（机械制造及其自动化专业论文）超高应变率下的激光冲击微挤压成形基础研究.pdf

超高应变率下的激光冲击微挤压成形基础研究 摘要 微挤压作为微成形的一个重要分支，其成形件在医疗卫生、军事、微电子、 航空航天等领域应用广泛，研究适用于多种材料的高效低成本微构件成形方法很 迫切。本文提出了超高应变率下的激光冲击微挤压成形新技术，即利用激光诱导 的冲击波使局部金属板料在凹模约束下产生体积变形和挤压效应。本文在宏观激 光冲击成形的基础上，对3 0 0 3 铝合金板料的激光冲击微挤压成形进行了系统研究， 分析了板料的成形性能，以及影响成形的各因素。同时对3 0 0 3 铝合金微挤压成形 进行了实验验证，定量分析了激光参数、材料特性对成形的影响规律，并对成形 质量进行了评价和分析，为超高应变率下的激光冲击微挤压成形提供了技术支撑。 研究成果如下： ( 1 ) 论述了激光冲击成形机理以及微挤压成形相关研究进展；在介绍挤压塑 性成形原理的基础上，分析了尺度效应对成形的影响。 ( 2 ) 数值分析了超高应变率下的激光冲击微挤压成形规律，研究了加载压力、 摩擦系数、板厚对成形性能的影响。结果显示，加载压力大于板料动态屈服强度 时，板料发生塑性变形，随着加载压力的增大，变形量呈非线性增大；摩擦系数 越大，板料与凹模间的摩擦应力增大，变形量减小；随着板厚增加，板料自身的 流动应力增大，变形量减小。 ( 3 ) 实验研究了单次激光冲击下，激光能量、晶粒大小以及板厚与晶粒大小 比值对成形的影响规律，并对实验结果与数值分析结果进行了对比。结果显示， 激光能量是影响成形的主要因素，激光能量越大成形量越大，但必须控制在材料 断裂极限之内；晶粒尺寸大小对微尺度下的成形影响显著，晶粒尺寸越大，板料 内部的晶粒间的流动应力减小，成形更容易；板厚与晶粒大小比值对成形影响的 研究结果显示，比值对成形的影响并没有明显的规律，但就本文的实验而言，中 间比值成形效果最佳。数值分析得出结果比实验结果略大，但在合理的范围内。 ( 4 ) 运用x 一3 5 0 a 射线残余应力测试仪对成形区表面的残余应力进行了检测， 分析了表层残余应力的分布、产生原理，对影响残余应力分布的激光参数和材料 机械特性进行了分析。结果显示，板料冲击背面残余应力表现为拉应力，随着激 光能量的增大拉应力值逐渐增大，由于凹模产生的压应力作用，拉应力增加幅度 i i 江苏大学硕士学位论文 逐渐减小。随着板厚的增加，由于凹模挤压作用越明显，板料冲击背面残余应力 的值逐渐减小。 关键词：超高应变率，3 0 0 3 铝合金，激光冲击，微挤压，塑性变形 超高应变率下的激光冲击微挤压成形基础研究 m i c r o - e x t r u s i o na sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fm i c r o - f o r m i n g ，i t ss h a p eu s e di nt h e f i e l do fh e a l t hc a r e ，m i l i t a r y , m i c r o e l e c t r o n i c s ，a e r o s p a c ea n ds oo n ，r e s e a r c ha p p l i c a b l e t oav a r i e t yo fm a t e r i a l sa n de f f i c i e n tl o w c o s tm i c r o - - c o m p o n e n t sf o r m i n gm e t h o di s v e r yu r g e n t t h el a s e rs h o c km i c r o e x t r u s i o nf o r m i n gt e c h n o l o g yu n d e rt h ec o n s t r a i n t s o fm i c r o - e x t r u s i o nd i ei san e w f o r m i n gt e c h n o l o g y u n d e rt h ec o n s t r a i n t so ff e m a l ed i e ， i tu t i l i z e sl a s e r i n d u c e ds h o c k w a v et om a k et h ev o l u m ed e f o r m a t i o no nl o c a l s h e e t b a s e do nt h em a c r ol a s e rs h o c kf o r m i n g ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h em i c r o - f o r m i n go f 3 0 0 3a l u m i n u ma l l o yw i t hl a s e rs h o c k ，a n a l y z e dt h ed e f o r m a t i o np e r f o r m a n c eo fs h e e t a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so n d e f o r m a t i o n t h e e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o no n m i c r o 。