（材料加工工程专业论文）功能陶瓷低电压电磁双向压制的成型机制及模拟研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 功能陶瓷制备过程中的粉末成形环节，对功能陶瓷制件的性能起着很重要 的作用。粉末低电压电磁压制是一种获取高致密、均匀性制品的有效方法。将 低电压电磁双向压制用于功能陶瓷粉末的成型制备是一项新的研究。研究成果 表明，该工艺能够有效地制备功能陶瓷并且能够得到密度分布更加均匀的毛坯 从而获得高性能的功能陶瓷制品。 在成型过程中，由于成型参数较多，单纯地依靠实验分析来系统地获取各 种成型参数对试样性能的影响规律成本较高，本文利用有限元分析软件a n s y s 和m s c m a r c ，针对间接加工模式下的功能陶瓷粉末低电压电磁双向压制进行模 拟研究，系统地分析了各种成型参数对粉末压制结果的影响规律，并用实验进 行了验证，同时与单向压制结果进行了对比分析。 基于电路理论和电磁场的麦克斯韦方程组，利用a n s y s 有限元软件，建立 电磁压制放电电路和电磁场的有限元模型，对电路和电磁场进行模拟分析；通 过对实验参数的模拟，求解出实验过程中线圈上的载荷电流和电磁压力的分布 并分析了各种电路参数对载荷电流和电磁压力的影响规律。 基于粉末的压制理论，采用有限元分析软件m s c m a r c 中专用于粉末模拟的 s h i m a 屈服准则，对粉末材料进行建模，通过设置结构性能参数和动力学参数对 粉末压制进行模拟分析，系统地研究了不同参数条件下，低电压电磁双向压制 时压坯密度分布的特点和规律并与单向压制进行了比较。 通过大量的模拟计算，将所得模拟结果与实验数据进行了对比分析，验证 了计算机模拟的正确性。论文所得到的研究结论对于拓展和深化功能陶瓷低电 压电磁压制的理论，优化电磁成型工艺参数，促进功能陶瓷低电压电磁压制技 术的应用和计算机模拟优化技术的发展具有重要意义。 关键词：功能陶瓷，电磁压制，有限元，粉末 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w d e rc o m p a c t i o ni sav e r yi m p o r t a n tp r o c e s sd u r i n gt h ef a b r i c a t i o no f f u n c t i o nc e r a m i c ，w h i c hm a k e sd e c i s i v ee f f e c tt ot h ep e r f o r m a n c e so fp r o d u c t s t h e l o w - v o l t a g ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i o ni n t op o w d e rp r o d u c t si s 锄e f f e c t i v em e t h o d t og e th i g hd e n s i t ya n du n i f o r m i t y t h el o w v o l t a g ee l e c t r o m a g n e t i ct w o d i r e c t i o n a l c o m p a c t i o no fc e r a m i c sp o w d e ri s an e wr e s e a r c hb a s e do nt h i st e c h n o l o g y t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sm e t h o dc a nb eu s e dt op r e s st h ec e r a m i c sp o w d e re f f i c i e n t l y a n dt h ed e n s i t yi sm o r eu n i f o r mt h e nt h ep r o d u c t sc a ng e te x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s i nt h ep r o c e s so fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i o n , t h e r ea r es om a n yp a r a m e t e r s t h e r e f o r eo n l yw i t ht h em e t h o do fe x p e r i m e n tt og e tt h ei n f l u e n c eo fe a c hp a r a m e t e r o ns a m p l e sp r o p e r t i e si sn o te c o n o m i c a l s o ，t h i sa r t i c l eu s e st h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sa n dm s c m a r ct os i m u l a t et h ep r o