粉体材料压制成形的超声加载技术研究

　　引 言
　　
　　粉体压制成形是将预先充分混合的复合粉体置于钢制压模内，通过模冲对粉体进行加压，以获得具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。粉体压制成形技术在材料制备和零件制造中具有诸多优点[1-2]:适用多种材料的制备，如难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料等；能压制成需要很少或不需后续机械加工的压坯，工艺流程减少，产品成本降低；可保证材料成分配比的正确性和均匀性；可生产出形状相同的产品，降低了制造成本。所以，粉体成形制品在汽车制造、信息产业、机械制造、石油化工、能源动力、国防装备、航空航天产业等高科技领域得到了广泛的应用，成为国民经济和国防建设的重要组成部分[3-11].粉体成形技术也因此成为国家重点发展的新技术，研制出高性能、高强度的粉体成形制品成为各国研究人员的目标。

　　粉体成形制品的密度和均匀性至关重要，提高成品的密度和均匀性不但能够提高其硬度、抗拉强度、疲劳强度等综合力学性能，还可以提高材料本身的电导率、热导率、磁导率、热膨胀系数等物理性能。高密度的粉体冶金材料还可以使零件有较好的加工性能和较好的加工表面[12-14].因此，围绕如何提高粉体成形制品的密度和均匀性，国内国际的研究人员开展了大量的工作[14-18],推出了温压、爆炸压制、快速全向压制、高速压制、动力磁性压制等粉体压制成型技术，这些技术尽管具有各自的优势，但仍存在着或工艺复杂或价格偏高或成品质量不佳或污染环境等不足（见表 1），亟需探索更高效优质环保的方法。

　　超声波加工技术[19]最早始于 1927 年，随后研究人员开展了超声波应用于材料加工的多项研究和探索。研究证明：在粉体压制过程中施加一定的超声振动，不但可以有效提高压坯的密度和硬度，而且可降低粉体颗粒间以及粉体颗粒与模壁之问的摩擦，提高粉体压坯的均匀性，从而提高粉体成形制品的性能和强度[20-24].由此，国内外研究人员开展了一些针对不同材料的超声压制成形技术的研究工作。目前，超声波压制成形技术研究的对象以金属粉末为主，高分子粉末和陶瓷粉末的超声压制成形技术的研究也取得了一定的进展。

　　1 金属粉末的超声压制技术
　　
　　超声金属粉末压制技术是超声塑性加工技术的一个分支，金属的超声塑性加工效应[25]是 1955年由奥地利科学家 Blaha 和 Langenecker 首先发现的，因此也称为 Blaha 效应，他们在进行锌棒拉伸实验时发现，当对试件或工装模具施加超声波振动时，材料的变形力明显下降。

　　超声振动在材料塑性变形中的作用机制主要表现为体积效应和表面效应[26,27].“体积效应”是指超声振动外场引起材料内部微粒的振动，使材料温度升高、活性增大，出现与材料内部位错有关的热致软化，从而降低材料本身的动态变形阻力；“表面效应”主要表现为超声振动对材料和工具（即材料塑性变形中的加工工具，如挤压杆、挤压模具等）之间外摩擦的影响；同时超声振动引起工具与工件瞬时分离，局部热效应也有利于材料的塑性变形。

　　在体积效应和表面效应的共同影响下，根据李祺等[24]对纯铁粉 700 MPa 压力下，常规压制与超声压制的动态压制曲线结果表明（见图 1），超声压制的上模冲的位移量明显增加，即超声压制下粉体压坯密度高于常规压制的压坯密度，且超声振动可提高粉体压坯的密度均匀性。对于金属粉末，国外在超声压制成形技术的研究开展较早。1984 年，日本学者 Tsujino. J[20]等将大功率超声外场应用于铜粉压制试验，压制坯料高径比<1.其超声的施加方式为：在上、下模冲施加频率为 20 kHz 的持续超声振动，阴模分别施加纵向（沿压制方向）、轴向（垂直于压制方向）和多向（与压制方向呈一定角度）的超声振动，如图 2 所示。实验结果表明，在 200 MPa 的压力下，多向超声外场可以将铜粉压坯密度提高 20%,且坯密度分布更加均匀。1991 年，Tsujino J 等[21]在真空条件下，在铜粉（压坯高径比<0.5）压制过程中施加多向复杂大功率超声外场。实验结果表明，在超声振动作用下，金属粉体压坯的密度得到了有效提高，密度分布更均匀。
　　
　　2008 年，Tsujino 等[22]再次应用多向复杂超声压制装置对铜粉和铁粉分别进行了成品直径为 15mm 和 5 mm 的压制实验，无超声和有超声的压制成品外观对比见图 3,由图 3 明显可见，有超声加载的压坯表面更平整和光滑。2008 年，为提高超声马达磁芯的质量，KIKUCI 等[23]设计了金属粉体磁芯的多向超声振动压制设备（见图 4），并通过有限元仿真的方法研究了超声振动在压制模具中的传递方式，优化了超声压制设备的尺寸，使超声振动能够更有效地传递至粉体压坯，随后又在 300 MPa条件下进行了粉体 SMC500（粒子大小 120 μm）和SMC550（粒子大小 150 μm）的压制实验，压制时间8 s.绘制的密度和超声振幅的实验数据表明（见图5、6），超声振动的振幅越大，粉体压坯的密度就越大。2009 年，Hyun Rok Cha 等[28]进一步对使用SMC 粉体进行超声压制高效磁芯马达的相关工艺参数进行了仿真分析和优化，得到压制密度为 7.4g/cm3的参数设置为 830 MPa,12 个以上的振子，振子的输入功率为 6000 W.2011 年，H. R. Cha 对使用超声压制技术进行碳化钨纳米粉末压制的压坯密度和硬度进行了研究[29],实验结果表明，与常规压制对比，压制过程中，对模具外周沿径向均匀施加频率 20 kHz 纵向半波振幅的 6 kW 功率超声，压坯的密度最高可提高 1.0~ 0.18 g/cm3,硬度可提高 20%;超声压制压坯密度的提高在较低压制压力下更明显，200 MPa 压制压力下压坯密度增加约15%,而 250 MPa 压力下压坯密度增加则只有2%~3%.2014 年，Y. Daud 等[30]设计了仅在下模冲施加 20 kHz 纵向振动超声的粉体简易型超声压制装置，进行了不锈钢粉体的超声压制实验，通过对模冲压制力位移数据的分析研究，得出结论认为：超声压制可以明显地以较低压制压力使得模冲位移提高 140%~170%,从而说明超声压制方法对粉体压制是行之有效的。

