金屬粉末注射成形技術(shù)及其數(shù)值模擬

侯成龍 ，郭俊卿 ?，陳拂曉 ，皇 濤

1) 河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 洛陽 471023 2) 河南科技大學(xué)有色金屬新材料與先進(jìn)加工技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心, 洛陽 471023

金屬粉末注射成形（metal powder injection molding，MIM）技術(shù)[1]是將現(xiàn)代塑料注射成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門新型粉末冶金近凈成形技術(shù)，是粉末注射成形技術(shù)的一種。與傳統(tǒng)的粉末冶金產(chǎn)品相比，金屬粉末注射成形產(chǎn)品具有精度高、組織均勻等優(yōu)點(diǎn)，采用該技術(shù)可以大批量、低成本地生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)異的金屬零件。

粉末注射成形技術(shù)起源于20世紀(jì)20年代，被用于生產(chǎn)陶瓷零件。20世紀(jì)80年代，Wiech[2?3]和Rivers[4]開始采用粉末注射成形技術(shù)制備金屬零件。進(jìn)入21世紀(jì)，金屬粉末注射成形工藝進(jìn)一步發(fā)展，成為了制備難熔金屬基復(fù)合材料和金屬間化合物的新型工藝。李云平等[5]對(duì)金屬粉末注射成形技術(shù)在W–Cu復(fù)合材料方面的應(yīng)用做出了全面的綜述。Hu等[6]用金屬粉末注射成形技術(shù)制備多孔鎳鈦形狀記憶合金零件，采用兩步脫脂工藝，脫脂率可達(dá)98.8%。Bose和German[7]用金屬粉末注射成形技術(shù)制備Ni3Al基復(fù)合材料零件，克服了金屬間化合物因硬度過高難以進(jìn)行加工的缺陷，極大地提高了其加工效率。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法很難直觀地觀測(cè)到金屬粉末注射成形充模流動(dòng)過程，計(jì)算機(jī)模擬可以很好地解決這個(gè)問題。從研究特點(diǎn)看，對(duì)模腔中熔體流動(dòng)模擬的研究經(jīng)歷了從一維向三維、從餅形和矩形簡單零件向復(fù)雜零件、從簡單邊界條件向復(fù)雜邊界條件、從經(jīng)典的薄壁零件向厚壁零件發(fā)展的探索過程。1972年，Kamal和 Kenig[8?9]基于冪率流體的蠕變流動(dòng)理論建立了一維徑向流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，不過該模型只適用于研究澆注系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)模擬。Hieber和Shen[10?11]用有限差分法分析計(jì)算了流體的二維流動(dòng)過程，提出了確定某一時(shí)刻流體前沿位置的“預(yù)測(cè)–校正”兩步法。20世紀(jì)80年代后期，Hieber提出采用流動(dòng)路徑法和控制體積法對(duì)流體三維流動(dòng)過程進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)實(shí)基本吻合。

本文介紹了金屬粉末注射成形的工藝概況，對(duì)金屬粉末注射成形及其數(shù)值模擬研究進(jìn)行了深入分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 金屬粉末注射成形工藝概況

金屬粉末注射成形工藝流程如圖1所示，基本過程是將金屬粉末與粘結(jié)劑混合均勻，制成注射料，通過注射機(jī)注射成形，然后除去粘結(jié)劑（脫脂），最終燒結(jié)成接近全致密的成品零件。有些零件在脫脂和燒結(jié)過程中會(huì)出現(xiàn)一定的變形，需要進(jìn)行一定的后處理才能夠得到最終產(chǎn)品。

圖1 金屬粉末注射成形技術(shù)工藝流程圖Fig.1 Flow chart of the metal powder injection molding

1.1 混料

混料是使用密煉機(jī)和造粒機(jī)（如圖2所示）將金屬粉末和粘結(jié)劑均勻混合，在此過程中金屬粉末被粘結(jié)劑完全包裹，最終得到均勻的注射料。Lacey[12]指出在混料的過程中，存在擴(kuò)散混合（喂料中金屬顆粒分布于新形成的表面）、層流混合（在喂料中建立滑移面）、分散混合（相鄰顆粒組從喂料中的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置）三種機(jī)制。梁叔全和黃伯云[13]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步指出，擴(kuò)散混合機(jī)制是混合均勻的熱力學(xué)基礎(chǔ)，層流混合機(jī)制和分散混合機(jī)制是混合均勻的動(dòng)力學(xué)保證。