c e s so fl o w - v o l t a g e e l e c t r o m a g n e t i ct w o d i r e c t i o n a lc o m p a c t i o no nf u n c t i o n a lc e r a m i c sp o w d e ri nt h e m o d eo fi n d i r e c tw a y ，t h e nt h ei n f l u e n c er e g u l a r i t yo fe a c hp a r a m e t e ro ut h e c o m p a c t i o nr e s u l t sh a db e e na n a l y z e ds y s t e m i c a l l y i nt h ea n a l y s i so ft h ec i r c u i ta n de l e c t r o m a g n e t i s m ，b a s e do nt h et h e o r yo fc i r c u i t a n dm a x w e l le q u a t i o n ss e t ，u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t h e c i r c u i ta n de l e c t r o m a g n e t i s mh a db e e na n a l y z e dq u a l i t a t i v e l y , t h e nt h ec u r r e n to nt h e c o i la n dt h ed i s t r i b u t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei nt h ep r o c e s so fe x p e r i m e n th a d b e e nc a l c u l a t e d m o r e o v e r , b yt h em e a n so fs i m u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fc i r c u i t p a r a m e t e r so nc u r r e n ta n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew a si n v e s t i g a t e d a st ot h ep o w d e rc o m p a c t i o np r o c e s s f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em s c m a r ci su s e d t om o d e lt h ep r o c e s s s h i m am o d e lo fp o w d e rm a t e r i a lm o d u l ei nm s c m a r ch a d b e e nu s e dt oe s t a b l i s ht h ef u n c t i o nc e r a m i cp o w e rm a t e r i a lm o d e l i n g ，a c c o r d i n gt o s e t u pt h es t r u c t u r ep r o p e r t i e sa n dd y n a m i cp a r a m e t e r s ，t h ec o m p a c t i o np r o c e s sh a d b e e ns i m u l a t e d t h e no n e d i r e c t i o n a la n dt w o d i r e c t i o n a lc o m p a c t i n gp r o c e s sa r e s t u d i e du n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r s t h er e l a t i v ed e n s i t yd i s t r i b u t i o n so ft h eb i l l e ta r e g a i n e d a f t e rc o m p a r i s o n ，t h ef e a t u r e sa n dr e g u l a r i t yh a d b e e na n a l y z e d t h r o u g hag r e a ta m o u n to fs i m u l a t i o n s ，w ec o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t h t h ee x p e r i m e n td a t e s ，a n dv a l i d a t e dt h ec o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o