Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5合金过冷液相区本构关系及微充填行为研究

摘要

相比于其它微细加工方法而言，塑性微形成技术由于具有较高的加工效率和材料利用率、较低的制造成本以及良好的构件性能和尺寸精度，成为微细加工领域研究的热点。然而，传统金属材料介观尺度成形过程中的“尺度效应”，制约了其在塑性微成形方面的应用。块体非晶合金因其在过冷液相区良好的塑性，加之力学和物理性能方面的优异表现，为解决塑性微成形过程中的“尺度效应”问题了提供了新的思路。现阶段对于块体非晶合金在塑性加工领域的应用的研究尚不深入。因此，开展块体非晶合金过冷液相区变形行为与晶化机理研究具有十分重要的理论意义和实用价值。本文针对Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5(Vit1)块体非晶合金，开展了Vit1块体非晶合金过冷液相区等温压缩实验研究，探讨了实验温度与应变速率对Zr基块体非晶合金过冷液相区变形行为的影响规律。实验结果表明：随着实验温度的升高和应变速率的降低，流动应力随之降低，应力过冲消失，流动机制逐渐由非牛顿流变动向牛顿流动转变。通过引入实验温度和应变速率对弹性行为和应力过冲的影响，构建了描述Vit1块体非晶合金过冷液相区变形行为的Maxwell-Extreme唯像模型，准确地描述了不同温度与应变速率下，Vit1块体非晶合金过真应力-真应变关系及等效应变分布。从而证明Maxwell-Extreme本构关系适用于Vi t1块体非晶合金过冷液相区塑性变形过程的有限元分析。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了升温速率对Vit1非晶合金晶化过程的影响，实验结果表明：当升温速率为5K/min和10K/min时，DSC曲线上的第一放热峰分离，其对应的Avrami指数也相对较低。整个晶化过程始终由原子扩散控制，但随着升温速率的提高，Vit1块体非晶合金晶化机制也发生改变，在晶化初始阶段晶化相由二维生长向一维生长转变；通过对比等温退火与变形试样热分析结果和微观组织，揭示了过冷液相区塑性变形促进非晶合金的晶化过程的作用机理。由于高温塑性变形导致的原子排列有序化在微观组织转变过程中占主导地位，变形后的Vi t1块体非晶合金拥有更高的特征温度和更紧密的原子排列。此外，随着实验温度的上升，高温塑性变形对晶化过程的促进作用逐渐减小。⑵研究了温度、载荷和微通道宽度对Vi t1块体非晶合金充填性能的影响规律，揭示了非晶合金微通道型腔充填机理：过冷液相区的非晶合金在外加载荷的作用下以层流流动的方式向微通道中流动。在此期间，非晶合金与型腔侧壁间的摩擦力使流体在微通道宽度方向上产生速度梯度，造成充填前沿产生明显弧度和附加拉应力。富氧的充填前沿表层由于流动性较差，结合强度较低，在附加拉应力的作用下发生表面开裂，随后位于流体中心的非晶合金继续流动将表层材料推向型腔表面形成微通道侧壁，并形成新的充填前沿。建立了变载荷加载条件下，微通道充填高度与载荷、实验温度和形腔宽度之间的关系。Vi t1块体非晶合金充填性能随着温度的上升逐渐提高，但温度超过703K后，非晶基体中析出的晶化相将抑制非晶合金在微型腔中的流动，降低其充填性能。⑶进行了Vit1块体非晶合金微型叶轮过冷液相区成形工艺研究。有限元模拟结果显示，在复合模具整体成形过程中，微型叶片的顶部首先成形，当上模与浮动凹模接触时，微型腔底部开始充填，并形成较为平直的充填前沿。成形温度、加载速率以及加载过程对非晶合金在微型腔中的流动均有较大影响。Vit1块体非晶合金微型叶轮成形实验结果表明：成形温度683K、加载速率2.46mm/min和成形载荷3500N时，所成形出的微型叶轮具有较好的成形质量，其微型叶片宽度507.75μm，叶片侧表面粗糙度Ra0.25μm。

目录

第1章绪论

1.1 引言

1.2 块体非晶合金的发展概况

1.3 块体非晶合金过冷液相区流变行为

1.4 非晶合金塑性微成形工艺研究

1.5 本文的主要研究内容

第2章实验材料及研究方案

2.1 Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5块体非晶合金的制备

2.2 热分析

2.3 物相分析

2.4 微观组织观察

2.5 表面形貌测量

2.6 等温压缩实验

2.7 微充填实验方案

2.8 本章小结

第3章Zr基块体非晶合金过冷液相区本构关系

3.1 引言

3.2 Zr基块体非晶合金过冷液相区变形行为

3.3 Zr基块体非晶合金过冷液相区的稳态流动机理

3.4 Zr基块体非晶合金过冷液相区变形本构关系

3.5 本章小结

第4章Zr基块体非晶合金晶化行为

4.1 引言

4.2 Zr基块体非晶合金非等温晶化机理

4.3 Zr基块体非晶合金等温变形晶化行为

4.4 高温变形对Zr基块体非晶合金晶化行为影响机理

4.5 本章小结

第5章Zr基块体非晶合金充填行为

5.1 引言

5.2 Zr基块体非晶合金充填性能评价

5.3 Zr基块体非晶合金微通道充填行为

5.4 微通道阵列热压印成形工艺

5.5 本章小结

第6章Zr基非晶合金微型叶轮复合模具整体成形工艺

6.1 引言

6.2 微型叶轮复合模具整体成形工艺设计

6.3 微型涡轮成形工艺有限元分析

6.4 微型叶轮成形复合模具整体成形工艺实验研究

6.5 微型涡轮成形质量分析

6.6 本章小结

结论

本文的主要结论如下：

全文主要创新点如下：

工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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