圖2 密煉機(jī)（a）和造粒機(jī)（b）Fig.2 Mixer (a) and the granulator (b)

1.1.1 粉末

一般來說，能夠用于粉末冶金的所有金屬粉末都能夠用于金屬粉末注射成形，目前常用的材料系列如表1所示。用于金屬粉末注射成形的金屬粉末一般通過羥基法和霧化法制備。羥基法的原理是將金屬與CO合成羥基金屬化合物，再通過熱分解的方式制得金屬粉末，采用該方法制得的粉末呈球形且粒度較小，但成本較高。霧化法包括超高壓水霧化法、高壓氣霧化法以及層流霧化法。水霧化法生產(chǎn)效率高且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但制得的粉末形狀不規(guī)則；氣霧化法制得的粉末為球形，但細(xì)粉率低，生產(chǎn)成本較高；層流霧化法適用于生產(chǎn)貴金屬粉、銅合金粉以及超合金粉，粉末粒度一般在20 μm以下。除上述兩種方法外，工業(yè)上常用于生產(chǎn)金屬粉末的方法還有還原法、電解法以及研磨法等，但無論是采用哪種方法，制得的粉末都不可能絕對(duì)均勻。采用掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察316L不銹鋼粉末，得到如圖3所示掃描電子顯微鏡形貌，從圖中可以明顯看到，金屬粉末的粒度并不是絕對(duì)均勻的，而是大多數(shù)粉末的粒度都在一個(gè)很小范圍內(nèi)波動(dòng)。尉念倫和孫世清[14]采用水汽聯(lián)合霧化制造工藝制備鈷鉻鉬粉末，所制得的金屬粉末兼有水霧化粉末粒徑小和氣霧化粉末球形度好的優(yōu)點(diǎn)。

表1 金屬粉末注射成形常用材料系列Table 1 Common material series in MIM

圖3 316L不銹鋼粉末掃描電子顯微形貌Fig.3 SEM images of the 316L stainless steel powders

粉末粒度和粉末之間的摩擦影響喂料的成分均勻度。粉末粒度越大，由于質(zhì)量所引起的偏析就越大；粉末之間的摩擦系數(shù)越大，團(tuán)聚傾向也就越大，從而導(dǎo)致制成均勻注射料的難度也越大。因此在混料的過程中，經(jīng)常添加一定的表面活性劑以減小粉末表面之間的摩擦，進(jìn)而改善其團(tuán)聚傾向[15]。

金屬粉末注射成形所使用的細(xì)球形粉末制備成本較高是限制該技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要原因，郝向陽等[16]利用高速氣流沖擊對(duì)非球形氫化脫氫鈦粉（HDH）進(jìn)行干式機(jī)械化球化處理，獲得了低成本的球化細(xì)粉。Mahmud等[17]直接將低成本的非球形氫化脫氫鈦粉用于金屬粉末注射成形，成功生產(chǎn)出無裂紋、無變形且燒結(jié)密度達(dá)到95%的合格零件。

1.1.2 粘結(jié)劑

理想的粘結(jié)劑具備以下特征[18]：熔點(diǎn)低，固化性好，黏度低，流動(dòng)性好，黏度隨溫度變化小，與金屬粉末不發(fā)生反應(yīng)，潤濕性好，粘附性強(qiáng)，粘結(jié)劑中各組元不發(fā)生相分離，分解溫度高于混料溫度和成形溫度，分解產(chǎn)物無腐蝕性、無毒、無殘留，原料成本低，可循環(huán)使用。根據(jù)粘結(jié)劑的組元和性質(zhì)可以分為熱塑性體系、熱固性體系、凝膠水基體系和水溶性粘結(jié)劑體系，各類粘結(jié)劑體系的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 金屬粉末注射成形常用粘結(jié)劑體系及其優(yōu)缺點(diǎn)Table 2 Common binder systems and the characteristics of MIM