v o l u m ef o r m i n go f3 0 0 3a l u m i n u ma l l o yw a sm a d e t h ep a p e rq u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e di n f l u e n c el a w so fl a s e rp a r a m e t e r sa n dm a t e r i a lp r o p e r t i e so nf o r m i n g ， e v a l u a t e da n da n a l y z e dt h ef o r m i n gq u a l i t y , w h i c hp r o v i d e dt e c h n i c a l s u p p o r tf o r e x t r u s i o nf o r m i n gw i t hc o n s t r a i n t so fm i c r o e x t r u s i o nd i e t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h el a s e rs h o c kf o r m i n gm e c h a n i s ma n dr e l e v a n tr e s e a r c hp r o g r e s so f m i c r o - f o r m i n gw a sd i s c u s s e d b a s e d o ne x t r u s i o np l a s t i c f o r m i n gp r i n c i p l e ，t h e i n f l u e n c eo ft h es c a l ee f f e c to nf o r m i n gw a s a n a l y z e d ( 2 ) t h es h o c kf o r m i n gl a w sw i t hc o n s t r a i n so fm i c r o e x t r u s i o nd i ew a sa n a l y z e d b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c eo fl o a d i n gp r e s s u r e ， f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h i c k n e s so nf o r m i n gp e r f o r m a n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e p l a s t i cd e f o r m a t i o no c c u r r e di nt h es h e e tw h e nd y n a m i cl o a d i n gp r e s s u r ew a sg r e a t e r t h a nt h ey i e l ds t r e n g t h d e f o r m a t i o no fs h e e ti n c r e a s e dn o n l i n e a r l ya l o n gw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ed y n a m i cl o a d i n gp r e s s u r e ；t h ef r i c t i o ns t r e s sb e t w e e nt h es h e e ta n dt h e f e m a l ed i ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dd e f o r m a t i o nd e c r e a s e d ； t h ef l o ws t r e s so fs h e e ti n c r e a s e da n dd e f o r m a t i o nd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e t h i c k n e s s i v ( 3 ) u n d e rs i n g l e l a s e ri m p a c t ，t h ei n f l u e n c el a w so fl a s e r e n e r g y , g r a i ns i z e ， 江苏大学硕士学位论文 t h i c k n e s sa n dg r a i ns i z er a t i oo nf o r m i n gw a sr