微米尺度構件金屬型鑄造成形規(guī)律研究.pdf

1、微精密鑄造工藝可以低成本、大批量的高效制備三維復雜微金屬構件，是近幾年來問世的最具競爭力的微構件微細加工工藝之一。本文研發(fā)了新型金屬型微鑄造工藝，并對涉及到的微米尺度空間內(nèi)液態(tài)金屬的充型流動規(guī)律和停止流動機理以及凝固成形規(guī)律，微鑄件的顯微組織與力學性能等一系列基礎科學理論問題進行了深入系統(tǒng)研究，并揭示了微米尺度下流動、凝固、顯微組織和力學性能等方面的顯著微尺度效應及微觀機理。
　　液態(tài)金屬在微米尺度空間內(nèi)充型流動時，金屬液粘度急劇

2、降低，氣體反壓力和毛細管力作用顯著，宏觀流動的傳統(tǒng)Navier-Stokes方程不再適用，在考慮上述諸附加修正項后，建立了適合于液態(tài)金屬微米尺度流動的新型Navier-Stokes微分方程，以及相關的物理和數(shù)學模型，對微米尺度空間內(nèi)液態(tài)金屬流動、傳熱和凝固過程進行了計算機數(shù)值模擬。
　　微管道內(nèi)液態(tài)金屬的充型流動，呈現(xiàn)出宏觀尺度流動時所沒有的三個顯著微尺度效應——附面層相對厚度的增大，“凸進效應”的形成和負壓力梯度區(qū)的產(chǎn)生：管徑進

3、入微尺度后，管徑越細，靠近壁面的附面層厚度與管徑的比值越大，沿徑向流體流動的速度梯度越大，流股前沿與宏觀流動時相比更加向前凸出，形成“凸進效應”，且“凸進效應”隨時間增加和壓力減小而愈加顯著。此外，在流動前沿區(qū)域和上游區(qū)域之間的中部區(qū)域會產(chǎn)生負壓力區(qū)，且管徑越細越明顯。
　　微管道內(nèi)液態(tài)金屬的停止流動機理呈現(xiàn)出非常明顯的微尺度效應：停止流動機理由宏觀尺度時的端部堵塞機理，轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒊叨葧r端部堵塞與后續(xù)流體的半固態(tài)堵塞兩者復合的停止流

4、動機理，該轉(zhuǎn)變對應的臨界尺寸為500μm。
　　微齒輪鑄件的流動、傳熱和凝固數(shù)值模擬結果表明，金屬液保持入射慣性首先填充后面的齒輪軸，撞擊后方型腔型壁后，產(chǎn)生二次壓頭，然后再向齒輪的齒盤部位反充，形成回流現(xiàn)象。型腔內(nèi)氣體被高速運動的金屬液攪拌、切割，形成若干微氣泡，被帶入主流區(qū)，從排氣道排除。
　　借助新型的金屬型微鑄造工藝，實際鑄造成形了不同厚度的片狀微鑄件和具有三維復雜形狀的微齒輪鑄件，片狀微鑄件最薄可達200μm，充型

5、長度可達60mm。微齒輪鑄件的所有尺寸已進入微米尺度：齒輪盤外徑580μm，齒盤厚350μm，齒輪軸直徑300μm，長400μm，最小充型壁厚可達50μm。證明了金屬型微鑄造工藝制備三維復雜微米尺度鑄件的可行性。
　　微鑄件的顯微組織表現(xiàn)出強烈的微尺度效應。首先，與宏觀尺度試樣相比，隨鑄件尺寸的減小，微鑄件的組織顯著細化。再者，微鑄件中初生相β-Zn的含量增加，共晶組織逐漸減少，微鑄件的共晶組織形態(tài)為棒狀形態(tài)，完全不同于宏觀尺度鑄