n t h er e s u l t s l l 武汉理工大学硕士学位论文 o b t a i n e di nt h i sp a p e rm a ye n r i c ht h el o w v o l t a g ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i o nt h e o r y a n dc r a f t ，p r o m o t et h ea p p l i c a t i o n so fi ta n di m p r o v et h ed e v e l o p m e n to fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nf o rf u n c t i o nc c r a r n i c sp o w d e rf o r m i n g t h i si so fs i g n i f i c a n t k e y w o r d s ：f u n c t i o nc e r a m i c s ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i o n ，f m i t ee l e m e n t ，p o w d e r i l l 独创性声明 本人声明，所旱交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电磁成型( e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ) 是一种高能率成型方法，它是通过高压 储能电容对线圈瞬时放电产生强脉冲磁场，使坯料在冲击电磁力作用下高速成型。 其成型速度高导致材料的塑性提高，无须传压介质，能在高温下、惰性气体或真 空中加工，可方便准确的控制能量，操作简单，生产率高，环境污染少等优点， 因此有很好的应用前景和研究价值【”】。 低电压电磁成型( l o wv o l t a g ee l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ) 是将传统高压电磁成 型的电压从数于伏甚至几万伏降低至数百伏，通过增加电容来保证成型所需的放 电能量，这样，设备复杂程度降低，体积大为减小，制造成本显著下降，使用安 全性和可靠性明显提高，成型线圈寿命也因放电电流幅值减小而有效延长。该技 术始于2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，主要用于不会产生磁垫效应和加载速率不宜 太高的场合。目前，美国e l e c t r o i m p a c t 公司已研制出工作电压在1 2 0 0 v 以下的电 磁铆接( e l e c t r o m a g n e t i cr i v e t i n g ) 设备，在n o a h 、b e o i n g 、a l c o a 、l o c k h e e d 、t e x t r o n 、 d o u g l a s 、u v 、b r i t i s ha e r o s p a c e 、c h e s t e r 、a v i o n s m a r c e l 等公司得到了生产应用1 4 j ， 成功地解决了铝合金铆接时因加载速率过快而出现微裂纹的问题：国内西北工业 大学于9 0 年代中期开始进行低电压电磁铆接的研究工作，已将放电电压降至4 5 0 v 以下；我校在开展高压电磁成型研究工作的同时，对低电压电磁成型技术也作了 一些探索，率先将其用于金属粉末的压制成型，并获得了相对密度达9 9 的制品 1 5 - 8 。 功能陶瓷作为电子信息、集成电路、计算机、通信广播、自动控制、航空航 天、海洋超声、激光技术、精密仪器、机械工业、汽车、能源、核技术和医学生 物学近代高新技术领域的关键材料，已广泛应用于能源开发、空间技术、电子技 术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等诸多 方面。随着材料设计理论的发展和制备技术上的创新，功能陶瓷正朝着高效能、 高可靠、低损耗、高灵敏、智能化和功能集成化方向发展，是当今材料科学研究 和发展的前沿领域之一1 9 4 0 1 。目前，功能陶瓷制品仍多采用静力压制后烧结( 或加 压烧结) 的成型方法，由于粉料颗粒自身及颗粒与模壁问的摩擦力妨碍了压制力 的传递，导致坯体内各部分密度分布不均：另一方面，由于模具强度的限制，压 武汉理工大学硕士学位论文 制密度也难以提高，这些因素直接影响了功能陶瓷制品的质量和性能1 1 ”。 用高能率强冲击载荷压制陶瓷粉料是提高压实密度与致密均匀性进而获取高 性能陶瓷制品的有效途径。1 9 5 2 年，美国凯那金属公司将t i c 、t a c 与n i 粉混合 密封在金属袋中，置于3 5 5 m m 口径的大炮尾部，用炸药在炮膛内爆炸所产生的冲 击波使粉末受压成型，研制出金属陶瓷喷气发动机叶片【”i ，此后，各国学者及工 程技术人员纷纷对此展开研究，研究成果对提高超硬粉末压制密度和生产一般压 力机无法压制的大型预成型件起了重要作用【1 2 4 1 。