微熔模精鑄過(guò)程微尺度成形及充型流動(dòng)規(guī)律研究.pdf

1、微熔模精鑄工藝可以低成本、大批量地高效制備三維復(fù)雜的微金屬鑄件，是近幾年來(lái)問(wèn)世的最具競(jìng)爭(zhēng)力的微構(gòu)件微細(xì)加工工藝之一。
　　本文自主研發(fā)了超聲場(chǎng)下制備納米晶石膏鑄型的新工藝，并利用離心力場(chǎng)下微熔模石膏型精鑄工藝制備成形了直徑小至100μm的微尺度鑄件。并對(duì)微熔模石膏型精鑄過(guò)程中涉及的超聲細(xì)化形核規(guī)律、微尺度液態(tài)金屬潤(rùn)濕規(guī)律、微充型流動(dòng)規(guī)律及其停止流動(dòng)機(jī)理、微圓絲的顯微組織與力學(xué)性能等問(wèn)題進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究，揭示了微尺度條件下，潤(rùn)濕、

2、充型流動(dòng)、形核、顯微組織和力學(xué)性能等方面的微尺度效應(yīng)及微觀機(jī)理。
　　研究了微尺度金屬液滴在原子級(jí)平整的云母平面上的微潤(rùn)濕規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微觀尺度時(shí)，潤(rùn)濕角則隨著金屬液滴尺寸的減小而降低，表現(xiàn)出了顯著的微尺度效應(yīng)，微尺度與宏觀尺度的臨界分界點(diǎn)為rc=0.33 mm，只有在金屬半徑為大于此值的宏觀尺度時(shí)，潤(rùn)濕角才不隨半徑變化而保持常數(shù)。在經(jīng)典的Young方程基礎(chǔ)上，改進(jìn)并推導(dǎo)出了微尺度液滴在理想平面上的鋪展動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)式，并借助此公式進(jìn)

3、行了鋪展動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算。依據(jù)霍爾茲曼自由能保持不變的熱力學(xué)判據(jù)，推導(dǎo)出了微小液滴在測(cè)量微潤(rùn)濕角時(shí)重量可否被忽略的判據(jù)。
　　借助超聲空化理論和形核熱力學(xué)理論，推導(dǎo)出了超聲力場(chǎng)下石膏晶粒形核率的表達(dá)式。依據(jù)形核率公式得出了形核率與溫度和壓力的相互影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，超聲力場(chǎng)作用可以極其顯著地改變石膏晶粒的形態(tài)和細(xì)化石膏晶粒尺寸，施加超聲力場(chǎng)后，石膏晶粒由重力場(chǎng)下長(zhǎng)徑比高達(dá)十幾倍的細(xì)針狀，轉(zhuǎn)變?yōu)槌暳?chǎng)作用后的近球形；而石

4、膏晶粒尺寸由重力場(chǎng)下的15～30μm，顯著細(xì)化至超聲力場(chǎng)的500 nm。通過(guò)研究不同燒結(jié)溫度以及鑄型成份對(duì)微鑄型表面粗糙度的影響，確立了微熔模精密鑄造用鑄型的最佳燒結(jié)溫度和最佳鑄型成份，并制備具有低表面粗糙度的納米晶石膏微鑄型，可完全滿足成形微米尺度鑄件對(duì)于低表面粗糙度鑄型的嚴(yán)苛要求。
　　在重力場(chǎng)條件下宏觀尺度流動(dòng)的傳統(tǒng)Navier-Stokes微分方程以及微尺度下流動(dòng)的新型Navier-Stokes微分方程的基礎(chǔ)上，本文改進(jìn)并

5、建立了離心力場(chǎng)下的微尺度流動(dòng)的Navier-Stokes全新微分方程。借助相似物理模擬理論，以及離心力場(chǎng)下的微尺度流動(dòng)的Navier-Stokes微分方程，推導(dǎo)出了離心力場(chǎng)下流體在微尺度下離心流動(dòng)的相似準(zhǔn)則。以特殊成份的水溶液作為模擬流體，對(duì)Zn-4％Al合金熔體在石膏鑄型流道內(nèi)的微尺度流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了相似物理模擬研究。結(jié)果表明：離心力場(chǎng)下流體在橫澆道內(nèi)的微充型流動(dòng)過(guò)程中，優(yōu)先通過(guò)橫截面積最大的流道；在充型流動(dòng)過(guò)程中，流體的總能量保持不變

6、，即位能、壓力能、平動(dòng)動(dòng)能和離心轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的總和不變；在流體流動(dòng)過(guò)程中，會(huì)發(fā)生動(dòng)能和勢(shì)能之間的相互轉(zhuǎn)化，并以逐層方式平穩(wěn)的充填流道；在整個(gè)充型流動(dòng)過(guò)程中，流體的自由液面始終以轉(zhuǎn)軸為圓心的規(guī)則圓弧面。
　　在重力場(chǎng)下伯努利流動(dòng)方程的基礎(chǔ)上，附加考慮離心力的作用，推導(dǎo)出了離心力場(chǎng)中微尺度條件下流體總流流動(dòng)的伯努利方程。并在此伯努利方程的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了離心力場(chǎng)下微尺度充型流動(dòng)時(shí)澆注系統(tǒng)可否充滿流動(dòng)的判據(jù)表達(dá)式，以及離心力場(chǎng)下微尺度充型流

7、動(dòng)時(shí)阻流斷面的水力學(xué)計(jì)算公式。
　　借助自主研制的納米晶石膏基鑄型以及離心力場(chǎng)微熔模精密鑄造工藝，實(shí)際鑄造成形了不同直徑的Zn-4%Al合金微尺度鑄件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：液態(tài)金屬在微流道中充型流動(dòng)時(shí)，其充型長(zhǎng)度隨著微流道半徑的減小而降低，隨著旋轉(zhuǎn)速度和鑄型預(yù)熱溫度的增加而提高，并呈現(xiàn)出明顯的微尺度效應(yīng)。采用離心力場(chǎng)微熔模精密鑄造工藝，可制備出的微圓絲最小直徑細(xì)至100μm，充型長(zhǎng)度可高達(dá)20mm，長(zhǎng)徑比高達(dá)200倍。當(dāng)微圓絲的直徑大于

8、400μm時(shí)，液態(tài)金屬在微流道中充型長(zhǎng)度增加非常明顯，從而確定出400μm為充型流動(dòng)的宏觀尺度與微尺度的臨界分界點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)微熔模石膏精密鑄造過(guò)程中，離心力場(chǎng)下微尺度管道內(nèi)液態(tài)金屬的停止流動(dòng)機(jī)理為“整體堵塞”的停止流動(dòng)機(jī)理，明顯不同于液態(tài)金屬宏觀尺度流動(dòng)時(shí)的“端部堵塞”停止流動(dòng)機(jī)理，呈現(xiàn)出顯著的微尺度效應(yīng)。
　　研究發(fā)現(xiàn)，微圓絲的顯微組織和力學(xué)性能表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的微尺度效應(yīng)：
　　預(yù)熱溫度顯著影響微尺度條件下晶粒尺寸：隨著鑄型