杜航， 傅波， 唐祥龍， 李朝陽(yáng)

（四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610065）

0 引言

等靜壓成型技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)體系中廣泛應(yīng)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(tǒng)的軸向壓制成型技術(shù)相比，等靜壓成型技術(shù)在一定溫度和壓力下通過(guò)液體介質(zhì)擠壓包膜中的粉體材料來(lái)實(shí)現(xiàn)成型，能夠?qū)⑺瞥傻牟牧系拿芏忍岣?0%～15%[1-3]。粉體材料在成型過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生氣泡、間隙、疏松等瑕疵，因此如何有效地消除粉體材料內(nèi)部瑕疵缺陷、提升其成型致密性是等靜壓成型技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究課題。

等靜壓成型技術(shù)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(shù)是20世紀(jì)初期H.D.Madden發(fā)明，并用來(lái)解決電燈燈絲材料鎢和鉬成型時(shí)存在疏松、間隙、性能分布不均勻的問(wèn)題，隨著高壓技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)50年代中期在工業(yè)中逐步被推廣使用[5]。熱等靜壓技術(shù)是20世紀(jì)中期Battelle實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于燃料元素在原子能反應(yīng)過(guò)程中的擴(kuò)散黏結(jié)，之后在不斷發(fā)展完善中被廣泛應(yīng)用在特種陶瓷制備、粉末冶金等生產(chǎn)領(lǐng)域[6]，如在TiAl合金粉末等靜壓技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[7]中發(fā)現(xiàn)，TiAl合金霧化粉末經(jīng)過(guò)熱等壓及熱處理后，組織和性能得到改善，零件的晶粒更細(xì)小、成分分布更均勻、力學(xué)性能更優(yōu)異。

本研究從改善傳統(tǒng)粉體材料等靜壓成型試件晶粒致密性與均勻性的目標(biāo)出發(fā)，在等靜壓系統(tǒng)中融入超聲加載進(jìn)行輔助成型?；趥鬏斁仃嚪?，對(duì)超聲加載系統(tǒng)核心部件壓電超聲振子進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析；搭建了超聲加載缸，對(duì)粉體材料試件進(jìn)行了超聲輔助等靜壓成型實(shí)驗(yàn)，研究在不同的油液壓力下超聲加載對(duì)粉體材料成型質(zhì)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(nèi)四周均勻安裝4個(gè)壓電超聲振子，組成超聲加載系統(tǒng)。超聲振子將電能轉(zhuǎn)化為超聲頻振動(dòng)的機(jī)械能，通過(guò)超聲振子的前端面向液體介質(zhì)傳遞超聲波，再通過(guò)液體介質(zhì)將超聲波傳播到缸體中心工作臺(tái)上的粉體材料試件的包膜四周，激發(fā)包膜產(chǎn)生高頻微蠕動(dòng)，促進(jìn)包膜內(nèi)粉體材料的流動(dòng)性，從而在等靜壓條件下，減少試件內(nèi)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(tǒng)的設(shè)計(jì)

超聲輔助等靜壓成型的超聲加載系統(tǒng)由4個(gè)20 kHz的壓電超聲振子組成，通過(guò)超聲振子，由超聲電源輸入的20 kHz的超聲電能被轉(zhuǎn)換為20 kHz的機(jī)械振動(dòng)，并向液體介質(zhì)中傳遞超聲波。本研究設(shè)計(jì)的超聲振子的結(jié)構(gòu)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(gòu)成。其中，壓電超聲換能器采用夾心式（Langevin）結(jié)構(gòu)[9-10]，如圖3所示。該類型的換能器相比于磁致伸縮式結(jié)構(gòu)具備更高的電聲轉(zhuǎn)化效率和更優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，且加工工藝更為簡(jiǎn)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(yù)緊力螺栓、絕緣套筒等組成。壓電片兩端施加電源的正負(fù)極呈交錯(cuò)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(tài)，設(shè)計(jì)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(chǎn)生的超聲頻振動(dòng)放大傳輸?shù)焦ぞ哳^，以獲得等靜壓超聲輔助成型所需的超聲振動(dòng)要求。變幅桿和工具頭長(zhǎng)期處于液體介質(zhì)中，因此采用304不銹鋼以滿足抗腐蝕性與導(dǎo)熱性的要求。在本研究中，變幅桿和工具頭做成一體，形成復(fù)合變幅桿的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 復(fù)合變幅桿結(jié)構(gòu)示意圖