但由于爆炸压制( e x p l o s i v e c o m p a c t i o n ) 存在工艺重复性差、自动化程度低和安全性较差等问题，限制了该工 艺的推广应用。 1 9 7 6 年，c l y e n s 、j o h n s o n 和a 1 h 勰s a n i 【1 5 】率先将电磁成型的相关技术引入粉 末材料压制，用放电压制法( e d c ，e l e c t r i c a ld i s c h a r g ec o m p a c t i o n ) 压制出棒料、 条料和形状更为复杂的制件1 1 6 1 ”，通过筛选粉末粒度，他们还成功地制造出具有 尖角的棒料和条料【1 s l 。该方法不仅有效克服了爆炸压制的局限性，而且利用电磁 场的收缩效应( p i n c h e f f e c t ) 和电流的热效应将压制与烧结过程融为一体，但因 高频电流的趋肤效应，仅靠电磁场的收缩作用尚不足以加工出均匀的高密度制品。 d a r v i z e h 1 9 l 采用在轴向施加预压力后再进行放电压制，获得了钨铬钴硬质合金的焊 接棒；a l p i 加j 将放电压sr j ( 2 0 k v ，1 断f ) 和动态压制( d y n a m i cc o m p a c t i o n ) 结合在 一起，采用放电冲击压制，提高了制品压实密度和均匀性，并在冲击压力达到最 大时进行放电，得到了机械性能优良的制品。至2 0 世纪9 0 年代，在此基础上发 展起来的将压制和烧结过程集成在一起的放电加压烧结( p d p s 或p a s ，p u l s e d i s c h a r g e p r e s s u r e s i n t e r i n g o r p l a s m a a c t i v a t e d s i n t e r i n g ) 开始广为人们所关注。用 这种方法已成功的实现了多种超硬材料、难熔合金、金属陶瓷及梯度功能材料的 成型加工【2 1 铡，制品具有很好的晶相组织，残余应力极小，无微裂纹，耐磨性和 抗冲击性很好。不足之处是设备成本较高，制作复杂，既需机械传力系统，又要 产生脉冲电流的装置，对模具材料损耗也较大。 利用低电压电磁成型技术实现对功能陶瓷粉末的压制，是电磁成型技术新的 发展1 2 6 】。大量实验证明该方法能够成功地对功能陶瓷粉末进行压制，而且能够大 大提高功能陶瓷制品的质量。低电压电磁双向压制是在前期单向压制工作的基础 上，结合传统的提高粉末致密性、均匀性以及压制制品质量的双向压制方法而提 出的一种新的功能陶瓷成型工艺，是对前阶段研究工作的总结和深入，其结果对 低电压电磁成型技术在功能陶瓷压制中的应用和发展有一定的研究价值。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 电磁成型研究概述 由法拉第电磁感应定律可知，在导体中加载一个交变电流可以使导体周围产 生一个交变的磁场，并且如果在导体旁边还有其它导体，就会在该导体中产生一 个感应电流。又由安培定律可知，产生感应电流的导体在原导体所产生的交变磁 场作用下会产生一个电磁作用力。电磁成型加工技术就是基于此原理而提出的， 利用该电磁力对材料进行直接或间接加工的技术。 1 2 1 电磁成型研究概况 早在2 0 世纪2 0 年代，物理学家k a p t i l a p 在脉冲磁场中做实验时发现，形成 脉冲磁场的金属线圈易胀大、胀破，这一现象启发了人们对电磁成型原理的思考。 5 0 年代末，美国通用电力公司在日内瓦举行的第二次国际和平原子能会议上， 展出了世界上第一台电磁成型机。 6 0 年代初，美国、前苏联、英国、日本等国家相继开展了电磁成型技术的研 究和推广应用，电磁成型设备第一次用于工业生产；6 0 年代中期，出现了储能为 5 0 、2 0 0 、4 0 0 k j 的电磁成型机。此后，电磁成型技术逐步在航天、航空、汽车、 电器、化工、医药等工业部门得到应用。例如反射灯罩成型、弹壳成型、打火机 壳体成型、发动机整流罩成型等，都采用了电磁成型加工方法，不仅大大降低了 成本，而且提高了加工件的可靠性和使用寿命； 7 0 年代中期，全世界已有4 0 0 多台电磁成型机运行在生产线上，1 5 0 个以上 的工厂使用这种工艺，多数机器用于大批量生产，有的机器已经运行了5 0 0 万次， 这些设备的脉冲电流峰值一般为1 0 0 4 0 0 k a ，放电周期在1 0 0 i s 左右。 8 0 年代初期，电磁成型技术已在美国、前苏联、日本等国的工业生产中得到 了广泛的应用，电磁成型机的制造已经系列化、标准化。能够加工零件的最大尺 寸己达1 2 0 0 r a m ( 直径) x 1 0 0 0 m m ( ：度) x 6 m m ( 厚度) 。如美国m a x w e l l 公司生产的各 种m a g n e f o r m 设备已遍布美国、日本的十几家大公司的1 5 0 多个生产厂家。 9 0 年代至今，电磁成型技术得到了迸一步的发展。在美国俄亥俄州立大学， 电磁成型在线圈的设计、成型机械设计、成型压力分布研究等众多方面得到了飞 速发展。 在我国，关于电磁成型技术的研究工作起步较早。早在6 0 年代初期，中科院 电工研究所就曾组织力量系统地研究过电磁成型工艺及设备，并取得了一些成果， 但由于历史原因该项研究工作度被中止，原有设备也已不存在了。