e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tl a s e r e n e r g yw a st h em a i ne f f e c tf a c t o ro nf o r m i n g t h eg r e a t e rt h el a s e re n e r g y , t h eg r e a t e r t h ea m o u n to ff o r m i n g h o w e v e r ，i tm u s tb ec o n t r o l l e di nm a t e r i a lf r a c t u r el i m i t g r a i n s i z eh a ds i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ef o r m i n gi nm i c r o s c a l e t h ef l o ws t r e s si nt h es h e e t d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fg r a i ns i z e ，a n di tw a se a s yt of o r m i n g t h er e s u l t so f i n f l u e n c eo ft h i c k n e s sa n dg r a i ns i z er a t i oo nf o r m i n gs h o w e dt h a tt h ei n f l u e n c eo ft h e r a t i oo nf o r m i n gh a dn oo b v i o u sl a w sa n dt h ef o r m i n ge f f e c tw a st h eb e s tw h e nt h er a t i o w a si nt h em i d d l e t h er e s u l t sf r o mn u m e r i c a la n a l y s i sw e r eal i t t l eb i g g e rt h a nt h e m f r o me x p e r i m e n t si nt h i sp a p e r ( 4 ) u s i n gx 一3 5 0 ar a yr e s i d u a ls t r e s st e s t e r , t h er e s i d u a ls t r e s so nf o r m i n gs u r f a c e w a sd e t e c t e d t h ep a p e ra n a l y z e dt h e d i s t r i b u t i o na n dg e n e r a t i o np r i n c i p l eo ft h e s u r f a c er e s i d u a ls t r e s s ，a n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fl a s e rp a r a m e t e r sa n dm a t e r i a l m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so nr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t r e s i d u a ls t r e s so nt h eb a c ko fs h e e tw a st e n s i l es t r e s s t h et e n s i l es t r e s si n c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s eo fl a s e re n e r g y a n dd u et ot h ec o m p r e s s i v es t r e s so ff e m a l em o u l d ，t h e i n c r e a s ea m p l i t u d eo ft e n s i l es t r e s sd e c r e a s e dg r a d u a l l y a st h et h i c k n e s si n c r e a s e d ，t h e r e s i d u a ls t r e s so nt h eb a c ko fs h e e ta l s od e c r e a s e dg r a d u a l l yr e s u l t i n gf r o ms q u e e z i n g a c t i o no ft h ef e m a l ed i e k e y w o r d s ：u l t r a - h i g hs t r a i nr a t i o n ，3 0 0 3a l u m i n u ma l l o y , l a s e rs h o c k ，m i c r o e x t r u s i o n ， p l a s t i cd e f o r m a t i o n 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 不断进步的现代微制造和检测技术，使成形和制造复杂的高性能微构件成为 可能。