非晶合金微塑性振動輔助成形研究現狀

陳超，吳曉

(武漢紡織大學，湖北省數字化紡織裝備重點實驗室, 湖北 武漢 430200 )

0 引言

非晶合金與相同或相似成分的晶態合金相比，具有優異的力學性能和電磁性能[1-5]。由于不存在位錯、孿晶等微觀結構缺陷，大多數非晶合金室溫下的宏觀塑性變形十分有限[6-8]，這嚴重制約著非晶合金作為高強度工程材料的應用。然而，非晶合金在過冷液態區內卻表現出粘性流體特征[9-11]，具有較好的微成形能力，其特性研究極具發展前景[12-13]。人們對非晶合金超塑性流變機理及微成形能力研究時發現，隨著零件尺度的減小，非晶過冷液的表觀粘度和成形載荷急劇增加，表現出明顯的幾何尺寸效應[14]。對于形狀較復雜的微型零件，在成形過程中，坯料往往需要發生多軸流動，幾何尺寸效應將導致成形難度加大。吳曉等[15-16]通過穩態載荷反擠壓工藝研究了變截面復雜微型非晶零件的成形工藝，在成型該類零件時，坯料需要產生軸向和徑向等多軸流動，實驗發現，零件的徑向尺寸難以保證。這主要是由于微成形時非晶坯料的表觀粘度高，內部變形流動阻力大，軸向和徑向受力不均勻導致塑性變形不均。

顯然，降低非晶合金的表觀粘度，提高其流動充模能力對非晶合金微成型技術的發展尤為關鍵。現有的研究主要集中在兩個方面，即通過優化溫度和應變速率等工藝參數，或者引入振動來降低粘度以提高其成形能力。但是過高的溫度將縮短非晶合金的晶化孕育時間[17]，而過高的應變速率將會誘導非晶材料晶化現象的產生[18]，這些都將增加非晶材料晶化的危險，使其失去優良的綜合性能。于是振動降粘技術受到了相關科研人員的青睞，有不少文獻報道了相關研究成果。本文從非晶合金微塑性振動輔助成形理論研究、實驗研究以及裝備研究三方面，綜述了最新的相關研究成果，并對其發展前景進行了展望。

1 非晶合金微塑性振動輔助成形理論研究現狀

振動作為一種能量，對材料微觀結構會有一定的影響，在穩態流變時，振動會引起材料內部結構破壞進程，從而影響剪切速率[19]，當剪切速率加大時，破壞進程大于松弛過程，黏度隨剪切速率加快而降低；在動態流變時，流體的動態黏度還與加載頻率有關[20]。振動載荷的作用機理主要體現在對非晶合金自由體積的影響和表面效應兩個方面。

1.1 振動載荷對非晶合金微成形自由體積影響機理

非晶合金振動微成形工藝中，頻率較低時，大部分形變都是黏性流動的貢獻，這種形變產生不可回復的能量耗散。而當頻率增高時，黏性流動時間很短，即原子結構來不及重排，此時彈性形變將占優勢，而大部分彈性能量都是可回復的，所以頻率增大時能量的耗散減小，黏度大大降低，非晶合金的微成形能力增強。自由體積漲落模型認為非晶合金的塑性形變是通過局部單個原子的躍遷來實現的，類似于原子的擴散。Spaepen[21]認為原子要想移動或者擴散必須推擠周圍的其它原子來產生可以躍遷的自由體積，并把流變速率和自由體積聯系起來，建立非晶流動的自由體積演化方程，表明了隨著自由體積增加，原子的流動會變得越來越容易，流變速率也隨之增加，黏度下降。振動頻率的增大將降低弛豫時間，減慢了自由體積的湮滅，導致非晶合金自由體積濃度的增加，使得流動單元分布更加均勻，從而降低流動粘度。李寧[22-23]等對Zr35Ti30Be26.75Cu8.25非晶合金在振動場作用下的單軸拉伸、壓縮實驗研究表明，隨著振動頻率的增大，非晶合金“自由體積”的增加、“流動單元”體積減小，從而引起流動黏度降低，微成形能力增強。