7 0 年代末， 3 武汉理工大学硕士学位论文 啥尔滨工业大学再次组织力量进行电磁成型设备与工艺的设计、研究及开发工作， 并于1 9 8 7 年成功研制出了7 2 i o 的电磁成型机；9 0 年代中期，哈尔滨工业大学与 兄弟单位合作，分别为上海航天局、北京机电研究所开发研制出3 0 k j 的电磁成型 设备；兵器部5 9 所、中南工业大学、东北大学等单位也通过合作，研制出了电磁 成型机。我校也相继成功地研制了w g i 、w g i i 型样机和w g i i i 型低电压电磁 成型机样机。 1 ，2 2 电磁成型的工艺特点 电磁成型( e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ) 是利用瞬间的高压脉冲磁场对制件进行 间接或直接加工的新工艺。由于加工方式的不同，该成型方法与传统工艺在众多 方面都表现出了巨大的差异： 1 制件的成型能力得到加强 传统的加工工艺一般是采用机械力对制件进行加工，整个加工过程可以被看 作是准静态的，制件受到的载荷随时间的变化比较缓慢。而电磁成型的过程中， 制件只在开始加工的几毫秒内受到强电磁脉冲力作用，属于高能率成型方法，整 个成型过程惯性力起到了主导作用。由塑性动力学原理可知，在高速成型时，材 料的力学性能可以得到很大程度的提高。因此，部分在传统加工中很难成型或者 不能成型的制件，通过电磁成型的方法可以使其成型。 图卜i 铝板拉深成型结果 图卜1 是美国俄亥俄州立大学实验室的实验结果，左侧是用机械加工的方式 进行拉深制成的制件，右侧为利用电磁成型工艺通过多次放电拉深后得到的制件 1 2 7 - 2 8 1 。从图中可以清楚地看到，在同一材料上，左侧制件的拉深深度明显小于右 侧的制件，但是左侧的制件已经发生破裂现象，而右侧的制件依然完好。 2 成型过程易控制 传统高能率成型方法还有爆炸成型。爆炸成型在爆炸瞬间能够释放巨大的化 学能作用于工件，亦属于高能率成型方法，能加工一些传统工艺不能加工的制件， 4 武汉理工大学硕士学位论文 例如金属球形容器( 又名球罐) 等。但是，该工艺存在着致命的缺陷：能量不 易控制、安全性较差。 电磁成型是通过将电能转化为机械能进行加工的。由于电能可以通过电器组 件得到很好地控制，因此该工艺在能量输入控制方面可以得到很好的保障。而且 可以通过选用和设计不同的线圈来控制磁场力的分布，控制工件在不同几何位置 的受力，提高电能转化的转化效率和线圈的使用寿命。图卜2 和图卜3 是美国俄 亥俄州立大学实验室的实验结果【2 7 瑚】，图卜2 是几种比较典型的平板线圈。图卜3 是这几种线圈产生的电磁力分布的情况 ( a ) 三棒状线圈( b ) 密绕圆线圈( c ) 匀压力线圈 图卜2 三种平板用电磁成型线圈 ( a ) 三棒状线圈( b ) 密绕圆线圈( c ) 匀压力线圈 图卜3 三种线圈产生电磁压力分布 从图卜3 中可以看出，三棒线圈( a ) 中间棒的磁压力最大。圆饼状线圈( b ) 在中心和边缘之间的中间处压力最大。而匀压力线圈( c ) 的磁压力几乎是均匀的。 因此，根据不同的工艺要求来选择不同的成型线圈，可使放电能量的大小和分布 得到有效的控制，同时能使电磁力得到有效的利用。 此外，通过对该工艺理论研究的不断深入，在具体成型能量的控制方面也有 武汉理工大学硕士学位论文 了很大的突破。此外，计算机和电子技术的崛起，更方便了对电磁成型能量的精 确控制。 3 其它优点 由于电磁成型过程中，电流是成型的主导因素。因此，只要精确地控制放电 电流，就能很好地对成型的整个过程进行控制，易于实现自动化。此外，由于该 工艺所需的电磁成型机成本远远小于锻压机、液压机等大型机械，该工艺更具经 济效益。同时，使用的是电能，对环境的污染少，噪音小，有利于保护环境和整 个社会的可持续发展。 1 3 功能陶瓷发展现状 1 3 1 功能陶瓷概述 陶瓷是古老而又新型的材料，通常分为传统陶瓷和先进陶瓷( a d v a n c e d c e r a m i c s ) 两大类。传统陶瓷以天然硅酸盐矿物为原料烧制而成，也叫硅酸盐陶瓷。 与之相区别，人们将近代发展起来的各种陶瓷总称为先进陶瓷，也称为精细陶瓷 ( f i n ec e r a m i c s ) 、高性能陶瓷( h i g h p e r f o r m a n c ec e r a m i c s ) 、高技术陶瓷( h i g h t e c h n o l o g yc e r a m i c s ) 等。先进陶瓷以精制、高纯的化工产品为原料，在化学组成、 内部结构、性能和使用效能等各方面均不同于传统陶瓷。它与传统陶瓷最主要的 区别是具有优良的力学、热学、电性、磁性、旋光性等各种特性和功能，被广泛 应用于国民经济的各个领域，是高新技术产业发展的三大基础材料之一。 先进陶瓷从性能上可分为结构陶瓷( s t r u c t u r a lc e r a m i c s ) 和功能陶瓷 ( f u n c t i o n a lc e r a m i c s ) 。结构陶瓷是指具有力学和机械性能及部分热学和化学功能 的先进陶瓷，在高温下应用的则称为高温结构陶瓷。功能陶瓷是指那些利用电、 磁、声、光、热和力等直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某 种使用功能的先进陶瓷。