　　国内，李祺等[24]在 2010 年前后开展了粉末材料的超声压制装置和技术的研究；研制出超声粉末压制试验装置（见图 7）；根据超声粉末塑性成形机理和超声减摩效应，利用有限元仿真了超声粉体的压制成型过程；以还原纯铁粉为原料，开展了超声粉体压制实验，和常规压制的压坯密度进行了对比分析。研究结论认为：（1） 压制压力在 300~500 MPa时，超声压制和常规压制的压坯密度均随压力增加而上升，变化趋势相同，但在 500~700 MPa 压制压力时，常规压制的压坯密度基本不再随压力增加而上升（见图 8）；（2） 与常规压制相比，在压制压力300~500 MPa 下，超声压制的压坯密度高 0.1g/cm3,在 500~700 MPa 的压制压力下，超声压制的压坯密度增幅达 0.3 g/cm3（见图 8）；（3） 700 MPa压制压力下，超声压制压坯的最大密度差为 0.6g/cm3,常规压制压坯的最大密度差为 0.76 g/cm3,超声振动压制的孔隙率降低了 4.3% （见图 9、10）；（4） 随着超声振动作用时间增加，压坯密度增加；增加装粉量，即与模壁接触面积增加，有利于提高超声振动压制密度（见图 11）。

　　2 陶瓷粉体的超声压制成型
　　
　　现代陶瓷制品的成形属粉体或颗粒状材料成形，其成形过程与粉体压制的过程相同。因此，陶瓷粉体的压制成型一般采用金属粉体相同的技术。

　　超声应用于陶瓷的压制成形，最早是在 1991 年，日本学者 Tsujino. J 等[21]在真空条件下采用多向复杂大功率超声外场进行了压电陶瓷 PZT 粉体的压制实验，实验用材料为 PZT 陶瓷粉体 2~8 g,成形制品的高度-直径比为 0.12~0.49（该装置也用于铜粉的压制实验）。结果表明，在超声振动作用下，陶瓷粉体压坯的密度得到了有效提高，密度分布更均匀，且压电陶瓷压坯的电学性能和机械特性比常规的压制方法更好。2008 年，Tsujino 等[22]再次应用多向复杂超声压制装置对混合有少量树脂粘结剂的二氧化锆粉体（陶瓷粉体）分别进行了成品直径为15 mm 和 5 mm 的压制实验，结果有超声加载的压坯表面更平整和光滑。

　　1997 年起，俄罗斯学者 Khasanov 等[31,32]以静压740 MPa 和超声电功率 1.5 kW,使用超细纳米陶瓷粉体进行了 PZT 压电陶瓷的超声压制成型实验，压制出直径 10.1 mm、厚 2.5 mm 的试样，通过与无超声方法压制出的试样密度和陶瓷粒子大小等进行对比分析，表明超声压制方法可以得到密度更高、粒子更小因而结构更均匀的压电陶瓷。此后，他们对不同压力和超声功率下[33],以模体轴向为基准，分别在横向与纵向施加超声压制出的压电陶瓷的密度、粒子、硬度、断裂刚度等进行了分析，认为与粉体模体轴向垂直的横向施加超声可以得到最优特性的压电陶瓷（密度达 5.78 g/cm3,粒度 300nm），如图 12 所示。图中（+）表示横向施加超声的压制；（=）表示纵向施加超声的压制。此后，又针对纳米陶瓷粉体干法压制压电陶瓷过程中，工艺参数如压力、超声功率等对压电陶瓷性能的影响进行了研究[34],对压力 99.2 MPa 下不同功率的陶瓷密度（见图 13）分析后认为，烧结后致密度较高的工艺参数为压力 P=99.2 MPa,超声功率 W=1 kW.

