL 聲場(chǎng)仿真分析表明，在等靜壓加載缸液體介質(zhì)中，圍繞被加工的粉體材料柱四周布置超聲振子引入超聲波，會(huì)激勵(lì)包套產(chǎn)生高頻的微蠕動(dòng)，促進(jìn)包套內(nèi)材料的流動(dòng)性，消除粉體材料柱內(nèi)部原有的孔隙，提高含能材料成型的致密度；在超聲頻率為19.4 kHz 及10 MPa 壓力加載下，厚度為3 mm 的包套表面聲場(chǎng)均勻性系數(shù)可提高至0.83。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果僅對(duì)材料柱加載超聲，而不同時(shí)加載預(yù)壓力，有可能材料柱原有的孔隙被消除的同時(shí)，會(huì)在材料柱其它部分引起新的孔隙。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在對(duì)材料柱加載超聲時(shí)，同時(shí)也對(duì)其加載預(yù)壓力，可以抵消因超聲加載引起的新的孔隙，提高粉狀材料成型的致密度。超聲預(yù)壓組C 的致密度好于B 和A，說明在有預(yù)壓的情況下，原有的孔隙被消除的同時(shí)，盡管產(chǎn)生了新的坍塌，但是預(yù)壓能夠及時(shí)地通過預(yù)壓力將材料進(jìn)一步壓緊，對(duì)材料孔隙進(jìn)行了補(bǔ)填，減少甚至避免新缺陷的形成。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲輔助具有提升含能材料等靜壓成型致密度的能力，超聲輔助等靜壓成型技術(shù)是一種潛在的可提升現(xiàn)有等靜壓產(chǎn)品成型質(zhì)量的技術(shù)，值得進(jìn)一步深入研究。