粉体材料压制成形超声加载技术探究

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1、粉体材料压制成形超声加载技术探究有机含能材料一般具有较高的能量密度、机械强度，压制成形技术中的安全性以及压制成品的最终性能参数是研究关注的主要方向，下面是小编搜集的一篇探究超声加载技术的论文范文，欢迎阅读参考。引言粉体压制成形是将预先充分混合的复合粉体置于钢制压模内，通过模冲对粉体进行加压，以获得具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。粉体压制成形技术在材料制备和零件制造中具有诸多优点［1-2］:适用多种材料的制备，如难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料等；能压制成需要很少或不需后续机械加工的压坯，工艺流程减少，产品成本降低；可保证材料成分配比的

2、正确性和均匀性；可生产出形状相同的产品，降低了制造成本。所以，粉体成形制品在汽车制造、信息产业、机械制造、石油化工、能源动力、国防装备、航空航天产业等高科技领域得到了广泛的应用，成为国民经济和国防建设的重要组成部分［3-111.粉体成形技术也因此成为国家重点发展的新技术，研制出高性能、高强度的粉体成形制品成为各国研究人员的目标。粉体成形制品的密度和均匀性至关重要，提高成品的密度和均匀性不但能够提高其硬度、抗拉强度、疲劳强度等综合力学性能，还可以提高材料本身的电导率、热导率、磁导率、热膨胀系数等物理性能。高密度的粉体冶金材料还可以使零件有较好的加

3、工性能和较好的加工表面［12-14］.因此，围绕如何提高粉体成形制品的密度和均匀性，国内国际的研究人员开展了大量的工作［14-18］,推出了温压、爆炸压制、快速全向压制、高速压制、动力磁性压制等粉体压制成型技术，这些技术尽管具有各自的优势，但仍存在着或工艺复杂或价格偏高或成品质量不佳或污染环境等不足（见表1）,亟需探索更高效优质环保的方法。超声波加工技术［19］最早始于1927年，随后研究人员开展了超声波应用于材料加工的多项研究和探索。研究证明：在粉体压制过程中施加一定的超声振动，不但可以有效提高压坯的密度和硬度，而且可降低粉体颗粒间以及粉体颗

4、粒与模壁之问的摩擦，提高粉体压坯的均匀性，从而提高粉体成形制品的性能和强度［20-24］.由此，国内外研究人员开展了一些针对不同材料的超声压制成形技术的研究工作。目前，超声波压制成形技术研究的对象以金属粉末为主，高分子粉末和陶瓷粉末的超声压制成形技术的研究也取得了一定的进展。1、金属粉末的超声压制技术超声金属粉末压制技术是超声塑性加工技术的一个分支，金属的超声塑性加工效应［25］是1955年由奥地利科学家Blaha和Langenecker首先发现的，因此也称为Blaha效应，他们在进行锌棒拉伸实验时发现，当对试件或工装模具施加超声波振动时，材料

5、的变形力明显下降。超声振动在材料塑性变形中的作用机制主要表现为体积效应和表面效应［26,27］.“体积效应”是指超声振动外场引起材料内部微粒的振动，使材料温度升高、活性增大,出现与材料内部位错有关的热致软化，从而降低材料本身的动态变形阻力；“表面效应”主要表现为超声振动对材料和工具（即材料塑性变形中的加工工具，如挤压杆、挤压模具等）之间外摩擦的影响；同时超声振动引起工具与工件瞬时分离，局部热效应也有利于材料的塑性变形。在体积效应和表面效应的共同影响下，根据李祺等［24］对纯铁粉700MPa压力下，常规压制与超声压制的动态压制曲线结果表明（见图1

6、）,超声压制的上模冲的位移量明显增加，即超声压制下粉体压坯密度高于常规压制的压坯密度，且超声振动可提高粉体压坯的密度均匀性。对于金属粉末，国外在超声压制成形技术的研究开展较早。1984年,日本学者Tsujino.J［20］等将大功率超声外场应用于铜粉压制试验，压制坯料高径比<；1.其超声的施加方式为：在上、下模冲施加频率为20kHz的持续超声振动，阴模分别施加纵向（沿压制方向）、轴向（垂直于压制方向）和多向（与压制方向呈一定角度）的超声振动，如图2所示。实验结果表明，在200MPa的压力下，多向超声外场可以将铜粉压坯密度提高20%,且坯密度

7、分布更加均匀。1991年，TsujinoJ等［21］在真空条件下，在铜粉（压坯高径比<；0.5）压制过程中施加多向复杂大功率超声外场。实验结果表明，在超声振动作用下，金属粉体压坯的密度得到了有效提高，密度分布更均匀。2008年，Tsujino等［22］再次应用多向复杂超声压制装置对铜粉和铁粉分别进行了成品直径为15mm和5mm的压制实验，无超声和有超声的压制成品外观对比见图3,由图3明显可见，有超声加载的压坯表面更平整和光滑。2008年，为提高超声马达磁芯的质量，KIKUCI等［23］设计了金属粉体磁芯的多向超声振动压制设备（见图4）,并通

8、过有限元仿真的方法研究了超声振动在压制模具中的传递方式，优化了超声压制设备的尺寸，使超声振动能够更有效地传递至粉体压坯，随后又在300MPa条件下进行