　　目前，在国内关于陶瓷粉体的超声压制技术的研究还几乎没有报道。

　　3 高分子粉体的超声压制成形
　　
　　当前，高分子材料特别是塑料的使用范围正日益扩展，被广泛用于制造火箭、导弹、超音速飞机、原子能设备、大规模集成电路以及军事装备等所需要的各种零部件，在许多领域开始逐步取代钢铁等传统材料，对于高分子塑料成形制品的技术研究在不断深入和拓展。

　　同传统的熔体模塑成型方法相比，塑料粉体的固相压制成形有许多优点：成型是在室温下进行的，比传统的熔体加工技术节省能源，且不会像注塑成型那样对制品的厚度有限制；能较为容易地加工一些难加工的塑料，例如某些在温度高至其热分解温度时仍然是固态的塑料，某些在模塑温度下粘度太高的塑料，以及目前使用较多的质优价廉的高填充量塑料。由此，压制成形技术在高分子塑料零部件制造中的应用日益增多。然而，在实际的压制成形中也发现，对某些塑料粉体而言，即使采用高压（200~500 MPa）冷压缩成型方法也很难加工，但是，采用超声波则可以在低压力下（3.5 MPa）把这些塑料粉体加工成产品[35].

　　国外对塑料粉体的超声成形研究始于 1974 年，H. V. Fairbanks[36]首先进行了热固性和热塑性粉体成形过程中仅施加 20 kHz 超声和一定压力而不额外加热的试验，表明塑料粉体的超声压制成形是可行的。

　　1981 年，Paul 利用超声波焊接装备（900 W、20kHz）模塑了聚丙烯粉体，并且优化了模塑件的强度[37].

　　结果表明：影响模塑件强度的参数主要是超声波的作用时间以及随后的保压时间；塑料粉体的粒径越小，模型件的拉伸强度越高；压力对强度无显着影响。最佳条件下得到的试件，其拉伸强度是 20MPa,约为注塑件拉伸强度的 80%.超声波塑料粉体压制成形不仅适合于那些热敏性的材料，而且也适合于高分子量的聚合物，如超高分子量聚乙烯粉体。1990,Benatar 等人[38]研究了高密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯的超声波粉体压制成形，用普通超声波塑料焊接机完成了这些粉体的压制成形。结果表明：超声波压制技术具有许多优点（如无需外部加热、成型周期短、易于加工其它方法难于成形的增强塑料等）。日本学者前田祯三[39]及松冈信一[40]也进行了类似的研究。

　　有机含能材料一般具有较高的能量密度、机械强度，压制成形技术中的安全性以及压制成品的最终性能参数是研究关注的主要方向[41,42].中国科学院声学研究所东海研究站开展了超声波加载对含能有机复合粉体成形效果的作用研究，以高聚物黏结炸药（PBX）代用粉体为原料，进行了超声压制和常规压制的对比实验。在相同压力、环境条件下，与常规压制取得的压坯相比，超声压制的压坯密度可提高 1.79%左右，弹性模量提高 10%左右（见表2）；利用 CT 成像技术对压坯进行扫描（见图 14），显示均匀性也有一定程度的提高；利用声速法对压坯进行测试（见图 15），超声压坯的超声纵波声速为1017 m/s,而常规压制压坯的纵波声速是 962 m/s,这表明压坯强度明显提高，利用 FLUKE Ti25 热像仪对压制刚完成的压坯进行测量，其表面温度分布均匀，未出现局部过热现象。实验结果表明，超声波加载成型技术对提高含能材料的密度，降低内应力，提高成品品质具有显着的促进作用，此外，对于含能材料而言，压制过程中无局部过热现象，可以保证压制过程的安全性。
　　
　　4 结 语
　　
　　综合粉体材料压制成形的超声加载技术研究，可以看出，超声压制成形技术与当前常用的技术相比，具有明显的优点：压坯密度和均匀性有效提高；适用于多种粉体材料，如金属粉末、陶瓷粉末、高分子粉末等；对于高能量密度的有机含能材料而言，压制成形过程中不出现局部过热现象，具有较高的安全性；超声压制技术可以与其他技术如温压、高速压制等相结合，以降低预先施加的压力，可以降低生产成本等。然而，目前国内外的工作仍以实验为主，缺乏对成形过程中的细观力学特性、超声加载对成形过程和内部质量影响机制等的理论研究、工艺技术仍停留在实验室研究阶段，装置还不完备，要得到广泛工业化应用，还有很多工作要做。【图略】