1.2 振動載荷對非晶合金微成形表面效應影響機理

李東君[24]等對非晶合金微成形過程中的界面摩擦行為研究表明，隨著溫度的升高或是應變速率的降低，非晶合金和金屬模具之間的界面摩擦系數增大。非晶合金和模具之間的界面摩擦行為主要受到非晶合金流動特征的影響。這種界面摩擦的存在影響非晶合金的成形能力，其本質是由于界面摩擦的存在影響了材料的流動行為，使材料的流動趨于不均勻，從而影響非晶合金的充模成形能力。隨著成形尺寸的減小界面摩擦的影響變得越加明顯，一方面是由于隨著成形尺寸的減小，成形件的比表面積增大，界面摩擦力增大，需要的成形力增加；另一方面，成形尺寸減小而界面摩擦影響區域的大小不變，從而非晶合金流動的不均勻性增加，成形能力降低。振動力場通過降低非晶合金的粘度，使非晶過冷液與模具的界面摩擦模型轉向黏著模型，從而降低了摩擦因數，促進了其微成形。

1.3 非晶合金超聲振動輔助微成形機理

與晶態材料不同，非晶合金結構均勻，沒有晶態材料中的位錯等超聲能量吸收源，文獻[25]發現300 KHz以上的高頻振動會破壞非晶合金的玻璃態結構，而低頻振動則沒有此現象，說明非晶合金對低頻振動的吸收不明顯。

體積效應和表面效應是超聲振動輔助塑性成形中流動應力降低的兩大效應。對于將超聲振動場引入到非晶過冷液流變成形中，由于壓板發生超聲頻振動，導致了變形過程中內應力和摩擦力周期性消失，宏觀上表現為變形抗力的降低和摩擦條件的改善[26-28]。從金屬振動塑性成形的角度來看，坯料與工具之間由于振動而導致摩擦力矢量瞬間反向，這種“摩擦效應”使得在振動周期的部分時間里摩擦作用降低，降低了材料塑性變形力，使材料得到更好的成形效果[29-30]。

可見在非晶合金微成形過程中，振動載荷降低了其流動粘度，改善了坯料與模具之間的摩擦效應，促進了其成形過程。近年來對非晶合金微塑性振動成形機理還不夠完善，需要進一步深入研究。

2 非晶合金微塑性振動輔助成形實驗研究

具有高生產效率、減少廢料、降低加工成本等優點的微塑性成形，備受國內外關注。目前研究較多的微成形工藝有微沖壓、微體積成形、微超塑成形、微注塑、微壓鑄等[31]。關于非晶合金振動輔助微成形的實驗研究主要集中在振動擠壓和振動壓縮等成形工藝。

李金陽[32-33]設計了Zr55Cu30Al10Ni5塊體非晶合金在過冷液態區內進行低頻振動擠壓側向流動的微成形實驗方案，利用DEFORM-3D有限元分析軟件進行了相應的數值模擬分析，為實驗方案設計、實驗工藝參數確定提供依據；并在450 ℃下選取不同振幅（38~760 N）和不同頻率（0.1~2.0 Hz），一定時間（避免晶化）內進行成形實驗，并通過非晶合金在橫向槽內的流動長度來定量地衡量非晶合金的流動變形能力，其中一組非晶合金側擠壓微成形實物對比圖如圖1(a)所示。其研究結果表明，引入振動場能有效提高非晶合金的微成形能力。

圖1 非晶合金微成形樣品Fig.1 The samples of amorphous alloy micro-forming

圖2 雙杯擠壓成形件的截面SEM照片(振幅360 N)Fig.2 Cross-section SEM images of parts formed by double cup extrusion test ( A = 360 N)

楊彬[34-35]設計Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金在振動力場作用下的雙杯擠壓模型，利用有限元模擬和實驗的方法，研究了低頻振動頻率、振幅等工藝參數對非晶合金摩擦行為的影響規律。使用deform2D模擬雙杯擠壓實驗，獲得不同振動力場作用下的摩擦標定曲線。并在頻率0.05~2 Hz，振幅120~480 N，溫度保持450 ℃條件下進行擠壓實驗，結果表明摩擦因數隨著頻率的增加而減小。圖2是振幅為360 N時，3組不同振動頻率下雙杯擠壓成形件的試樣斷面圖。

