超声振动辅助非晶合金流变成形方法及机理研究

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非晶合金是微成形的理想材料,过冷液相区内的超塑性流变是实现非晶合金成形的主要手段。为了提高非晶合金的超塑性流变成形能力,主要是通过优化变形温度和变形时间这两个工艺参数。然而,这两个因素之间是相互制约的,较高的成形温度可以提高非晶的流变成形能力,却使得其晶化孕育时间缩短而增大晶化的风险,因此,需要找到新的方法来提高非晶合金的流变成形能力。超声振动辅助金属塑性成形可以降低变形抗力,提高表面质量,超声振动辅助聚合物流变成形则可以降低熔体的表观粘度,提高充型能力,因此,本文提出将超声振动引入到非晶过冷液流变成形中,以Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金为研究对象,研究了超声振动辅助非晶合金流变成形方法及机理。本文首先设计了超声辅助热塑性成形实验方案,利用解析法和有限元模拟相结合的方法研制出超声振动装置。主要工作包括:分析了装置需求,选择了合适的超声波发生器,设计出夹心式压电陶瓷换能器,计算出了压电陶瓷片、前后盖板的材料、数量和尺寸,设计出了超声变幅杆,用ANSYS分析了变幅杆的模态,计算出了变幅杆的放大系数,设计出了支座用于连接振动装置和试验机,测试了振动装置的实际输出频率和振幅。用铜模吸铸技术制备了Zr55块体非晶合金坯料,DSC显示其过冷液相区温度范围为412492℃。利用设计的超声振动装置,在温度为452℃压缩速率为10μm/s时,完成了不同频率(19kHz、20kHz)和振动功率(45%90%)下的压缩变形实验,用相同极限载荷下最大变形量来表征非晶的流变成形能力,结果显示超声振动可以提高非晶的流变成形能力,变形后直径随振动功率的提高而增大,振动功率为1800W时,变形后直径增大了11%,随频率变化则不明显。分析了振动场作用下非晶过冷液的流变力学,其流动应力随振动功率的提高而降低,最大可降低30%,计算了过冷液的表观粘度,发现粘度也随振动功率的提高而降低,拟合出粘度随功率变化的经验方程,由于频率改变范围太小,流动应力和粘度受频率影响不明显。发现了振动导致试样的表面发生破坏,由此提出振动降低载荷的机理在于坯料与压盘产了周期性的界面分离。用XRD衍射技术确认了变形后试样的非晶态结构,利用维氏硬度计和纳米压痕仪分析了非晶合金变形后力学性能的变化,发现与铸态相比变形后试样的硬度和弹性模量增大,而振动变形试样的硬度和弹性模量则介于常载荷和铸态之间,说明超声振动导致变形试样发生软化。根据硬度与自由体积之间的关系,认为造成振动变形后试样软化的原因是高应变速率的压缩引入了过多的自由体积,说明振动引起了非晶合金结构和性能的改变。最后,尝试将超声振动引入非晶合金微成形过程中,设计出微反挤压成形模具,探索超声振动辅助微反挤压成形工艺。
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