微米尺度構(gòu)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(fù)雜微金屬構(gòu)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。本文研發(fā)了新型金屬型微鑄造工藝，并對(duì)涉及到的微米尺度空間內(nèi)液態(tài)金屬的充型流動(dòng)規(guī)律和停止流動(dòng)機(jī)理以及凝固成形規(guī)律，微鑄件的顯微組織與力學(xué)性能等一系列基礎(chǔ)科學(xué)理論問(wèn)題進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究，并揭示了微米尺度下流動(dòng)、凝固、顯微組織和力學(xué)性能等方面的顯著微尺度效應(yīng)及微觀機(jī)理。
　　液態(tài)金屬在微米尺度空間內(nèi)充型流動(dòng)時(shí)，金屬液粘度急劇

2、降低，氣體反壓力和毛細(xì)管力作用顯著，宏觀流動(dòng)的傳統(tǒng)Navier-Stokes方程不再適用，在考慮上述諸附加修正項(xiàng)后，建立了適合于液態(tài)金屬微米尺度流動(dòng)的新型Navier-Stokes微分方程，以及相關(guān)的物理和數(shù)學(xué)模型，對(duì)微米尺度空間內(nèi)液態(tài)金屬流動(dòng)、傳熱和凝固過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。
　　微管道內(nèi)液態(tài)金屬的充型流動(dòng)，呈現(xiàn)出宏觀尺度流動(dòng)時(shí)所沒(méi)有的三個(gè)顯著微尺度效應(yīng)——附面層相對(duì)厚度的增大，“凸進(jìn)效應(yīng)”的形成和負(fù)壓力梯度區(qū)的產(chǎn)生：管徑進(jìn)

3、入微尺度后，管徑越細(xì)，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(dòng)的速度梯度越大，流股前沿與宏觀流動(dòng)時(shí)相比更加向前凸出，形成“凸進(jìn)效應(yīng)”，且“凸進(jìn)效應(yīng)”隨時(shí)間增加和壓力減小而愈加顯著。此外，在流動(dòng)前沿區(qū)域和上游區(qū)域之間的中部區(qū)域會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓力區(qū)，且管徑越細(xì)越明顯。
　　微管道內(nèi)液態(tài)金屬的停止流動(dòng)機(jī)理呈現(xiàn)出非常明顯的微尺度效應(yīng)：停止流動(dòng)機(jī)理由宏觀尺度時(shí)的端部堵塞機(jī)理，轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒊叨葧r(shí)端部堵塞與后續(xù)流體的半固態(tài)堵塞兩者復(fù)合的停止流

4、動(dòng)機(jī)理，該轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)的臨界尺寸為500μm。
　　微齒輪鑄件的流動(dòng)、傳熱和凝固數(shù)值模擬結(jié)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(pán)部位反充，形成回流現(xiàn)象。型腔內(nèi)氣體被高速運(yùn)動(dòng)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(shí)際鑄造成形了不同厚度的片狀微鑄件和具有三維復(fù)雜形狀的微齒輪鑄件，片狀微鑄件最薄可達(dá)200μm，充型

5、長(zhǎng)度可達(dá)60mm。微齒輪鑄件的所有尺寸已進(jìn)入微米尺度：齒輪盤(pán)外徑580μm，齒盤(pán)厚350μm，齒輪軸直徑300μm，長(zhǎng)400μm，最小充型壁厚可達(dá)50μm。證明了金屬型微鑄造工藝制備三維復(fù)雜微米尺度鑄件的可行性。
　　微鑄件的顯微組織表現(xiàn)出強(qiáng)烈的微尺度效應(yīng)。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(xì)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