功能陶瓷是先进陶瓷最主要的组成部分，由于各种功能 的不断发现，在众多高新技术行业有了广泛的应用。就汽车行业而言，对减轻车 辆自身质量、提高发动机热效率、降低油耗、减少排气污染、提高易损件寿命以 及完善汽车智能性功能都具有积极意义。随着电子信息技术的集成化和微型化发 展趋势，电子技术产品日益朝微型、轻量、薄型、多功能和高可靠的方向发展， 功能陶瓷元器件微型化、集成化和多功能化以及高性能低成本化是其发展的总趋 势，这样对功能陶瓷的制备技术提出了更高的要求，不仅单纯地追求材料的高性 能，更需注重低成本和低投入产出比率。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 功能陶瓷粉末成型概况 一般来说，要从性能的改进来改善功能陶瓷材料的性能，需从两方面入手例： 1 1 直接调节材料的组成，优化其内在的品质，方法包括采用非化学式计量、离子置 换和添加不同类型杂质，使不同相在微观级复合，形成不同性质的晶界层等；2 ) 通过改变外界条件，即改变工艺条件以达到获得优质功能陶瓷材料的目的。工艺 条件一般是指原料粉料的物理化学性质和状态、加工成型方法和条件、烧结工艺 和烧结状态，以及成品的加工方法和条件等。 成型是制备陶瓷材料的一个重要环节，粉料成型的技术目的是为了得到内部 均匀且密度高的素坯【3 0 】，故而对制品性能有很大的影响。过去，陶瓷材料学家比 较重视烧结工艺、而成型工艺一直是一个薄弱环节。随着陶瓷制各工艺的发展， 人们已经逐渐认识到在陶瓷材料的制备工艺过程中，除了烧结过程之外，成型过 程也是一个重要环节。目前粉末成型主要可分为传统机械压制和新兴压制两种方 法。 传统的成型方法主要有干压成型、等静压成型等，这类成型方法均基于静力 压制后烧结的成型模式。 干压成型是将经造粒的配料，通过成型压机和模具，把拌有一定量有机添加 剂的粉料压制成具有一定几何尺寸坯件的方法，是应用最广泛的一种成型方法。 然而由于在压制过程中，粉末颗粒之间、粉末与凹模壁之间存在摩擦，使压制压 力受到损失，利用这种成型方法加工制得的坯体不可避免地存在密度和强度分布 不均匀的问题，直接受压端的压力大、密度大，远离加压一端的压力小、坯体密 度小。虽然通过对加压方式的改进，把单面加压调整为双面加压，使坯体两端直 接受压，但坯体中间的密度还是较胚体两端的小。 等静压成型是应用巴斯克原理使粉料成型的一种成型方法，即在充满液体的 密闭容器内使液体介质受压，由于液体有不可压缩性和均匀传递压力的特点，压 力将传递到液体内各点，且各点压强相等，该方法也称为静水压成型。在粉末压 制成型中，等静压成型可分为湿袋法和干袋法两种。湿袋法是用弹性橡胶或塑料 做成所需形状的模具，将粉末装入其中，放入上述密闭容器内加压。由于橡胶模 具周围完全被液体包围，模具中的粉料在各个方向相等压力的作用下一边压缩一 边成型，因而可得到在各个方向上被均匀压实的坯体，该坯体的密度高、均匀性 好。但是由于其独特的加工方式，该方法操作较复杂、工艺连续性较差、不易于 实现自动化。干袋法是在湿袋法的基础上提出的，它也是利用液体作为压力传递 介质，但压力只施加于柱状模具的外壁，模具轴向基本上不受力。利用该方法获 武汉理t 大学硕士学位论文 得的坯体，压力和密度分布均匀，显微结构具有各向同性的特点。通过这种方式， 可以极大地提高生产效率并且可实现大规模的自动化生产，但是同时也存在着投 资大，操作复杂，容器及其它高压部件需要特别防护等缺陷。 新兴压制方法主要有爆炸压制等。这类成型方法，均是采用较新的工艺方法 对粉末进行压制，都属于高速成型范畴，因此在成型机理上不同于传统工艺，在 坯件质量上也因工艺方法、成型条件而各异。 爆炸成型足将爆炸时产生的冲击波施加于粉末使之受压成型的一种工艺。 爆炸压制的优点有三个方面：首先，可以代替传统的等静压工艺，避免了其所 需的昂贵设备。当炸药爆炸后，在极短的时间内( 几微秒) 产生的冲击压力可 达1 0 6 m p a ( 相当于1 千万个大气压力) 。这比普通压力机上压制粉末的单位压 力要大几百倍甚至上千倍。巨大的压力可以直接用于压制超硬粉末材料和生产 一般压力机无法压制的大型预成型件。其次，它可以达到更高的密度而不需加 热。这对于要求红硬性好的高温刀具材料无疑是一种良好的选择。对一般的粉 末，爆炸压制相对密度极高，如电解铁粉，可达到纯铁的理论密度；钛粉的压 制密度达9 7 以上，可作真空电弧熔炼的钛电极。第三，爆炸压制时，制品的 尺寸不受设备的限制，能够制造出形状复杂的零件，这些零件轮廓清晰，尺寸 公差比较稳定，生产成本低。但是受其工艺的影响，成型过程不易控制、安全 性较差、坯件密度分布不均等问题限制了该工艺的推广和应用。 1 4 电磁成型在粉末压制方面的应用 粉末电磁压制是一种利用强脉冲电磁力作用于粉末体使其致密化的高能率成 型新工艺。其原理是借助于磁脉冲装置，使电容器组通过套有或附近装有坯料的 感应器放电，以产生脉冲磁场。在坯料中的感应电流磁场和感应器中的电流磁场 产生相互作用力，从而把贮存的能量供给加工的坯料。 现以管状粉末电磁压制阐述其原理，如图1 2 所示，当高压放电开关k 闭合， 储能电容组c 对螺线管工作线圈放电，冲击电流i 在线圈周围形成一强脉冲磁场b ， 由于穿过金属管的磁通量发生急剧变化，金属管和粉末体内会产生感应电流j 。