運(yùn)用半波長(zhǎng)原理及四六端網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣法，對(duì)換能器的壓電堆長(zhǎng)度、前后蓋板尺寸、變幅桿及工具頭尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)[11]。在優(yōu)化前將計(jì)算得出的超聲振子模型通過(guò)ANSYS Workbench 進(jìn)行無(wú)阻尼自由振動(dòng)模態(tài)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(shè)計(jì)頻率20 kHz相比存在誤差，相對(duì)誤差為0.75%。為了進(jìn)一步減小誤差，對(duì)超聲振子的尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析。優(yōu)化參數(shù)選擇變幅桿軸向尺寸L5、L7，過(guò)渡圓弧半徑R2，工具頭軸向尺寸L8，目標(biāo)參數(shù)設(shè)定為超聲振子的縱振諧振頻率20 kHz。以L5、L7、R2、L8四個(gè)參數(shù)構(gòu)造25組變量組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)獲得最佳的優(yōu)化尺寸。

圖5 優(yōu)化前超聲振子振型云圖

利用Design Exploration模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)超聲振子諧振頻率的影響程度，對(duì)優(yōu)化參數(shù)對(duì)頻率的敏感度系數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，其結(jié)果如圖7所示。分析敏感度系數(shù)圖可知，優(yōu)化參數(shù)中對(duì)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(guò)渡圓弧半徑對(duì)頻率的影響可以忽略。優(yōu)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(duì)誤差降到了0.055%，滿足了設(shè)計(jì)需求。

圖6 優(yōu)化參數(shù)對(duì)諧振頻率的影響

圖7 各參數(shù)對(duì)壓電超聲振子縱振頻率的影響敏感度系數(shù)

圖8 優(yōu)化后超聲振子的振型云圖

3 等靜壓超聲輔助成型實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前述對(duì)超聲輔助成型的原理分析及所設(shè)計(jì)的超聲振子，試制了一個(gè)小型的超聲輔助等靜壓加載試驗(yàn)缸，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括超聲電源計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、WG-1000W 型超聲電源、手動(dòng)增壓泵、所開(kāi)發(fā)的等靜壓超聲輔助成型加載缸、粉體材料試件等。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及超聲輔助成型加載實(shí)驗(yàn)

基于以上搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用超聲加載系統(tǒng)進(jìn)行輔助等靜壓成型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(jìn)一步研究不同油液壓強(qiáng)環(huán)境對(duì)試件成型結(jié)果的影響。

取尺寸為φ35 mm×30 mm的粉體材料試件3個(gè)，分別按A、B、C進(jìn)行編號(hào)，在超聲加載實(shí)驗(yàn)前，利用JSM-7500F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）分別觀察3個(gè)試件斷面質(zhì)量情況，獲得試件的SEM圖，然后分別對(duì)3個(gè)試件按照表1所示的參數(shù)進(jìn)行超聲輔助等靜壓加載實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：將試件A放入等靜壓加載試驗(yàn)缸，用手動(dòng)泵將試驗(yàn)缸內(nèi)油液的壓力加至5 MPa，然后開(kāi)啟超聲電源驅(qū)動(dòng)超聲加載系統(tǒng)對(duì)試件A進(jìn)行超聲加載，持續(xù)工作10 min后關(guān)閉超聲電源，將試驗(yàn)缸卸壓后取出試件A，使用SEM觀察其斷面質(zhì)量，獲得試件的SEM圖。然后分別對(duì)試件B和C重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，其中試件B的油液壓力為7.5 MPa，超聲加載持續(xù)時(shí)間10 min，試件C的油液壓力為15 MPa，超聲加載持續(xù)時(shí)間10 min。使用SEM觀察相應(yīng)試件斷面質(zhì)量，獲得試件的SEM圖。

表1 超聲輔助等靜壓成型實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖10～圖12展示了A、B、C三個(gè)試件在超聲加載實(shí)驗(yàn)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(jīng)過(guò)超聲加載后，試件斷面質(zhì)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(xì)膩，分布更為均勻。此外，對(duì)比分析在不同油液壓力下超聲加載后的A、B、C三個(gè)試件的SEM圖可知，試件C的斷面質(zhì)量最好，其晶粒間的孔洞最小且最少，晶粒最為細(xì)膩，分布最為均勻，致密性最好，說(shuō)明隨著加載缸油液壓力的增加，試件斷面質(zhì)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(zhì)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(jié)語(yǔ)

基于超聲技術(shù)和等靜壓成型技術(shù)，提出了一種粉體材料超聲輔助等靜壓成型方法，對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析。應(yīng)用傳輸矩陣法，對(duì)超聲加載系統(tǒng)即20 kHz壓電超聲振子進(jìn)行了設(shè)計(jì)，應(yīng)用ANSYS Workbench對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化，確定了超聲振子最終的結(jié)構(gòu)尺寸。搭建了超聲輔助等靜壓成型試驗(yàn)裝置，分別在5 MPa、7.5 MPa和15 MPa的油液壓力下對(duì)3個(gè)粉體材料試件進(jìn)行了超聲加載實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)部的孔洞、間隙等缺陷，使晶粒更細(xì)膩，分布更均勻，致密性更高；同時(shí)超聲加載缸內(nèi)不同的油液壓力會(huì)對(duì)試件的成型質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響，隨著加載缸內(nèi)油液壓力的增加，試件質(zhì)量的改善越明顯。