但是现有的面向m e m s 的微加工工艺和技术是在集成电路的基础上发展起 来的，主要依赖于深反应离子光刻、蚀刻、l i g a 等微细加工技术，对加工材料的 选择也提出了更多要求，目前采用硅基材料制作微器件的工艺复杂，可重复性差， 设备投资大，无法适用于三维复杂形状微器件的加工，微型器件的批量生产难于 得到满足。利用微切削和超声波、微细电火花等方法成形微构件也都具有各自适 用的加工范围和限制，如微切削能加工的构件精度和尺寸有限；超声波微加工方 法在加工复杂型面时声极难以安置，加工材料和效率受限；微细电火花加工的前 期准备工序复杂。以上各种微加工技术主要是加工效率、加工材料和微构件复杂 程度受限制，研究适用于多种材料的高效低成本批量化微构件的成形方法很迫切。 1 2 微成形概述 1 2 1 微成形的种类 根据所成形材料的状态，微成形可以分为固态和流体成形两大类。固态成形 包括体积成形和板材成形。流体成形包括塑性注射成形、金属和陶瓷粉末注射成 形、铸造等。 1 2 2 微成形的技术发展及应用 金属微成形工艺已成功地应用于微制造，采用金属注射模具法制造微零件， 同一批生产的轮毂件、弯曲件或拉伸件，重量偏差不到o 5 ，密度基本恒定，说 明要达到一定的精度要求，必须保证注射参数及其他条件选择合理。有学者对手 表上的装饰冠状件进行了多锻造工艺的研究，采用锥型冲头增加芯部金属应变速 率，并将传统的锻造由三步改为四步。日本学者采用纵向剪切棒材的方法，并与 纵横剪切结合起来，加上局部锻造，制造出复杂形状的微零件。有学者对金属板 材微成形中材料参数和几何参数对成形的重要性也进行了相关理论数值分析，并 通过实验分析得到了相关结果及一些推测，对小尺寸零件成形过程具有指导意义。 超高应变率下的激光冲击微挤压成形基础研究 同时，微冲压在传统的冲压工艺逐渐发展起来，目前已成为一种很重要的金属微 成形工艺【1 - 1 1 1 。 与传统成形工艺相比，由于零件的微型化，微成形受材料参数( 材料流动应 力) 和技术参数( 成形力、各向异性、摩擦) 的影响很大。以双杯挤压实验为代 表，通过胀形实验已分析证明摩擦对微成形的影响，板料尺寸对金属流动应力的 影响；通过单位拉伸实验( 晶粒大小不变，厚度不变) 和弯曲实验( 板厚不变、 晶粒大小改变) 探讨了晶粒与板厚的比例对成形的影响。展宽轧制是一种降低力 学性能平面各向异性的有效方法，其突出的两个优点为展宽与组织的可控性。横 向展宽轧制法广泛用于半导体铅架的c u f e 合金带生产，与传统平轧相比，展宽 轧制加工硬化更大，屈服应力、拉伸强度和硬度更高，力学性能平面各向异性及 罗德常数更小，但轧制组织不如平轧明显。 微零件的应用主要有以下几个方面： 在医疗领域，安装在皮肤下的微起搏器能连续精确控制药量；研制的微型 化内窥镜，可以进行疾病诊断和复杂检查；气压式( 带齿轮) 手动微注射器包含 很多微型零件，如图1 1 所示。 图1 1 手动微注射器 f i g 1 1m i c r o i n j e c t o rb ym a n u a lo p e r a t i o n 在航空电子学领域，电容性加速器传感器是一种l i g a 产品，已被应用于飞 机中，并可作为汽车中气囊激发装置。各种飞行器、飞行装置的微型化、小型化 也离不开各个组成零部件的微型化和小型化，图1 2 和图1 3 所示为微齿轮和引线 框。 2 江苏，弋学硕士学位论文 图1 2 微齿轮图1 3 引线框 f i g 1 2m i c r o g e a r f i g 1 3k a d f r a m e 在计算机领域，铅架是典型的金属微成形产品，目前使用的芯片盒，由于 内部连接器过大而使得其体积过分臃肿，微连接器的使用将使硅片盒的尺寸大大 减小。微成形的应用，将使磁道间距更小，数据储存更加密集，硬盘容量更大同 时体积更小。 微电子行业、微机械行业及其他应用领域，产品不断微型化，必将导致零 件需求的增加，如微型接合件、螺栓、引线框、插口以及各式各样的微型连接元 件等，图1 4 展示了微挤压成形的多种微型零件。 图1 4 微挤出成形件1 1 2 】 f i g 1 4m i c r o - e x t r u s i o nf o r m i n gd r i pm o l d i n g 随着近年来电子及精密机械的高速发展，微型工件需求不断增加，研究高精 度低成本微成形工艺有重要意义。但是微器件工业应用中比较普遍的是5 0 0 h m 到 5 0 0 比m 范围内的成形加工，微成形技术在工业生产中仍受尺寸限制。 1 2 3 微挤压成形研究进展 由于原始材料可以通过拉伸，很容易得到直径为几十微米的线材，然后被切 割成小圆柱体，作为塑性微成形原始坯料，使得微挤压成形工件有着广泛的应用 【1 3 】。微挤压成形研究主要进行微连接器、螺钉、项杆、弹簧、齿轮、阀体、泵和 叶片等微型零件的精密成形研究【1 4 1 。