纳米材料微阵列超塑性微成形机理与尺度效应

Micro-forming is a key technique for fabricate high precision micro-part in large volume. However, plastic deformation under small scale has obvious size effects. The shape, orientation, deformation behavior of each grain have significantly influence on the micro-forming, since the scale of part is approach to the size of grain in common materials. Consequently, it is very hard to ensure the processing stability of micro-forming. In the current project, nanocrystalline materials will be used to form micro-array. The influence of grain complexity could be eliminated since there are a lot of grains in the micro-part. In addition, nanocrystalline materials usually have superplasticity. Under this condition, the deformation force and friction decrease rapidly, which decreases the requirement on the mechanical properties of dies. The processing stability and the forming precision are improved. Currently, little work has been reported on the superplastic micro-forming of nanocrystalline materials. Some scientific issues need to be resolved, such as the deformation behaviors, deformation mechanism, scale effect, dislocation evolution and mechanical model of nanocrystalline materials. Electrodeposition technique will be used to fabricate the nanocrystalline materials with controlled grain size. In order to realize the wide application, the superplastic micro-forming mechanism and rule of micro-array with nanocrystalline material will be investigated with the joint of processing experiments, property measurement, microstructure analysis, characterization of mechanical property, numerical simulation.

微成形技术是未来批量制造高精密微小零件的关键技术，但是，微小尺度下材料的塑性变形行为不仅表现出明显的尺度效应，而且零件尺度已经接近常规材料的晶粒尺寸，每个晶粒的形状、取向、变形特征对整体变形产生复杂的影响，难以保证微成形的工艺稳定性。本项目采用纳米材料进行微成形，制造微阵列，零件内部包含大量的晶粒，可以排除晶粒复杂性的影响，而且纳米材料具有超塑性，在超塑状态下，变形抗力和摩擦力都明显降低，从而显著降低微成形工艺对模具性能的苛刻要求，提高工艺稳定性和成形精度。目前，纳米材料超塑性微成形技术方面的研究极少，变形时纳米材料的力学行为、变形机理、尺度效应、位错演化、力学模型等关键问题还有待研究。采用电沉积技术制备晶粒尺寸可控的纳米材料，将工艺实验研究、性能测试、组织分析、力学性能表征、数值模拟相结合，深入探究纳米材料微阵列超塑性微成形机理和成形规律，促进该技术的广泛应用。

微成形技术是未来批量制造高精密微小零件的关键技术，但是微小尺度下材料的塑性变形行为不仅表现出明显的尺度效应，而且零件尺度已经接近常规材料的晶粒尺寸，每个晶粒形状、取向、变形特征等对整体变形产生复杂的影响，难以保证微成形的工艺稳定性。本项目采用脉冲电沉积法成功制备了纳米晶Ni、Ni-Co及镍基复合材料，获得了最佳的电沉积液配比及电沉积过程工艺参数。制备的箔材表面平整致密，在复合材料中发现GO覆盖并连接在基质金属上，材料中各元素质量比与加入量基本相同，硬度出现明显的提高。微成形实验表明制备的箔材相对于常规晶粒的材料具有更高的延伸率、高径比和断裂强度等，合金材料性能优于单一基质材料，增强相的加入能有效的提高力学性能。基于有限元软件Abaqus和MSC.Marc对拉深成形过程进行了模拟，最大拉深力随着冲头圆角半径的增大而减小，最大应力和应变随着尺寸因子增加而下降，刚性凸模和铝凸模的最大拉应力分别出现在凸模圆角和凹模圆角处。成功制造了完整的不同材质凸模、不同直径凹模的亚毫米级阵列微拉深成形件，不同材质凸模的成形件具有形状差异和不同的破裂位置，较小的凹模直径（铝凸模）获得较大的深径比，产生最大的减薄率；刚性凸模直径440μm、凹模直径600μm、凸模下行速度0.025mm/min、成形温度500℃、箔材厚度60μm 阵列微成形件的高度最高。超声辅助阵列微拉深中刚性凸模型芯圆角处容易产生破裂，直径较大的凸模成形件高径比较大，凸模型芯圆角处减薄最为严重；铝凸模成形件的高径比随着箔材厚度的增加而增加，随着加载超声振幅的增加而增加，箔材厚度120μm、凹模直径800μm、加载超声振幅20.85μm的成形件具有最大高径比为0.47。整个项目深入探究了纳米材料阵列超塑性微成形的成形规律及成形机理，利用工艺试验研究、材料组织分析、力学性能测试，以及与数值模拟相结合，获得了完整的阵列微小零件，以及成形件特征、变形过程及工艺参数，为阵列微成形提供较好的数据的支撑，并促进该技术的进步，并有望在未来得到广泛应用。