李輝[36]設計了一套超聲振動輔助金屬熱塑成形實驗裝置，將超聲振動場引入到非晶過冷液流變成形中，并利用Zr55Cu30Al10Ni5塊體非晶合金高溫單軸壓縮實驗，研究了非晶合金在超聲振動輔助下過冷液相區內的流變行為，圖1(b)是非晶合金單軸壓縮成形實物圖。實驗結果表明，超聲振動能減小非晶合金的流動應力與黏度，且輸入功率越大，越有利于非晶合金的成形。

文獻[36]的分析認為，在超聲振動輔助非晶合金單軸壓縮實驗中，由于高頻振動使試樣與壓板之間發生瞬間分離,破壞了試樣表面，使試樣表面出現凹坑。圖3為成形后試樣表面形貌，從圖(a)中可以看到，常載荷模式下試樣表面平整，圖(b)表明，施加功率1200 W，頻率19 KHz超聲振動后試樣的表面質量明顯變差，且出現了內凹形成了巨大的凹坑。

圖3 非晶合金單軸壓縮Fig.3 The single shaft compression Amorphous alloy

3 非晶合金微塑性振動輔助成形裝備研究

非晶合金振動輔助微成形系統主要包括高精度的成形機（如壓力機）、模具系統、振動加載系統、數據采集系統、成形工藝控制系統以及加熱系統等。其中，振動加載系統是關鍵，目前的研究主要是采用機械振動和超聲波振動的方式來實現低頻和高頻振動源的引入，振動場的施加流程如圖4所示。

圖4 高、低頻振動的施加流程圖Fig.4 The flow chart of high and low frequency vibration applied

低頻機械振動場的引入比較簡單，一些精密成型機自身帶有循環加載模塊，通過相應的軟件控制成型機的加載模式，就可以將低頻機械振動引入到成形工藝中。

高頻/超聲振動受工具尺寸、材料、裝配及接觸狀態等諸多因素影響，每一個因素的改變都會對其固有頻率產生較大影響，從而影響其振動效果。為了實現超聲振動輔助非晶合金微成形，需要研制具有較強負載能力的超聲振動平臺。韓光超[37]采用雙換能器和雙變幅桿驅動形式研制了一套超聲振動加載系統，如圖5(a)所示，實現了超聲變幅器與超聲振動系統以及微擠壓成形設備的有效結合，并利用這套超聲振動加載系統，在圖5(b)所示的日本島津 AG-100 KN壓力機上開展了超聲微擠壓成形實驗研究。

圖5 超聲輔助微擠壓成形實驗Fig.5 Ultrasonic assists micro-extrusion forming experiment

為了開展非晶合金超聲振動輔助微成形實驗研究，文獻[36]設計了一套超聲振動系統，如圖6所示，主要由超聲波發生器、超聲波換能器、變幅桿、壓縮工具頭和支架組成，超聲振動系統通過支架與力學試驗機緊固連接，壓縮工具頭與變幅桿通過螺紋連接。利用該系統，在Zwick/Roell電子材料試驗機上進行非晶合金的超聲振動微擠壓實驗。

圖6 超聲振動輔助非晶合金單軸壓縮實驗Fig.6 Ultrasonic vibration assists the single shaft compression experiment of amorphous alloys

目前，高、低頻以及超聲振動系統裝備，實現了非晶合金微塑性振動成形，為進一步深入探索研究振動載荷輔助非晶合金微成形機理奠定了基礎。

4 結語

非晶合金的振動輔助微成形技術在理論上是可行的，國內外學者在這方面進行了大量的研究和探索，取得了一些可喜的進展，也展現出巨大的應用前景。但仍有很多急需解決的問題：如振動場作用下非晶合金的流變特性機理還不夠完善，現有的解釋和模型大多是在假設或理論分析的基礎上給出的，具有說服力的實驗觀察還很少；需要建立能更加準確地描述非晶合金在特殊工況下的材料本構模型，根據應力、應變以及應變速率之間的關系，結合流變學理論，建立振動場作用下非晶合金流動黏度的計算模型；振動工具或模具的設計理論有待完善。一套振動成型裝置就是一個振動系統，其固有頻率受工具尺寸、材料、裝配及接觸狀態等諸多因素影響，每一個因素的改變都會影響其振動效果，需要更系統的理論來指導振動成形系統的設計；此外，振動的頻率、振幅等參數的量化控制困難，需要設計更先進的振動驅動電源和控制器，以實現振動頻率、振幅以及輸入能量等多參數的量化調節與控制。

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