在工艺方面主要表现在微锻造和微挤压等方 3 超高应变率下的激光冲击微挤压成形基础研究 面，下面主要介绍微挤压的研究现状。 日本学者s a o t o m e 从2 0 世纪9 0 年代初就开始对超塑性材料的微挤压成形进 行系统研究，开发出超塑性正反微挤压设备，集合了微模具、加热器、压电陶瓷 和微传感器等部分，如图1 5 所示。成功生产出模数为2 0 m 、节距圆为2 0 0 t m 的 高强度非晶齿轮，以及模数为5 0 t m 的微齿轮轴【1 5 。1 9 】。 ( a ) 正挤压设备( b ) 反挤压设备 图1 5 超塑性微挤压设备 ( a ) m i c r oe x t r u s i o nm a c h i n e( b ) m i c r ob a c k w a r de x t r u s i o nm a c h i n e f i g 1 5m i c r os u p e r p l a s t i ce q u i p m e n t ( a ) 侧视图( b ) 正视图 图1 6 利用等径弯曲通道挤压处理后的a z 3 1 合金挤压出的微型齿轮轴 ( a ) s i d e v i e w( b ) f r o n t v i e w f i g 1 6s e mm i c r o g r a p h so fam i c r o - g e a rs h a f te x t r u d e df r o mt h ee c a p e da z3 1a l l o y 德国学者u e n g e lj l 匣过筒形件反挤压和径向挤压实验对直径为0 5 m m 的铜合金 c u z n l 5 和钢x 4 c r n i l 8 1 0 进行了实验研究，结果表明：通过加热能够提高材料的 流动性、硬度分布的一致性，并降低了工艺参数分散性【冽。韩国学者w j k i m 和 y k s a 将中1 4 5x1 0 0 m m 的a z 3 1 镁合金坯料在5 3 3 k 的温度下保温3 0 m i n 后，以 4 m m s 压入内角为= 9 0 。外角为v = 3 0 。的等通道角挤压模具中，6 道次等径弯曲 通道挤压后，晶粒尺寸、均匀伸长率和总伸长率显著提高，而屈服强度显著降低。 用经过等径弯曲通道挤压处理过的坯料在2 6 0 和3 0 0 温度下进行微型齿轮挤压 4 江苏大学硕士学位论文 实验，2 6 0 温度下挤压结果如图1 6 所示，齿轮模数0 1 8 m m ，节圆直径1 4 4 m m ， 齿顶圆直径1 8 r a m ，挤压长度5 m m ，齿表面与凹模内表面相吻合【2 1 1 。 美国西北大学的学者j c a o 等【2 1 , 2 2 】开发了微挤压设备，使用分割模具进行微成 形实验，并研究了微挤压中的摩擦行为、尺寸效应及摩擦系数测量方法【2 3 1 。使用 上述装置挤压出直径1 3 3 m m 到5 7 0 m m 的微型针脚，实验与有限元模拟结果比较 发现：在材料连续变形假设下，不同尺寸的坯料摩擦行为不一致，微型针脚表现 出尺寸效应。 南航童国权教授【2 4 , 2 5 】对微型黄铜柱体室温下进行了单杯挤压( 反挤压) 和双 杯挤压( 复合挤压) 试验，研究了材料的尺寸、变形程度、变形速率对材料流动 应力尺寸效应的影响规律。上海交通大学的于沪平副教授等【2 7 】设计了微挤压实验 模具和加热及温控系统，并对半固态z l l 0 1 铝合金进行了微型齿轮挤压试验，实 验结果指出温度对零件质量有较大影响。上海交通大学的申昱副教授【冽研究晶粒 尺寸对微型正挤压工艺的影响，获得了微小尺度下材料流动的特点及相关实验参 数。江苏大学【冽对微挤压成形过程进行了数值模拟研究，着重从等效应变分布、 应力分布和挤压力变化等方面来分析挤压速度对微挤压成形的影响。此外，各国 学者还研究了拉拔、轧制、模压等微挤压成形工艺【2 8 1 。 1 3 激光冲击微成形技术 1 3 1 激光冲击微成形技术概述 微机电系统m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) 的产业化极大地推动 了微细加工技术的研究发展【2 9 】。由于激光束可以聚焦到很小的尺寸，因而特别适 合于精密加工。激光微细加工技术是以厚度在1 0 0 “m 以下的各种薄膜为主要加工 对象的激光；a n - r 技术，加工精度可达十微米以下甚至亚微米级【划。 早期的激光冲击成形技术主要研究对象为板材宏观塑性成形。2 0 0 5 年，美国 哥伦比亚大学yl y a o 3 1 】研究了微尺度的板材在激光冲击作用下的成形情况，开展 了铜箔的微弯曲实验和数值分析模拟研究，提出了激光冲击微成形技术的概念。 激光冲击微成形技术综合了激光冲击强化和塑性加工的优点，有望成为微器件制 造领域的革命性技术，具体优势如下【3 2 , 3 3 】： ( 1 ) 与激光热弯曲利用激光热效应使板材成形不同，激光冲击微成形是利用 5 超高应变率下的激光冲击微挤压成形基础研究 诱发等离子体爆炸形成的应力波使板材产生塑性变形，而且因应力波引起板材的 巨大塑性变形可使其微观组织均匀和细化，提高了材料的力学性能。 ( 2 ) 属于半模成形技术，省去了凸模，避免了微塑性成形中微凸模制造、间 隙保证和行程控制等技术难题。