Zr基非晶合金復(fù)雜微小零件超塑性微成形制備方法研究.pdf

1、近幾年，利用非晶合金制備微米甚至納米級(jí)的高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微小零件已越來越受到航空航天、精密儀器、生物醫(yī)療、MEMS等尖端領(lǐng)域的關(guān)注，并且硅工藝與超塑性微成形工藝的結(jié)合更加快速地推動(dòng)著非晶合金基礎(chǔ)研究和微成形技術(shù)取得一個(gè)又一個(gè)成果。本學(xué)位論文以 Zr基非晶合金為研究對象，針對其熱/力特性、變形特性對超塑性微成形的影響開展了實(shí)驗(yàn)與仿真研究，探索了復(fù)雜型腔多層硅模具設(shè)計(jì)和制備方法，進(jìn)行了復(fù)雜微小零件的成形加工與質(zhì)量分析，內(nèi)容包括：
　

2、　（1）采用差示量熱掃描儀（DSC）系統(tǒng)研究了Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金的三種熱力學(xué)參數(shù)（退火溫度，加熱速率，孕育時(shí)間）對復(fù)雜微小零件超塑性微成形工藝參數(shù)的影響。同時(shí)，提出將加熱速率作為工藝參數(shù)，分析了加熱速率對玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、晶化轉(zhuǎn)變溫度、過冷液相區(qū)以及孕育時(shí)間的作用機(jī)理并進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金的最大孕育時(shí)間曲線，為Zr基非晶合金超塑性微成形加工中退火溫度、孕育時(shí)間、加熱速率的選

3、取提供了理論指導(dǎo)；
　?。?）使用DSC等溫退火實(shí)驗(yàn)研究了Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金多次退火加工后孕育時(shí)間的變化情況，分別進(jìn)行了相同溫度和不同溫度下的二次退火實(shí)驗(yàn)，討論了二次退火中加工時(shí)間分配對總體孕育時(shí)間造成的損失，提供了初次退火加工的加工時(shí)間與總孕育時(shí)間之間比值的合理范圍，為配置Zr基非晶合金的多次退火工藝給出了參考；
　?。?）基于課題組成員測得的流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變速率數(shù)據(jù)推導(dǎo)得到了包含溫度和應(yīng)變速率兩個(gè)參量的

4、 Zr65Cu17.5Ni10Al7.5非晶合金流動(dòng)應(yīng)力本構(gòu)方程，生成了對應(yīng)的材料庫并通過DEFORM3D討論了非晶合金在微型齒輪模具型腔中進(jìn)行恒加載速度成形和保壓成形時(shí)的變形特性。同時(shí)，明確了保壓成形含有三個(gè)工藝參數(shù)（保壓壓力、初始加載速度、加載速度減少過程），分析了三者對成形效果的影響并且給出了相應(yīng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)。
　?。?）根據(jù)DEFORM3D仿真結(jié)果和非晶合金的流動(dòng)特性，以保壓成形開始時(shí)的非晶合金流動(dòng)邊界為參考設(shè)計(jì)了微小雙聯(lián)齒

5、輪及其對應(yīng)的復(fù)雜型腔多層硅模具，使用干法刻蝕成功分層批量制備了高質(zhì)量的硅模具，各分層通過定位銷與孔實(shí)現(xiàn)了組合使用，型腔尺寸和圖形對準(zhǔn)精度均滿足設(shè)計(jì)要求。
　　（5）應(yīng)用Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金、復(fù)雜型腔多層硅模具及優(yōu)化的超塑性微成形工藝制備出微小雙聯(lián)齒輪，大齒輪模數(shù)0.05 mm，齒數(shù)36，厚度150μm；小齒輪模數(shù)0.05 mm，齒數(shù)30，厚度150μm；中心軸孔直徑0.8 mm。對成形后

6、零件的非晶態(tài)材質(zhì)、形狀質(zhì)量、充型率和微觀表面質(zhì)量進(jìn)行了分析，探討了加工時(shí)間、硅模具質(zhì)量、成形壓力等因素對零件性能影響，驗(yàn)證了工藝的可行性，給出了微小雙聯(lián)齒輪的總體工藝流程。
　　隨著非晶合金家族成員越來越龐大，各種優(yōu)異的性能使其成為高性能的微米甚至納米級(jí)微小零件或結(jié)構(gòu)的首選材料。當(dāng)前，基于硅模具的非晶合金復(fù)雜三維微小結(jié)構(gòu)制備處于二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的瓶頸期，因此，深入挖掘Zr基非晶合金和硅模具的潛能，改進(jìn)硅模具制備工藝，并結(jié)合實(shí)