基于多尺度的Micro-FAST致密化进程中颗粒界面的演变机制研究

In forming processes such as powder metallurgy and spraying, when the processed material transforms from discontinuum to continuum, the interfacial joining and bonding between particles are the key factor for the densification of the materials and determine the forming quality. Besides, the surface condition of particles would directly affect the interfaces between particles, which is a common scientific issue of the transition from discontinuum-to-continuum—the transition mechanism of the surface state of the particles and evolution mechanism of the interface. This project aims to investigate the interface evolution in a short time densification process under coupled multi-field. Issues such as clearance mechanism of the surface oxides、rapid evolution mechanism of the interface and the effects of physical state transition on interfacial evolution will be addressed. Experiment and simulation will be carried out to address the issues mentioned above, wherein Micro-forming Fields Activated Sintering Technology (Micro-FAST) will be introduced for the fabrication of microcomponents. Through the investigation and analysis on different scales (microscopic atomic motion, mesoscopic crystal boundary evolution, and macroscopic physical properties), a multi-scale model of interfacial transition under coupled multi-field (electric field, thermal field, and force field) will be proposed and a multi-scale theoretical system for the rapid evolution of the particle interface will be established. The findings in the research will boost the progress and innovation on microcomponent forming technology, and lay a solid foundation for the theoretical research on discontinuum-to-continuum transition.

粉末冶金、喷涂等成形过程中，当体系从非连续体向连续体转变时，颗粒间界面的连接或结合是其致密化过程的关键环节，直接决定了成形质量；同时颗粒的表面状态又将对颗粒间界面的演变过程产生直接影响，这是非连续体向连续体转变的共性科学问题——界面演变机制和颗粒表面状态转化机制。本项目以多物理场活化烧结微成形技术（简称Micro-FAST）为依托，将针对复杂的多场耦合能量条件与短时间的致密化进程中界面演变所涉及的颗粒表面氧化层清除机理、界面快速演变机理及物态转变对界面演变的作用机制，以科学实验与模拟计算相结合的研究方法，对微观下的原子运动、介观下的晶界演变及宏观下的物性参数进行独立而又统一的研究，建立多场（电场、热场、力场）耦合作用下颗粒界面演变的多尺度物理模型，形成颗粒界面快速演变的多尺度理论体系，推动微型零件成形技术的发展，为非连续体向连续体转变的机理研究提供可靠的理论依据。

粉末冶金、喷涂等成形过程中，当粉末体系从非连续体向连续体转变时，颗粒界面的连接或结合是其致密化过程的关键环节，直接决定了零件的成形质量；同时颗粒的表面状态又将对颗粒间界面的演变过程产生直接影响。本项目基于多物理场活化烧结微成形技术（简称Micro-FAST），针对复杂的多场耦合能量条件与短时间的致密化进程中界面演变所涉及的颗粒表面氧化层清除机理、界面快速演变机理进行研究。采用多尺度表征的手段，从宏观、介观以及微观尺度对金属粉末颗粒快速致密化过程中所涉及的颗粒变形、颗粒界面融合机制进行系统的研究。特别地，对粉末成形过程中颗粒表面氧化层的清除机制及氧化层存在对零件性能的影响进行了深入探究，为相关的金属粉末由非连续体向连续体转变的工艺过程提供基础的理论支撑。本项目取得的具体研究结果如下：.（1）研究了烧结过程中颗粒的变形行为和颗粒界面的演化过程，建立了粉末体系致密化过程的几何模型。在烧结的过程中粉末颗粒的塑性变形是体系实现快速致密化过程中的一个非常重要的条件和特征。通过多尺度表征研究发现，在烧结的过程中有大量的孪晶生成，这充分说明在Micro-FAST成形过程中孪晶的生成是颗粒发生塑性变形的主导机制。.（2） 深入研究了多物理场耦合作用下金属颗粒表面氧化层的清洁机制，建立了相应的物理模型；同时，结合第一性原理计算了金属基体与其本征氧化物界面性能，从原子尺度进一步揭示氧化物的存在对烧结界面性能的影响。通过对烧结试样的多尺度表征发现，原表面存在氧化层的颗粒在烧结后形成了两种界面。一种是颗粒间形成了干净的晶界；而另一种是颗粒间间接结合的部分仍有氧化物的存在。这一研究说明，在烧结的过程颗粒表面氧化层的迁移是一个动态的过程，由颗粒间的结合处逐渐向颗粒的孔隙间迁移。在烧结后期，未分解的氧化层却降低了烧结体的致密度。