激光束作为可控性好的柔性冲头，能使板材达到 高成形精度和对复杂形状凹模的高复模性。 ( 3 ) 激光束直径可达波长级，能量聚焦效果好、强度高，因此适合成形精密 微零件。 ( 4 ) 成形时应变率极高( 1 0 5 s ) ，与电磁成形、爆炸成形等同属高应变率超 快速塑性成形。在惯性效应和材料本构特性的共同作用下，与静态、准静态成形 相比材料的成形极限明显增大。 ( 5 ) 集板料成形和表面强化于一体的复合成形技术，不仅材料表面质量高， 而且能够在材料表面形成残余压应力状态，从而显著提高零件的疲劳寿命、耐磨 性和耐蚀性。 ( 6 ) 可加工的材料类型广泛。包括工业上常用金属、非金属、复合材料等， 可使板材产生拉深、胀形、弯曲等变形，拓宽了冷冲压工艺应用范围。 1 3 2 激光冲击微成形技术研究现状 在激光冲击微成形工艺方面，h s n i e h o f f 等对铝箔和超薄不锈钢板的微成形 工艺进行了研究，考察了激光器类型、离焦量、约束层厚度、冲击次数、激光功 率密度和凹模尺寸等对工件成形高度的影响规律，探讨了板材成形极限问题。图 1 7 为厚度5 0 9 i n 的铝箔在不同冲击次数下获得的成形件。 6 ( a ) 一次冲击( b ) 两次冲击 图1 7 激光冲击微成形所得工件【蚓 ( a ) o n el a s e rs h o c k( b ) t w i c el a s e rs h o c k f i g 1 7m i c r op a r t sb ym i c r o s c a l el a s e rb u l g ef o r m i n g 江苏大学硕士学位论文 激光辐射 图1 8 激光冲击微拉深工艺流程p j f i g 1 8p r i n c i p l e o f m i c r o s c a l el a s e rd e e pd r a w i n g 在激光冲击微拉深方面，e v o l l e r t s e n l 3 5 】建立了图1 8 所示的微拉深工艺流程。 在此基础上，h s n i e h o f f 3 6 】利用t e a c 0 2 激光器实现了厚度5 0 a m 铝箔的微拉深 成形，并发现激光冲击微拉深中同样存在撕裂和起皱等缺陷。e v o l l e r t s e n 等【3 7 】研 究了超薄铝、铜和不锈钢等材料对激光冲击微拉深的工艺适应性，发现从塑性变 形角度考虑，变形能力依次是不锈钢、铜延、铝箔。g c h e n g 等利用激光动态微成 形技术l 比l d f ( m i c r o s c a l el a s e rd y n a m i cf o r m i n g ) 也实现了铜箔的微拉深成形【3 8 1 、 脆性材料的波纹状成形【3 9 】、铝箔的微阵列成形【加】等。g c h e n 9 3 8 】等进一步研究了铜 箔微拉深件的力学性能，结果表明冲击后表面硬度显著提高，冲击中心点处的硬 度值相比冲击前提高了6 8 倍，工件两表面上均产生了残余压应力。c j c h e n g 的实 验结果还发现由于激光冲击微成形技术基于力效应机制，避免了在激光热应力成 形中出现的再结晶、相变等组织问题，从而使板材变形后微观组织形态良好，明 显提高了工件的使用性能【3 8 1 。 在研究激光冲击微弯曲成形过程中，y j f a n 等【4 1 】用功率密度为4 9 5 g w c m 2 的激光冲击两端固定的金属薄带时，观察到工件发生了面向激光束的上凸弯曲变 形，且在工件两表面均检测出残余压应力。y n w a n g 等【4 2 ，4 3 】在y j f a n 实验的基础 上，分别对单晶铝箔和多晶铜箔进行了微弯曲成形实验，发现随着激光功率密度 变化，工件弯曲方向不同，并通过分析得出激光冲击过程中影响工件弯曲方向的 主要因素为：冲击惯性、应力场和弯曲力矩。 1 4 微成形的尺寸效应 随着成形工件的微型化，产生了和传统成形不同的现象：尺寸效应。尺寸效 7 辘i l i 。一 超高应变率下的激光冲击微挤压成形基础研究 应较常用的定义为：在微成形过程中，由于试样整体或局部尺寸的微小化引起的 成形机理及材料变形规律表现出不同于传统成形过程的现象【删。微成形中，一般 把尺寸效应分成两类：第1 类尺寸效应和第1 i 类尺寸效应【4 5 1 。随着试样尺寸的减 小( 几毫米至几十微米) ，材料的屈服应力降低，称为第1 类尺寸效应；当试样尺 寸减小到与材料本征尺寸同量级时( 微米或亚微米) ，表现出应变梯度效应，称为 第1 i 类尺寸效应【矧。 g k i m 4 7 】认为，晶粒尺寸的变化和试样特征尺寸的减小是产生尺寸效应的主要 原因，于是将尺寸效应分为晶粒尺寸效应和特征尺寸效应，如图1 9 所示。针对不 同类型的微器件，特征尺寸的定义也不同，一般认为，特征尺寸为超薄板的厚度 或者微圆柱体的直径。 g r a i ns i z es c a l i n gf e a t u r e s p e c i m e ns i z es c a l i n g ( a ) 晶粒尺寸效应( b ) 特征尺寸效应陴j 图1 9 两类尺寸效应 ( a ) g r a i ns i z ee f f e c t( b ) f e a t u r es i z ee f f e c t f i g 1 9t w o k i n d so fs i z ee f f e c t 1 4 1 晶粒尺寸效应 材料的塑性变形是通过晶粒滑移、转动和变形来实现的，位于材料表面外层 的晶粒与自由表面接触，产生变形的难易程度与位于内部的晶粒是不一样的。