Micro-FAST微制造技术中颗粒尺寸效应的行为与特征研究

In micro forming technologies, a common challenge is faced by both fundamental principle study and applied science research, which is the size effect. When the size scales of parts or raw materials decrease, forming parameters for the specific parts or the thermal physical properties of the materials do not change proportionally. This phenomenon is different from the forming behaviour observed from the forming process of parts in conventional sizes. In the meanwhile, particle size effect plays an important role in influencing the densification and dimensional accuracy of micro components. This has become the bottleneck that obstructs the industrialization of Micro-forming Fields Activated Sintering Technology (Micro FAST). This research aims to produce high-quality micro components. Both sintering experiment and numerical simulation are used to investigate the particle size effect on the thermodynamic state of the powder system, particle deformation behaviour and fast fusion of particle boundary in coupled multi-flied condition and in the densification process. As a result, a theoretical model is expected to be established to reveal the behaviour and characteristics of particle size effect in the Micro-FAST process, to contribute to the development of micro forming technology and to provide theoretical basis of size effect in the fundamental principle study in micro manufacturing area.

在微成形技术中，当零件或者原始材料尺寸减小时，零件的成形工艺参数或材料的热物性并非呈等比例变化，而是与常规尺寸零件成形表现出不同的特点，这是微制造领域在基础科学和应用科学研究中面临的共性问题——尺寸效应。其中，颗粒尺寸效应显著影响了微型零件的致密度和尺寸精度，成为了多物理场活化烧结微成形技术（简称Micro-FAST）实现产业化的技术瓶颈。本项目拟以制备高品质微型零件为导向，采用烧结实验与模拟计算相结合的研究方法，从宏观尺度到微观尺度，针对复杂的多场耦合能量条件与短时间的致密化进程中颗粒尺寸效应对粉末体系热力学状态、颗粒变形行为以及颗粒界面快速融合的影响机理进行系统深入的研究，并建立相关的理论模型。进而揭示Micro-FAST中颗粒尺寸效应的行为与特征，推动微型零件成形技术的发展，为微制造领域尺寸效应的机理研究提供可靠的理论依据。

尺寸效应是微制造领域在基础科学和应用科学中面临的共性问题，颗粒尺寸效应又显著影响了微型零件的致密度和尺寸精度。本项目采用计算机仿真模拟与实验相结合的方法，i) 完成了微型齿轮模具设计与制备和本项目所需的微型齿轮试样的制备；ii) 研究了颗粒尺寸效应对粉末体系致密化程度的影响规律，结果发现在超细及纳米粉末中掺入微量相同材料的较大颗粒粉末，能快速、低温实现超细/纳米粉末的高度致密化，同时可在不添加晶粒粗大抑制剂的情况下有效抑制晶粒的生长；iii) 研究了烧结过程中温度分布、电流场分布等分布规律，结果发现电流通过粉末体系具有方向性和对称性，同时热应力集中尤为显著；iv) 颗粒尺寸效应对颗粒变形行为的影响机理，结果发现不同粒径颗粒混合后更能促进小颗粒粉末的强塑性变形，进而快速实验粉末体系的致密化；v) 研究并建立了电场作用下金属颗粒变形和微孔洞填充过程的几何模型；vi) 研究了颗粒尺寸效应对颗粒界面快速融合（烧结颈形成）的影响机理，与传统粉末冶金成形机理不同，超细颗粒表层的氧化层在烧结过程中的减少和消除不容忽视，这对烧结零件的微观组织结构和烧结颈的力学性能影响显著；vii) 团队基于本项目的研究成果进行了扩展研究，采用电场辅助微塑性成形技术，成功制备了节圆直径为1.6mm，模数为0.2mm的8齿渐开线微型TC4钛合金齿轮试样，为钛合金微型复杂零件的制备技术提供了新的工艺方法。综上所述，本项目圆满完成了既定的研究目标。