粉體材料等靜壓成型超聲加載系統的設計及實驗

杜航， 傅波， 唐祥龍， 李朝陽

（四川大學機械工程學院，成都 610065）

0 引言

等靜壓成型技術在現代工業體系中廣泛應用于含能材料制備、粉末冶金、碳素石墨制造、高性能磁性材料等粉體材料的致密化成型，與傳統的軸向壓制成型技術相比，等靜壓成型技術在一定溫度和壓力下通過液體介質擠壓包膜中的粉體材料來實現成型，能夠將所制成的材料的密度提高10%～15%[1-3]。粉體材料在成型過程中不可避免地會產生氣泡、間隙、疏松等瑕疵，因此如何有效地消除粉體材料內部瑕疵缺陷、提升其成型致密性是等靜壓成型技術領域的一個重要的研究課題。

等靜壓成型技術按照成型溫度在廣義上分為冷等靜壓CIP和熱等靜壓HIP兩類[4]。冷等靜壓技術是20世紀初期H.D.Madden發明，并用來解決電燈燈絲材料鎢和鉬成型時存在疏松、間隙、性能分布不均勻的問題，隨著高壓技術的發展，20世紀50年代中期在工業中逐步被推廣使用[5]。熱等靜壓技術是20世紀中期Battelle實驗室開發并應用于燃料元素在原子能反應過程中的擴散黏結，之后在不斷發展完善中被廣泛應用在特種陶瓷制備、粉末冶金等生產領域[6]，如在TiAl合金粉末等靜壓技術的實驗研究[7]中發現，TiAl合金霧化粉末經過熱等壓及熱處理后，組織和性能得到改善，零件的晶粒更細小、成分分布更均勻、力學性能更優異。

本研究從改善傳統粉體材料等靜壓成型試件晶粒致密性與均勻性的目標出發，在等靜壓系統中融入超聲加載進行輔助成型。基于傳輸矩陣法，對超聲加載系統核心部件壓電超聲振子進行了設計和分析；搭建了超聲加載缸，對粉體材料試件進行了超聲輔助等靜壓成型實驗，研究在不同的油液壓力下超聲加載對粉體材料成型質量的影響。

1 超聲輔助等靜壓成型的工作原理

超聲輔助等靜壓成型的工作原理如圖1所示。在等靜壓加載缸體內四周均勻安裝4個壓電超聲振子，組成超聲加載系統。超聲振子將電能轉化為超聲頻振動的機械能，通過超聲振子的前端面向液體介質傳遞超聲波，再通過液體介質將超聲波傳播到缸體中心工作臺上的粉體材料試件的包膜四周，激發包膜產生高頻微蠕動，促進包膜內粉體材料的流動性，從而在等靜壓條件下，減少試件內部的間隙、孔洞等缺陷，提高被加載粉體材料成型試件晶粒的致密性和均勻性[8]。

圖1 超聲輔助等靜壓成型工作原理

2 超聲加載系統的設計

超聲輔助等靜壓成型的超聲加載系統由4個20 kHz的壓電超聲振子組成，通過超聲振子，由超聲電源輸入的20 kHz的超聲電能被轉換為20 kHz的機械振動，并向液體介質中傳遞超聲波。本研究設計的超聲振子的結構如圖2所示，主要由壓電超聲換能器和前端變幅桿及工具頭構成。其中，壓電超聲換能器采用夾心式（Langevin）結構[9-10]，如圖3所示。該類型的換能器相比于磁致伸縮式結構具備更高的電聲轉化效率和更優異的溫度穩定性，且加工工藝更為簡單。夾心式壓電超聲換能器整體由后蓋板、壓電陶瓷片、電極片、前蓋板、預緊力螺栓、絕緣套筒等組成。壓電片兩端施加電源的正負極呈交錯連接以保證相鄰電陶瓷片之間的極化方向相反。本研究換能器采用縱振模態，設計功率為500 W，諧振頻率為20 kHz。

圖2 超聲振子

圖3 夾心式壓電超聲換能器

超聲振子的前端由變幅桿和工具頭組成，變幅桿將換能器產生的超聲頻振動放大傳輸到工具頭，以獲得等靜壓超聲輔助成型所需的超聲振動要求。變幅桿和工具頭長期處于液體介質中，因此采用304不銹鋼以滿足抗腐蝕性與導熱性的要求。在本研究中，變幅桿和工具頭做成一體，形成復合變幅桿的結構，如圖4所示。

圖4 復合變幅桿結構示意圖

運用半波長原理及四六端網絡傳輸矩陣法，對換能器的壓電堆長度、前后蓋板尺寸、變幅桿及工具頭尺寸進行設計[11]。在優化前將計算得出的超聲振子模型通過ANSYS Workbench 進行無阻尼自由振動模態分析，獲得了圖5 所示的振型云圖。從圖可知超聲振子的諧振頻率為19.850 kHz，與設計頻率20 kHz相比存在誤差，相對誤差為0.75%。為了進一步減小誤差，對超聲振子的尺寸進行優化分析。優化參數選擇變幅桿軸向尺寸L5、L7，過渡圓弧半徑R2，工具頭軸向尺寸L8，目標參數設定為超聲振子的縱振諧振頻率20 kHz。以L5、L7、R2、L8四個參數構造25組變量組合進行結構優化來獲得最佳的優化尺寸。