熱塑性粘結(jié)劑是以熱塑性有機(jī)化合物為主體的粘結(jié)劑，根據(jù)其中低分子組元的不同又可以分為蠟基粘結(jié)劑和聚合物基粘結(jié)劑。Muller等[19]發(fā)明了一種以合成聚酰胺為主要成分的粘結(jié)劑，該粘結(jié)劑能夠以加熱的方式快速去除。熱固性粘結(jié)劑以熱固性有機(jī)物作為主要成分，Hens等[20]研制了一種聚乙二醇/聚乙烯醇縮丁醛酯（PEG/PVB）粘結(jié)劑，其中PEG可用水溶解，PVB受紫外線照射發(fā)生固化反應(yīng)。凝膠水基粘結(jié)劑利用特定樹脂受熱產(chǎn)生凝膠反應(yīng)獲得粘結(jié)強(qiáng)度，Honeywell公司使用凝膠水基粘結(jié)劑和不銹鋼粉混合，成功生產(chǎn)了17-4PH不銹鋼飛機(jī)引擎葉輪、316L不銹鋼輪船推進(jìn)器等尺寸較大的金屬部件。Hens等[21]通過研究發(fā)現(xiàn)，凝膠水基粘結(jié)劑雖然有助于獲得更高的生坯強(qiáng)度，但由于粘結(jié)劑中含大量水分，注射時(shí)水分蒸發(fā)導(dǎo)致注射料黏度變化太大，粘結(jié)劑難以重復(fù)利用。水溶性粘結(jié)劑主要由水溶性組元和水不溶性組元組成，其優(yōu)點(diǎn)是脫脂方便，不需要使用有毒的有機(jī)溶劑進(jìn)行脫脂。

1.2 注射

注射是金屬粉末注射成形的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其目的是獲得具有一定形狀的生坯。該環(huán)節(jié)采用的設(shè)備和塑料注射成形基本相同，整個(gè)過程分為填充、保壓、冷卻三個(gè)階段。喂料充模流動(dòng)機(jī)理如圖4所示，喂料熔體進(jìn)入模具之后，最前端熔體與冷空氣接觸之后形成一層黏度很高的前沿膜，阻礙熔體的進(jìn)一步流動(dòng)；同時(shí)，喂料熔體與溫度較低的模具內(nèi)壁接觸之后也會(huì)迅速凝固，形成一層冷凝層。產(chǎn)品的大多數(shù)缺陷也是在這個(gè)環(huán)節(jié)被引入的，如模具的溫度過低或注射壓力偏小，將導(dǎo)致產(chǎn)品的表面極易出現(xiàn)裂紋和褶皺，甚至出現(xiàn)“欠注”現(xiàn)象；注射壓力過大或者注射溫度較高時(shí)，容易引起“噴泉”效應(yīng)，在產(chǎn)品的內(nèi)部形成氣孔或疏松[22]。

圖4 喂料充模流動(dòng)機(jī)理Fig.4 Filling flow mechanism of the feeding

雖然金屬粉末注射成形在注射階段和塑料注射成形基本相同，但還是有自己特有的性質(zhì)，因此對(duì)于注射階段喂料充模過程的研究十分重要。目前對(duì)于該過程的研究主要是采用數(shù)值模擬的方法。相對(duì)于塑料流動(dòng)模擬，金屬粉末注射成形充模流動(dòng)模擬起步較晚，且發(fā)展也較為緩慢。韓國Pohang大學(xué)的Kwon等[23]對(duì)熔體與模壁的滑移現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值仿真，并開發(fā)了專門用于粉末注射成形的CAE軟件Pimflow，為粉末注射成形模具設(shè)計(jì)和過程分析提供理論指導(dǎo)。

1.3 脫脂

脫脂是利用生坯中不同物質(zhì)的不同熔點(diǎn)或溶解度去除粘結(jié)劑的過程。脫脂工藝的選擇取決于金屬粉末注射成形所用的粘結(jié)劑體系。采用多組元粘結(jié)劑體系，在脫脂過程中可以分步去除，既可以提高脫脂效率，又能保證脫脂過程中剩余足夠的其他組元來保持金屬粉末在其適當(dāng)?shù)奈恢肹22]。肖平安等[24]發(fā)明了一種梯度負(fù)壓熱脫脂技術(shù)，圖5為該技術(shù)的裝置示意圖。脫脂時(shí)將零件埋于填料粉末中，容器的底部進(jìn)行抽真空的同時(shí)在容器的頂部通入氣體，形成梯度負(fù)壓，脫脂速度更快更徹底，并解決脫脂后粘結(jié)劑的回收問題。

圖5 梯度負(fù)壓脫脂技術(shù)裝置示意圖[25]Fig.5 Schematic diagram of the gradient vacuum degreasing technology[25]

