超声波振动条件下磁控溅射纳米材料超塑变形机理研究

Magnetron sputtering method owns the unique advantage on rapidly prepare nanomaterial with high density, low porosity and narrow grain size distribution under the condition of low temperature. However, at present the magnetron sputtering nanomaterials research is limited in its use for surface coating. This innovative application plan to apply the magnetron sputtering nanomaterial into the field of plastic forming, explore its superplasticity and utilize the Blaha effect of ultrasound to reduce the forming temperature to control of grain growth. This application focus on studying the high temperature mechanical properties of magnetron sputtering under the conditions of ultrasonic vibration of nanomaterials, exploring the microstructure evolution during deformation, analyzing the impact of the ultrasonic vibration parameters on superplasticity and thermal stability. Also the FEM analysis of the three field coupling of the acoustic-heat -force under ultrasonic wave will be performed and the magnetron sputtering nanomaterials superplastic microforming will be carried out. The aim of this application is to reveal the mechanism of superplastic deformation of the magnetron sputtering of nanomaterials under the conditions of ultrasonic vibration, clear the influence mechanism of ultrasonic on the microstructure, characteristics and the superplasticity and the micro-macro interaction mechanism, achieve the elongation of the material to more than 200%, and establish the superplastic forming constitutive equation of magnetron sputtering on the condition of ultrasonic vibration, grasp the key controlling factor and the optimization method of ultrasonic vibration assisted micro forming. The results of this application will lay the theoretical foundation for magnetron sputtering nanomaterials deformation theory and its superplastic micro forming.

磁控溅射可快速、稳定地制备纯度高、孔隙率低、晶粒尺寸分布窄的纳米材料，但目前磁控溅射主要应用于表面镀膜。本申请将开拓磁控溅射纳米材料在塑性成形领域的基础研究，发掘其超塑性，并引入超声波的布莱哈效应降低成形温度，实现成形过程中的晶粒尺寸控制。率先研究超声波振动条件下磁控溅射纳米材料的高温力学性能，探索变形过程中的微观组织演变，分析超声波振动参数对超塑性能及热稳定性的影响规律，进行超声波作用下声热力三场耦合的有限元分析，开展超声波辅助磁控溅射纳米材料的超塑微成形。揭示超声波振动条件下磁控溅射纳米材料的超塑性变形机理，明确超声波对组织特性、超塑性能的影响机制及宏微观交互作用机理，实现材料的延伸率达到200%以上，建立超声条件下的磁控溅射纳米材料的超塑性本构方程，掌握超声波辅助微成形的关键控制因素及优化手段。研究成果将为超声波振动条件下磁控溅射纳米材料变形理论及其超塑微成形奠定理论基础。

目前磁控溅射主要应用于表面镀膜，尚无将其与衬底剥离进行塑性变形研究的报道。超声波振动辅助金属塑性成形技术是在成形过程中施加超声振动，利用“布莱哈效应”对金属进行塑性加工。许多国内外的学者已就该领域展开了研究，但目前对于箔材的大功率超声振动辅助塑性变形特性的研究很少。本项目进行了磁控溅射纳米材料在塑性成形领域的基础研究，并引入超声波振动的布莱哈效应进行了纳米材料的超塑性变形研究。使用自行设计制造的超声发生装置了钛箔超声振动辅助拉伸试验，采用隔波材料优化了声波不影响力传感器条件下的塑性变形，使声波只作用在变形材料上。并通过改变施加超声次数，分析了超声振动对钛箔拉伸变形过程的影响规律；观测拉伸变形前后试样的微观形貌及内部位错组织，对比分析施加不同次数的超声振动后材料微观组织的变化情况，研究钛箔塑性变形过程中超声波的作用机制及原理；通过进行超声振动辅助翻孔试验、弯曲试验以及胀形试验。研究了超声振动条件下磁控溅射纳米材料的室温/高温力学性能，揭示了变形过程中的微观组织演变，掌握了超声波振动对材料塑性变形性能及超塑性的影响规律。本项目明确了磁控溅射纳米材料与基体剥离的溅射方法，掌握了超声波振动作用下箔材在塑性成形过程中的位错形态、分布与运动，掌握了微观组织的演变规律，揭示了超声波辅助塑性变形机制，掌握了磁控溅射材料在超声振动条件下的超塑性变形能力，探明了超声振动变形机制的影响。研究重点分析了超声振动条件下位错的滑移特性及晶粒长大机理，总结了不同工艺参数对材料微观组织的作用效果。在此基础上，完成了超声波辅助条件下箔材的微成形，实现了超声波振动条件下的微塑性成形。