圖5 優化前超聲振子振型云圖

利用Design Exploration模塊進行結構參數優化設計，得到超聲振子的諧振頻率隨L5、L7、L8、R2的變化曲線圖，如圖6所示。為了分析各結構參數對超聲振子諧振頻率的影響程度，對優化參數對頻率的敏感度系數進行了分析計算，其結果如圖7所示。分析敏感度系數圖可知，優化參數中對壓電超聲振子縱振諧振頻率影響最大的是工具頭軸向尺寸L8，然后是L5和L7，過渡圓弧半徑對頻率的影響可以忽略。優化后的超聲振子模型如圖8所示，從圖8中可知其諧振頻率為19.989 kHz，相對誤差降到了0.055%，滿足了設計需求。

圖6 優化參數對諧振頻率的影響

圖7 各參數對壓電超聲振子縱振頻率的影響敏感度系數

圖8 優化后超聲振子的振型云圖

3 等靜壓超聲輔助成型實驗

根據前述對超聲輔助成型的原理分析及所設計的超聲振子，試制了一個小型的超聲輔助等靜壓加載試驗缸，搭建了實驗平臺，如圖9所示。實驗平臺主要包括超聲電源計算機控制系統、WG-1000W 型超聲電源、手動增壓泵、所開發的等靜壓超聲輔助成型加載缸、粉體材料試件等。

圖9 實驗平臺搭建及超聲輔助成型加載實驗

基于以上搭建的實驗平臺，利用超聲加載系統進行輔助等靜壓成型實驗，驗證超聲輔助等靜壓成型提升含能材料致密性與均勻性的可行性，以及進一步研究不同油液壓強環境對試件成型結果的影響。

取尺寸為φ35 mm×30 mm的粉體材料試件3個，分別按A、B、C進行編號，在超聲加載實驗前，利用JSM-7500F型場發射掃描電子顯微鏡（SEM）分別觀察3個試件斷面質量情況，獲得試件的SEM圖，然后分別對3個試件按照表1所示的參數進行超聲輔助等靜壓加載實驗。具體實驗過程如下：將試件A放入等靜壓加載試驗缸，用手動泵將試驗缸內油液的壓力加至5 MPa，然后開啟超聲電源驅動超聲加載系統對試件A進行超聲加載，持續工作10 min后關閉超聲電源，將試驗缸卸壓后取出試件A，使用SEM觀察其斷面質量，獲得試件的SEM圖。然后分別對試件B和C重復上述實驗，其中試件B的油液壓力為7.5 MPa，超聲加載持續時間10 min，試件C的油液壓力為15 MPa，超聲加載持續時間10 min。使用SEM觀察相應試件斷面質量，獲得試件的SEM圖。

表1 超聲輔助等靜壓成型實驗參數

圖10～圖12展示了A、B、C三個試件在超聲加載實驗前后的SEM圖。從SEM圖可以看出，超聲加載前，試件斷面的晶粒間存在較多的氣孔和孔隙，且晶粒分布不均勻，有比較多的大塊晶粒。經過超聲加載后，試件斷面質量與超聲加載前相比有了改善，晶粒間的氣孔減小，孔隙減少，晶粒更為細膩，分布更為均勻。此外，對比分析在不同油液壓力下超聲加載后的A、B、C三個試件的SEM圖可知，試件C的斷面質量最好，其晶粒間的孔洞最小且最少，晶粒最為細膩，分布最為均勻，致密性最好，說明隨著加載缸油液壓力的增加，試件斷面質量的改善越明顯。圖13展示了超聲加載前后試件C放大3000倍的SEM圖，可以更明顯地看出超聲加載前后試件斷面質量的改善效果。

圖10 試件A

圖12 試件C

圖13 試件C（放大3000倍）

圖11 試件B

4 結語

基于超聲技術和等靜壓成型技術，提出了一種粉體材料超聲輔助等靜壓成型方法，對其工作原理進行了分析。應用傳輸矩陣法，對超聲加載系統即20 kHz壓電超聲振子進行了設計，應用ANSYS Workbench對其振動特性進行了仿真分析和優化，確定了超聲振子最終的結構尺寸。搭建了超聲輔助等靜壓成型試驗裝置，分別在5 MPa、7.5 MPa和15 MPa的油液壓力下對3個粉體材料試件進行了超聲加載實驗研究。實驗結果表明：在粉體材料的等靜壓成型中輔助超聲加載，可以減少試件內部的孔洞、間隙等缺陷，使晶粒更細膩，分布更均勻，致密性更高；同時超聲加載缸內不同的油液壓力會對試件的成型質量產生不同程度的影響，隨著加載缸內油液壓力的增加，試件質量的改善越明顯。