熱脫脂的核心是控制熱分解產(chǎn)生的物質(zhì)在粉末顆粒中的擴(kuò)散過程。熱脫脂工藝簡單、成本低、對(duì)設(shè)備要求低，但同時(shí)也存在注射坯易變性、脫脂效率低以及脫脂不徹底等缺點(diǎn)。Camargo等[25]通過對(duì)熱脫脂工藝動(dòng)力學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散是熱脫脂的決定因素。圖6[25]為使用兩種不同粘結(jié)劑脫脂后樣品的微觀結(jié)構(gòu)，熔體流動(dòng)指數(shù)（MFI）較低的樣品（LFPP）比熔體流動(dòng)指數(shù)較高的樣品（HFPP）顯示出更大的孔，這表明熔體流動(dòng)指數(shù)較低的樣品分解形成大碎片，粗化了原始的毛孔，證明了擴(kuò)散是熱脫脂的決定因素。

圖6 脫脂后樣品的微觀結(jié)構(gòu)：（a）LFPP；（b）HFPP[25]Fig.6 Microstructure of the sample after degreasing: (a) LFPP; (b) HFPP[25]

溶劑脫脂工藝是將溶劑滲透到注射坯的內(nèi)部，將注射坯內(nèi)部粘結(jié)劑中可溶解成分溶解并隨溶劑脫出。由于溶劑脫脂只脫去粘結(jié)劑中的可溶解成分，因此通常會(huì)在溶劑脫脂之后再進(jìn)行一次熱脫脂。溶劑脫脂工藝脫脂速度快，且脫脂溫度在粘結(jié)劑軟化溫度之下，不易產(chǎn)生熱變形。但溶劑進(jìn)入注射坯內(nèi)部后，也可能因其過分膨脹而導(dǎo)致注射坯變形開裂。除此之外，溶解劑一般為有機(jī)溶劑，對(duì)人體和環(huán)境有害。

催化脫脂是目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的脫脂工藝，該工藝綜合了熱脫脂和溶劑脫脂的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)脫脂工藝脫脂時(shí)間長、脫脂不徹底的缺點(diǎn)。20世紀(jì)90年代，德國BASF公司開發(fā)出了Metamold脫脂工藝[26]，脫脂時(shí)從零件外部區(qū)域向內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行，解決了傳統(tǒng)熱脫脂工藝脫脂時(shí)氣體難以逸出所造成的脫脂不完全問題。

1.4 燒結(jié)

和傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)一樣，金屬粉末注射成形進(jìn)行燒結(jié)的目的也是使金屬粉末之間發(fā)生冶金結(jié)合，從而提高零件的強(qiáng)度。一般來說，金屬粉末注射成形燒結(jié)時(shí)的溫度控制在金屬熔點(diǎn)的0.7～0.8。根據(jù)燒結(jié)的過程中是否有液相的產(chǎn)生，又分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。范景蓮等[27]通過實(shí)驗(yàn)證明，即使是液相燒結(jié)，金屬粉末發(fā)生大部分致密化也是產(chǎn)生于固相燒結(jié)階段。

金屬粉末注射成形燒結(jié)的研究重點(diǎn)主要集中在燒結(jié)設(shè)備的設(shè)計(jì)以及燒結(jié)尺寸精度的控制。德國CREMER公司針對(duì)Metamold脫脂技術(shù)發(fā)明了一種連續(xù)脫脂燒結(jié)爐，實(shí)現(xiàn)了脫脂、燒結(jié)一體化，脫脂速率可達(dá)1～4 mm·h?1。在燒結(jié)過程中，注射坯會(huì)產(chǎn)生14%～18%的均勻收縮，收縮比例的大小取決于注射料中粘結(jié)劑的含量以及金屬粉末的粒度，想要得到和預(yù)期一樣形狀的零件，就要求前期的混料接近絕對(duì)均勻，且在注射階段不發(fā)生兩相分離。為了獲得所需的性能，燒結(jié)時(shí)需控制燒結(jié)體的組織和密度，從而控制產(chǎn)品的尺寸和精度。此外，燒結(jié)過程中升溫速度、燒結(jié)氣氛以及保溫時(shí)間、降溫速度等也會(huì)影響燒結(jié)的效果。戴煜和王利民[28]在已有真空脫脂燒結(jié)爐基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種分壓控制式真空脫脂燒結(jié)一體爐，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，該裝置通過兩套壓力控制系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)分壓脫脂以及恒壓燒結(jié)。

圖7 分壓控制式真空脫脂燒結(jié)一體爐示意圖[28]Fig.7 Schematic diagram of the partial pressure controlled vacuum degreasing and sintering integrated furnace[28]