形 成磁场b ，其反向磁通阻止初始磁通穿过金属管，迫使磁感应线密集在线圈和金 属管的白j 隙内，即b 、b 在线圈和金属管之间方向相同而得到加强，其它地方相互 抵消。线圈及金属管合成磁场的轴向分量( b z + b ? ) 作用于感应电流j ，使金属管 受到沿半径向内的冲击压力p ，而合成磁场的径向分量( b ，+ b ，) 则产生轴向电磁 力p ：。管件质点在脉冲力p z 、p ，的作用下作高速运动，以惯性力冲击粉末体，完 8 武汉理工大学硕士学位论文 成最后粉末压实。在此过程中，如果磁场渗透过金属管，就会在粉末体内也激发 出电动势，击穿粉末颗粒之间的氧化物使粉末体内也产生电流，一方面，电流的 热效应和击穿氧化物所产生的热量使粉末颗粒局部融化，起到了烧结的作用；另 一方面，粉末体内的电流也会使之受到电磁力的作用而使粉末压实。用这种方法 压制时，由于趋肤效应，磁场较难渗透到粉末体内，所以中心部分可能压制不足， 故适于加工外形复杂或中空的零件，如各种齿轮、齿环、轮毂等。 c 储能电容组；k - 放电开关；l 螺旋管线圈； 图1 4 管装粉末电磁压制原理 最初，英国曼切斯特大学理工学院把电磁成型的思想引入到粉末压制中时， c l y e n s 、j o h n s o n 和a 1 一h a s s a n i i ”j 是采用的直接放电压制( e d c ) ，即不通过线圈， 储能电容组直接对粉末体放电，瞬间的电能释放，使金属粉末颗粒表面的氧化层 被击穿，在金属离子之间形成金属键，同时，在电磁场的“收缩效应( p i n c he f f e c t ) ” 下，粉末体沿半径方向收缩，从而使之压实。d a r v i z e h 和a l p 等在显微镜下对e d c ( 8 k v ，9 吮f ) 试样进行分析，发现试样截面上有孔洞，致密化程度从中心到 表面逐步降低；他们认为粉末体中心产生足够高的温度是中心致密化的必要条 件；电磁收缩效应产生的径向压制力致使试样直径减小；在粉末颗粒之间形成 缩颈阶段，而且还使得融化了的金属喷射出来，填充邻近区域的空隙；而在粉 末体表面，这种机理由于收缩效应较弱和温度较低而逐渐减弱。他们还认为， 由于金属粉末都是被一层氧化物或渗入物所包裹着，正是这层薄膜对粉末体试 样的电阻起主要作用，所以在其上产生了大量的热，使颗粒之间相互接触的地 方开始融化，在电磁力及热运动的作用下，这层薄膜被撕碎，从而导致了在颗 粒之间形成液态的缩颈和在金属离子之间形成金属键，所以e d c 的实现完全依 靠这层包围粉末颗粒且导电性不好的薄膜。e d c 法可被应用于加工较长棒料、条 料和其它复杂形状( 如弯曲棒料) 的粉末制品( 传统的压制方法加工则很难实现 9 武汉理工大学硕士学位论文 或成本较高) 。但由于电磁场的收缩效应还不足以加工出高致密化的粉末制品。于 是人们对之不断的加以改进，d a r v i z e h 3 2 l 等曾用在轴向施加较小的压力后再进行 放电压制，获得了钨铬钻硬质合金的焊接棒。t a p 等把e d c 和d c ( d y n a m i c c o m p a c t i o n ) 结合进行粉末压制，讨论了d c 和e d c 组合压制粉末时的粉末成 型机理【2 0 i 。在d c 的不同阶段实施e d c 的结果表明，在d c 的压力达到最大值 时进行放电，制品可得到良好的机械性能。 在e d c 的研究基础上，9 0 年代初，一种将压制过程和烧结过程集成在一 起的放电加压烧结法广为人们所关注。用这种方法己成功的实现了许多超硬材 料、难熔合金、金属陶瓷及梯度功能材料的粉末制品加工。 放电加压烧结法p a s 或p d p s ( p l a s m a a c t i v a t e ds i n t e r i n go rp u l s ed i s c h a r g e p r e s s u r es i n t e r i n g ) 是一种变相的热压加工方法。在粉末体受到压力作用的同时 加以电压，这时电流分别流过模具和粉末体，使粉末颗粒之间产生放电，清除 了颗粒表面的氧化物，粉末体导电后，由于电阻的热效应，模具和粉末体的温 度升高，从而实现压制烧结同时进行。 因为烧结的时间短且温度低于传统的烧结温度，p a s 法制取的粉末试样有 良好的机械性能。玉利信幸近藤等人曾用热压法( h o tp r e s s i n g ) 和放电加压烧 结法分别制取氧化铝一碳化钛的复合陶瓷1 2 2 】，以比较这两种方法所获得制品的性 能差异，结果表明用p a s 法获得粉末制品的机械性能高于h o tp r e s s i n g 法；p a s 法获得复合陶瓷制品中氧化铝的晶格较大，切削性能( 耐磨性和抗疲劳性) 较 h o tp r e s s i n g 法获得的制品好。在放电加压烧结m o s i 和m o s i n b 混合粉末时， 粉末体的温度在瞬间升到1 3 2 2 k ，在此温度下，形成了金属间化合物( n b 5 s i 3 ， m 0 5 s i 3 ，m o s i 2 等相) ，获得制品的相对密度达到9 6 一9 8 ，而且经超声波检测 无内部缺陷【2 3 1 。用p a s 法制取的a i 2 5 s i 3 5 n i 1 m g 合金，洛氏硬度比压 力机获得的高，在电子显微镜下可以看出其晶相组织也有了很大的改善【矧。