随 着晶粒尺寸的变化，这种差异也发生了变化，这样就产生了晶粒尺寸效应【4 9 1 。随 着微器件尺寸的不断减小，单个晶粒对试样的机械性能和变形行为具有很大的影 响。由于晶粒尺寸和位向的不同，从而导致材料呈现出各向异性，出现不均匀流 动，成形再现性差。m g e i g e r 5 0 】领导的研究小组采用杯杆复合挤压实验，系统地 研究由晶粒大小带来的尺寸效应和材料变形不均匀性问题。 1 4 2 特征尺寸效应 与宏观成形相比，微器件的试样尺寸( 特征尺寸) 和相关的工艺参数可以按 比例缩小，但仍有一些参数是不能按比例缩小，如材料微观晶粒度及表面粗糙度 r 江苏，弋学硕士学位论文 等。所以不能将微成形过程简单理解为宏观成形过程的等比微型化，而且在微成 形过程中材料的变形规律以及摩擦等成形性能表现出特殊的变化【5 1 , 5 3 】。 在成形工艺中，描述材料变形行为的参数是流动应力应变曲线，因为这些 参数直接影响到成形力、载荷以及局部变形行为等。德国的m g e i g e r 教授等人【5 2 粕】 利用微拉伸和微镦粗实验系统地研究了尺寸效应及其对材料应力和应变关系的影 响规律，实验结果表明随着试样尺寸的减小，材料流动应力和延展性等参数有所 降低，各向异性增强，属于第1 类尺寸效应现象。 当前最迫切的工作是根据微构件的功能性、复杂性、精密性和微型性，研究 能够高效批量化制造微构件的成形新方法和实施手段。激光冲击成形技术的研究 和实际应用已经表明，激光冲击在宏微观塑性成形和改性方面的有效性和应用潜 力【5 7 撕2 1 ，但是针对微构件的挤压成形尚未涉及。 1 5 选题的意义和主要研究的内容 1 5 1 选题的意义 微挤压是微成形的重要分支，本课题以微挤压件为研究对象，借鉴激光冲击 成形，为复杂微挤压件的低成本高质量制造问题的解决提供新方法，是激光微加 工和塑性成形技术的高度融合。对满足成形精度和成形质量、丰富高应变率成形 技术、研制激光冲击微挤压精密成形装置，以及发展微塑性成形和激光微加工理 论具有重要的理论和工程应用价值。 1 5 2 本课题的主要研究内容 课题来源于国家自然科学基金( 5 0 9 7 5 1 2 6 ) 和江苏省自然科学基金重点项目 ( b k 2 0 1 0 0 4 2 ) 。 综观国内外宏微l s f 的研究工作，研究内容主要偏向工艺，理论和模拟相对 薄弱，应用场合狭窄，现有工艺只适用于板料成形处理，而且对如何消除冲击波 热效应并实现均匀加载缺乏深入研究，针对 _ t l s f 超快激光与物质的相互作用机 理、冲击应力均匀加载机制、超高应变率快速塑性变形理论等方面的研究还较分 散和欠深入，制约了l s f 系统理论和方法的形成。综合考虑后确定本课题的研究 内容为： ( 1 ) 根据激光冲击微成形特征、微挤压变形和工艺特点，研制微成形装置。 9 超高应变率下的激光冲击微挤压成形基础研究 ( 2 ) 考虑材料和变形的非线性、尺度效应和动态屈服强度的影响，建立考虑 超高应变率和尺度效应的本构模型，以及在超高应变率加载和微挤压模约束作用 下的多尺度数值分析和理论模型，进行动态形变过程中的应力应变分布、材料流 动和成形性能等方面的分析研究，为超高应变率下的微挤压成形奠定理论基础。 ( 3 ) 在理论模型和数值模拟的基础上进行试验研究，分析设计的可行性。 1 6 本章小结 本章对微成形技术进行了概述，主要介绍了微成形的种类、技术发展以及微 挤压的研究进展；对激光冲击微成形技术进行了概述并总结了国内外研究现状； 重点介绍了微成形的尺寸效应；最后说明了本课题的研究意义和主要内容。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章超高应变率下的激光冲击微挤压成形机理分析 2 1 引言 近年来以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机电系统，受到人们的高 度重视并大量应用于航空航天、精密仪器、生物医疗等领域【6 3 6 4 。自1 9 6 3 年发现 脉冲强激光与金属靶材作用会在表面形成等离子体区域并产生应力波的现象以来 【6 5 1 ，国内外一直高度重视对激光冲击强化l s p 技术的研究和应用。激光冲击微成 形( g l s f ) 方法，是利用超快短脉冲激光冲击所特有的超高压、超快、超高应变 率等效应，由激光在约束介质中诱导的等离子体爆轰波产生的冲击力实现微纳尺 度的塑性变形的技术。激光与材料相互作用的物理力学基础，本质上是电磁场( 光 场) 与物质结构的相互作用，尤其是相互共振作用及能量转换过程的原理。超高 应变率下的激光冲击微成形既涉及到激光冲击成形，又涉及微挤压成形。其原理 如图2 1 所示。本章主要阐述激光冲击成形理论以及挤压成形理论。 