1.5 工藝改進(jìn)

為了將不同性能的兩種或幾種材料結(jié)合在同一零件中，在金屬粉末注射成形的基礎(chǔ)上開發(fā)出了一種粉末共注射成形技術(shù)，通過一臺(tái)帶有兩個(gè)或兩個(gè)以上料筒，但是只有一個(gè)噴嘴的注射機(jī)實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)料筒用于成形零件的外殼，另一個(gè)料筒用于成形零件的芯部[29]。Chen等[30]采用粉末共注射成形技術(shù)制備了一種新的仿生種植結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有利于種植骨中的界面應(yīng)力傳遞到周圍的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)中，其外層多孔結(jié)構(gòu)最大孔隙可達(dá)400 μm。

German[31]和Zauner[32]針對(duì)微型零件的生產(chǎn)提出微粉末注射成形技術(shù)，Rota等[33]研究發(fā)現(xiàn)該技術(shù)用于金屬成形領(lǐng)域可制得高強(qiáng)度、耐腐蝕、磁性能優(yōu)異的微型零件。Zeep等[34]和Piotter等[35]采用微粉末注射成形技術(shù)制備氦冷卻偏濾器，如圖8（a）所示，燒結(jié)密度可達(dá)96%，表明微粉末注射成形技術(shù)能夠生產(chǎn)出符合使用要求的小型零部件。Nishiyabu[36]將 LIGA（lithographie galvanoformung abformung）技術(shù)與金屬粉末注射成形相結(jié)合，制備出高精度的微型柱狀316L不銹鋼零件。但是，LIGA技術(shù)會(huì)使整個(gè)制備過程極為復(fù)雜且耗時(shí)較長，Ammosova等[37]利用微加工機(jī)器人在模具鑲件表面制造微織構(gòu)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而快速生產(chǎn)具有相應(yīng)微結(jié)構(gòu)的零件。Piotter等[38]使用微粉末注射成形技術(shù)制備316L不銹鋼微型臺(tái)階齒輪，如圖8（b）所示，最小齒寬可以達(dá)到50 μm。尹海清等[39]研究了齒頂圓直徑小于1 mm的微型齒輪的粉末微注射成形工藝，并對(duì)零件性能表征的測(cè)試設(shè)備及方法進(jìn)行了介紹。

圖8 微注射成形零件：（a）氦冷卻偏濾器[34?35]；（b）316L不銹鋼微型臺(tái)階齒輪[38]Fig.8 Micro injection molding parts: (a) helium cooled divertor[34?35]; (b) 316L stainless steel miniature step gear[38]

1.6 國內(nèi)外應(yīng)用領(lǐng)域

作為當(dāng)今熱門的金屬零部件成形技術(shù)，金屬粉末注射成形技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械、汽車等行業(yè)，圖9是2017年世界金屬粉末注射成形產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)分布圖[40]。我國金屬粉末注射成形產(chǎn)品中的82%為3C產(chǎn)品[41]，其中手機(jī)67.5%，可穿戴設(shè)備7.1%，計(jì)算機(jī)7.4%。然而在醫(yī)療器械方面，日本和北美在市場(chǎng)上占有主要份額，分別為38%和21.3%。汽車產(chǎn)業(yè)方面則由歐洲占有最大市場(chǎng)份額（22%）。

圖9 2017年世界金屬粉末注射成形產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)分布[40]Fig.9 Market distribution of the world MIM industry in 2017[40]

2 金屬粉末注射成形數(shù)值模擬

2.1 流動(dòng)模型研究進(jìn)展

目前已有的流動(dòng)模型大體上可以分為連續(xù)介質(zhì)模型、兩相流模型以及顆粒模型三種。

連續(xù)介質(zhì)模型把金屬粉末注射成形喂料熔體假設(shè)為內(nèi)部沒有任何孔隙的均一連續(xù)介質(zhì)，將充模過程看作非牛頓流體的非等溫、非穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)。Najima[42]和卓海宇等[43]基于以上假設(shè)理論分別建立了金屬粉末注射成形充模流動(dòng)的基本控制方程。該模型由于將金屬粉末和粘結(jié)劑看成同一介質(zhì)，故無法分析出金屬粉末注射成形中的兩相分離問題。