用 于热电转换系统的热电转换器是一种功能梯度材料，它要求很高的导热性和绝 缘性，但在截面内有极好的电导率，a i k oo h t s u k a 用p a s 法已成功的制出 c u a 1 2 0 3 c u 金属陶瓷，能达到其性能要求，且可进行优化【”1 。用适当芯模，p a s 法也可以用于制造形状复杂的各种中空零件，如齿轮、轮毂等【“j 。在钢表面渗 碳、渗氮等工艺中，热应力可能引起微裂纹和渗层的剥落，用p a s 法制取时， 则可以有效解决这个问题，由于形成了很好的晶相组织，残余应力很小，获得 的制品没有微裂纹，具有很高的耐磨性和抗冲击性1 2 。 放电加压烧结法制取粉末制品的缺点是：设备成本较高，制作复杂，既有 机械传力设备，又需产生脉冲电流的电学设备；对模具材料损耗较大。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 低电压电磁粉末压制原理及试验工装 低电压电磁成形是将传统高压电磁成形的电压从数千伏甚至几万伏降低至数 百伏，通过增加电容来保证成形所需的放电能量，这样，设备复杂程度降低，体 积大为减小，制造成本显著下降，使用安全性和可靠性明显提高，成形线圈寿命 也因放电电流幅值减小而有效延长。 粉末材料低电压电磁压制的基本原理是通过电容器对线圈放电，将贮存在 电容器上的电磁能转变为机械能使粉末压实。实验压制采用间接加工方式，原理 如图1 5 所示，放电开关k 闭合时，平面螺旋线圈中通过强冲击电流i ，此电流在 其周围产生变化的磁场b ，并在驱动片3 上激发感应涡流，感应涡流在其周围形成 感应磁场b i ，感应涡流在b 和b 叠加磁场的作用下对驱动片3 产生幅值很大的电 磁脉冲力，在冲击电磁力作用下推动放大器4 和凸模5 一起向下运动，实现粉末 压制。 k 图1 5 压制成型原理 改用双向压制时，为了确保压制力大小的一致性和施加的同时性，采用同一 组电容同时对两个线圈放电，为了达到上述目的，线圈的匝数和形状以及导线的 长度要尽可能相同，其成型原理如图1 - 6 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 6 双向压制时的成型原理 在单向压制时，其实验工装如图1 - 7 ( a ) 所示，放电线圈2 与座套1 固定在 一起，驱动片和凸模都嵌在放大器中，放大器用于应力波的传递和放大。螺栓9 和螺母1 1 配合实现上模板1 0 和下模板8 的固定。 ( a ) 单向压制( b ) 双向压制 l 一座套；2 - 线圈；3 - 驱动片；4 - 放大器：5 一冲头；6 - 凹模；7 粉末； 8 f ( 右) 模板；9 螺杆；1 0 上 r r r 当 当 当 武汉理工大学硕士学位论文 2 2a n s y s 程序简介 a n s y s 是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型c a e 通用有限 元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能 源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水 利，以及日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统 ( 如：w i n d o w s 、u n i x 、l i n t i x ) 中运行。从p c 到工作站，直至巨型计算机，a n s y s 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容【弘”j 。 2 3 电路模拟 2 3 1 电路模拟过程 对于电路模拟部分，采用c i r c u l 2 4 单元建模，对放电电路进行分析。具体 操作步骤对应于a n s y s 模块可分为以下三个阶段： 1 前处理 ( 1 ) 定义电路单元 分别对电路中的元件进行定义：电阻c i r c u l 2 a ( k e y o p t ( 1 ) = 0 ) 、电感 c i r c u l 2 4 ( k e y o p t ( 1 ) = i ) 、电容c m c u l 2 4 ( k e y o p t ( 1 ) = 2 ) 。 ( 2 ) 设置电路单元实常数 在该模拟分析中，实常数的设置即电参数的设置。分别对限流电阻阻值r 、电 感系数l 、电容容量c 和放电电压u 进行设置。考虑到模型的对称性，简化计算， 在模拟时认为两侧的电阻阻值r 、电感系数l 都是相等的。 ( 3 ) 建立几何模型 单向压制时，可使用3 个节点将电阻、电感和电容串联起来，建立放电电路 模型，如图2 2 ( a ) 所示。双向压制时，在电路中再并联上一个电阻和电感，均 使用c i r c u l 2 4 单元，如图2 2 ( b ) 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 单向压制( b ) 双向压制 图2 - 2 电路有限元模拟模型 在该部分模拟过程中，由于需要模拟实验中各种电参组合下的数据，而模拟 中核心部分的建模、加载、求解设置等均雷同，只是在输入电参数值上有所差异， 因此，可采用编写命令流文件的方式对模拟进行控制。此外为了方便操作，针对 实验过程中采