约柬层 曩收层 压鬣 盘曩尊重 凹曩 图2 1 超高应变率下的激光冲击微挤压成形示意图 f i g 2 1t h ed i a g r a mo fl a s e rs h o c km i c r o - e x t r u s i o nu n d e ru l t r a h i g hs t r a i nr a t i o n 2 2 激光诱导冲击波成形机理分析 2 2 1 激光冲击的两种物理模型 1 9 6 1 年美国j e m i c h a c e l s 发现脉冲激光辐射在材料表面能诱导产生高强度的 冲击波。其产生过程是：高功率激光脉冲辐射在材料表面，材料表面层发生气化 爆炸，从而形成一个高强度冲击波。利用强激光诱导产生的超高压冲击波已应用 于激光冲击强化处理和惯性约束聚变等工程领域。激光冲击强化处理是利用激光 诱导的超高压冲击波冲击金属表面，从而提高材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能 力的一种高新技术。激光诱导的应力波作为材料强化的能量源，由于冲击波峰值 应力大于材料的动态屈服强度，使金属表面发生塑性变形并产生密集、均匀以及 1 1 超高应变率下的激光冲击微挤压成形基础研究 稳定的位错结构。在金属表面层形成了残余压应力，提高了金属零件的强度、耐 磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。一般认为，对这种持续时间极短( 约2 0 4 0 n s ) 的脉 冲激光，能量是在材料中弥散( 热传导产生的损耗可以忽略，其作用是辐照区的 力学效应) 。为获得理想的激光冲击波压力，常采用两种不同物理模型，第一种是 激光直接辐照在金属靶材上，即所谓的非约束模型，第二种是在金属靶上加黑色 涂层和透明约束层，把这种模型称为约束模型【6 6 1 。 非约束模型又称直接烧灼模型，如图2 2 ( 幻所示，激光束直接辐照在置于真空 或空气环境中的靶材表面上，靶材表面直接受到激光束的辐照，被辐照区域表面 很薄的一层物质( ，约1 0 2 0 转m ) 被瞬间加热汽化并形成等离子体云，逆着激光入射方 向高速喷发形成冲击波，但结果发现这种模型所获得的冲击波压力不高( m p a 量 级、，而且在辐照过程中等离子体的加热和冷却对激光能量的响应很快，冲击波持 续时间与激光能量的持续时间基本一致，故冲击波持续时间与激光脉宽基本相等。 另外，由于激光直接跟靶材表面相互作用，降低了靶材表面质量，反而破坏了基 体材料性能【6 7 1 。 1 11 1 黝 1 11 卜：约表层 嬲 ( a ) 非约束模型( b ) 约束模型 图2 2 激光冲击的两种物理模型 ( a ) u n r e s t r a i n e dm o d e lc o ) r e s t r a i n e dm o d e l f i g 2 2t w o k i n d so fp h y s i c a lm o d e lo fl a s e rs h o c k 约束模型是为了提高冲击波的压力，o k e e f e 等在材料的表层涂一层透明的气 化物质，而a n d e r t h o l m 则把金属箔和透明固体贴在金属靶上，直至后来a h c h a u e r 等采用在金属靶材上加上黑色涂层和透明约束层，建立了激光冲击的约束模型( 图 2 2 ( b ) ) 。约束模型对非约束模型的冲击压力产生机制进行了修正，首先，在金属材 料表面覆盖一层对激光不透明的物质( 通常为黑色涂层) ，然后再在其基础上加上 对激光透明的物质作为约束层，当激光束穿过透明约束层后，激光能量被不透明 的黑色涂层吸收，黑色涂层在激光作用下形成等离子体，不但有效抑制激光对金 属表层的热影响，而且保护了被冲击工件。另外，由于约束层的存在，产生的等 1 2 江苏大学硕士学位论文 离子体会持续吸收剩余的激光能量，增加了等离子体对激光能量的吸收率，从而 延长了等离子体的加热时间。与非约束模型相比，约束模型下冲击波峰值压力达 到1 0 g p a ，激光冲击波的脉宽也提高到非约束模型下激光脉冲宽度的2 3 倍【吲。 2 2 2 等离子体冲击波产生的物理过程 ( 1 ) 板材对激光能量的吸收 激光与材料的相互作用是与入射光被材料反射和吸收相关的。部分辐射在材 料表面的激光被反射，而其余部分被吸收至材料内部。在假设金属板材表面的涂 层仅起到提高金属表面对激光的吸收率的条件之下，将金属板材和吸收涂层视为 一个整体，并仅考虑金属板材的热物理特性。当激光能量被板材吸收后，其强度 减弱，所吸收的激光功率密度，在金属板材内部按布格拉姆尔定律变化 醯】： 心) ：厶彳e 一聃：吐 ( 2 1 ) 式中： 厶入射光辐射到材料表面的激光功率密度 z 从材料表面算起的深度，以材料表面向内为正 ( z ) 激光在介质中的吸收系数 a 一材料的吸收系数 公式( 2 1 ) 适用于各种不同类型的材料，式中参数a 和的具体值，对不同 材料来说具有很大的差别，因为光的吸收和转换机理不同。a = 1 一b ( b 为反射率) ， 对大部分金属进行实验，其反射率在7 0 - 9 0 之间。当材料表面与空气分界， 且光波为正入射时，b 可由下式估算【6 9 】 b ：! ! 二生笙 ( 2 2 ) ( 1 + ，z 1 2 + k 2 式中，z 和k 是复数折射率的实数和虚数部分，对于非金属材料k = o 。通常，导 电率高的金属材料对光波的反