兩相流模型將喂料中的金屬粉末和粘結(jié)劑分別看作兩種流體，該模型能夠很好預(yù)測(cè)注射過程中必然出現(xiàn)的兩相分離現(xiàn)象。Samanta等[44]結(jié)合粘結(jié)劑的半晶體特性，模擬分析了喂料的填充過程，并預(yù)測(cè)了粉末–粘結(jié)劑的分離情況。王會(huì)玉等[45?47]基于粉末–粘結(jié)劑雙流體模型，利用CFX軟件對(duì)充模過程中粉末和粘結(jié)劑的分布情況進(jìn)行了數(shù)值分析，證明了粉末注射成形中特有的邊界層效應(yīng)的存在，通過研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)減小密度差以及適當(dāng)增加喂料的黏度均可有效減少邊界層效應(yīng)。

顆粒模型直接將粉末顆粒作為一個(gè)單元，從顆粒與顆粒、顆粒與粘結(jié)劑的相互作用中導(dǎo)出動(dòng)量輸運(yùn)方程[48]。使用這種方法可以直接考察粉末特性（粒度、粘徑分布、密度、形狀）對(duì)流動(dòng)過程的影響，從而通過監(jiān)視流動(dòng)過程中粉末的變化、聚積來預(yù)測(cè)密度分布和分離現(xiàn)象等。Iwai等[49]提出了粉末和粘結(jié)劑共同作用完成填充的顆粒模型，可以計(jì)算每一個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，其模型如圖10所示，假設(shè)每一粒金屬粉末都被粘結(jié)劑所包裹，包裹不同顆粒的粘結(jié)劑之間產(chǎn)生相互作用。鄭洲順等[50]、劉煜等[51]、李大鵬[52]將型腔中的喂料分為金屬粉末、粘結(jié)劑以及空氣，進(jìn)而建立了三相流模型，也是顆粒模型的一種表現(xiàn)形式。該模型雖然有創(chuàng)意，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于還存在一系列的微觀邊界條件和參數(shù)的測(cè)定問題，所以與連續(xù)介質(zhì)模型和兩相流模型相比，顆粒模型難度大、復(fù)雜度高，目前還不成熟。

圖10 Iwai顆粒模型示意圖[51]Fig.10 Schematic diagram of Iwai particle model[51]

2.2 數(shù)值模擬應(yīng)用

對(duì)金屬粉末注射成形進(jìn)行數(shù)值模擬主要是對(duì)其注射階段充模過程進(jìn)行模擬，主要研究工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)對(duì)生坯質(zhì)量的影響。鄭洲順等[53]建立了澆道模壁凝固層厚度的數(shù)學(xué)模型，該模型可預(yù)測(cè)澆道模壁凝固層厚度的增長情況，為進(jìn)一步優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。吳苑標(biāo)和鄭振興[54]建立了粉末注射模具的澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并采用Moldflow進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明優(yōu)化后的模具鎖模力和成形周期明顯下降，且生坯密度明顯提高。劉飛和李文明[55]采用Moldflow軟件分別對(duì)不同數(shù)量和位置的四種澆口方式進(jìn)行了模擬，得出了最優(yōu)澆口方式。鄭振興等[56]對(duì)金屬粉末注射成形中的注射過程進(jìn)行數(shù)值模擬，成功預(yù)測(cè)了各工藝參數(shù)及其交互作用對(duì)生坯質(zhì)量的影響，得出了最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

3 結(jié)論與展望

（1）為降低原材料的成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)開展對(duì)大顆粒金屬粉末成形技術(shù)的研究。但采用大顆粒金屬粉末也會(huì)帶來尺寸精度難以控制且后處理較為復(fù)雜等問題，應(yīng)在降低原材料成本的同時(shí)充分考慮整體成本問題。

（2）開發(fā)新的脫脂燒結(jié)工藝，減少零件中殘留的粘結(jié)劑成分，從而降低因殘留有粘結(jié)劑成分而導(dǎo)致的力學(xué)性能下降。

（3）研究多金屬組元注射成形技術(shù)，尤其是針對(duì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、性能要求較高的高精密零件的注射成形技術(shù)。

（4）將金屬粉末注射成形與增材制造相結(jié)合，深入研究粘結(jié)劑噴射成形技術(shù)或者間接3D打印技術(shù)，拓寬金屬粉末注射成形應(yīng)用范圍。

（5）開發(fā)更為先進(jìn)的金屬粉末注射成形仿真模擬軟件，尤其是屬于自己的仿真軟件，充分發(fā)揮數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)于金屬粉末注射成形的指導(dǎo)作用。