非晶合金MEMS引信安全机构超塑性成形的关键技术研究

摘要

引信是武器系统实现目标毁伤的控制核心，直接决定了武器系统与目标对抗的成败。将微机电系统(MEMS)用于引信中，将大大提高武器装备的小型化、智能化和精确打击能力。在MEMS引信中，安全机构直接决定引信的安全和可靠起爆，这要求所用的材料有优异的力学性能及良好的微纳尺度成形能力。然而，目前引信安全机构所用材料存在抗冲击能力弱、强度低，微纳尺度加工难、成本高等不足。严重影响精确制导武器的可靠性与精确打击能力。非晶合金由于没有晶粒，具有一系列明显优于晶态材料的机械性能，且可实现微纳、甚至原子尺度近净成形。若将非晶合金用于MEMS引信安全机构，不仅可解决当前MEMS引信安全机构的材料难题，还可大幅提高武器装备的可靠性、智能化和精确打击能力。本文系统研究了非晶合金MEMS引信安全机构的超塑性成形，并对非晶合金成形中的界面摩擦因子进行测量。 首先采用电弧熔炼制备出成分均匀的Zr35Ti30Cu8.25Be26.75（at.%）合金锭，然后喷铸成形制备出非晶合金片材。采用差示扫描量热仪(DSC)对制备好的非晶合金进行热分析，获得该非晶合金的玻璃化转变温度，晶化温度及过冷液态区宽度。 通过Creo三维建模软件设计“W”型弹簧的三维结构，采用通用有限元模拟软件Ansys对微型弹簧的变形进行有限元模拟，得到弹簧的应力分布，预测弹簧应力集中点。以带有微弹簧结构的硅模为模板，在过冷液相区（390℃），以应变率为0.001s-1在非晶合金表面压印成形出平面微弹簧拉伸试样和MEMS引信安全机构。X射线衍射仪(XRD)检测表明非晶合金在热塑性成形后未发生晶化。用光学显微镜和扫描电子显微镜对微结构进行表征，观察成形微弹簧形状完整。采用电子动静态疲劳试验机对非晶合金平面微弹簧进行拉伸测试，获得其弹性系数为0.0135N/mm。微弹簧最大可以承受1.54N的力，可以产生539%的变形量。对弹簧的断口形貌进行观察，分析断裂形式为韧性断裂。 针对非晶合金微成形中界面摩擦影响成形能力问题，本文对比研究了准静态和超声振动对摩擦因子的影响。结果表明，超声振动能显著降低摩擦力，如非晶合金热塑性成形的摩擦因子约为准静态的1/3。从而表明采用超声振动技术，可有效提高非晶合金的超塑性成形能力。

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