星用微型构件超声振动辅助微模压成形机理研究

With the high integration and miniaturization of satellites, and the rapid development of microelectronics and information technology, the heat dissipation problem of components with high flux in narrow space becomes increasingly prominent. Micro flat heat pipes with the high reliability, compact and flexible characteristics are important parts in terms of the thermal control system in the satellites. However, the common micro machining methods of micro parts have different degree deficiency in machining efficiency, fabrication material, and cost etc. Then, the heat transfer performance of micro flat heat pipes is severely restricted. The ultrasonic vibration assisted micro coining process is carried out in the project. For the Blaha effects and surface effects in the ultrasonic vibration plastic deformation, the filling properties of coining could be improved, and the precision of micro parts is raised. We will study the plastic deformation behaviors of metal under ultrasonic vibration. The flow stress size effects and inhomogeneous deformation behaviors based on polycrystalline materials in meso scale will be analyzed. The investigation of ultrasonic vibration assisted micro coining process will be carried out to reveal the filling behaviors and coining mechanism on the condition of multiple constraints. Finally, the micro heat pipe profile will be accurately formed. It will promote the wide application in spacecraft field.

随着卫星的高度集成化、轻量化以及微电子、信息技术的飞速发展，狭小空间内高热流密度元器件和部组件的散热问题日益突出，微型平板热管具有可靠性高、结构小巧灵活等特点，是卫星热控系统的重要组成部分。然而，微型构件常用微细加工方法在加工效率、可加工材料的种类以及成本等方面存在不同程度的不足，从而严重制约了微型平板热管传热性能的提高。本项目采用超声辅助微模压成形方法，利用成形过程的Blaha效应和表面效应，提升金属材料微模压成形充填能力，提高微型构件成形精度。开展超声振动下金属塑性变形性能研究，揭示超声辅助金属塑性微成形流动应力尺寸效应和介观尺度多晶体材料非均匀变形机理，开展超声振动辅助微模压成形工艺研究，研究多约束作用下金属微模压充填行为和充填机理，揭示超声振动辅助金属微模压成形机理，实现微型平板热管型材的精密成形，促进其在航天器领域的广泛应用。

本项目采用超声振动辅助微模压成形技术，解决星用微型平板热管型材制造瓶颈问题。研究纯铝材料微压缩实验的尺寸效应，以及超声振动对流动应力的影响规律。开展超声振动辅助微槽充填实验和超声振动辅助微通道阵列成形实验，研究各工艺参数及超声振动对充填高度和成形质量的影响规律，揭示超声振动对材料充填行为的作用机制。.不同热处理温度下，材料的流动应力均随着试样尺寸的减小而降低，表现出了明显的尺寸效应；施加超声振动后，不同试样尺寸和晶粒尺寸的材料流动应力降低，即超声振动对材料产生了软化作用；当试样尺寸较小、晶粒尺寸较小时，超声振动对流动应力影响更明显，出现了软化效应和尺寸效应的耦合效应；材料流动应力的降低幅度随着超声功率的增加而增大。.随着压下量的增加，材料的充填高度呈线性增加；随着微槽宽度的增加，材料的充填高度先增加后降低；当槽宽较大时，材料充填高度随着晶粒尺寸的增加而增大；而当槽宽较小时，材料充填高度先增加后减小，这是由于槽宽度方向只有几个晶粒时，晶粒变形协调性变差，且摩擦力增加，故材料充填会变得比较困难。随着模具占空比的增加，摩擦力同样增加，材料的充填高度降低。.施加超声振动后，由于对材料的软化效应，以及材料与微槽侧壁间的摩擦力降低，材料充填高度明显升高、成形质量改善；延长超声振动时间，可以提高充填高度；然而超声功率不是越大越好，而是超声功率为75%时，材料充填效果最好。对超声振动辅助微槽充填和微通道阵列成形实验进行数值模拟表明，施加超声后，材料各个区域的米塞斯应力和最大真应变都降低，接触面摩擦力降低，所以材料可以更容易充填和成形。最后，通过超声振动辅助微模压成形，材料充填高度提高，阵列均匀性增强，成形构件更贴合模具形状，实现了微型平板热管型材的精密成形。.发表学术论文5篇，其中SCI、EI论文4篇，申请国家发明专利1项。总之，本项目圆满完成了任务书规定的研究内容，实现了研究目标。