强脉冲激光驱动飞片加载金属箔板微成形基础研究

针对低成本高效批量生产微构件的需求，提出一种利用强脉冲激光驱动飞片加载金属箔板在微凹模具内微成形的新方法。结合理论与实验研究激光驱动飞片超快动高压加载机理；研究飞片高速碰撞金属箔板的塑性变形动力学模型，研究飞片加载工件在高压高应变率下的金属箔板塑性形变规律；研究飞片加载金属箔板高应变率塑性变形的材料微观结构特征；自编微尺度SPH无网格数值分析程序，研究材料的成形行为与尺度效应；构建微成形工艺试验平台，采用DOE方法进行实验规划与研究微成形性能与激光、飞片、工件以及模具间的关系。新微成形方法具有的超快变形与极高的应变率，在一定程度上能够克服传统微成形中尺度效应对成形的影响，使工件成形能力得以提高，能够成形常规方法难以加工的材料，拓宽了微成形材料范围，且单次脉冲就能实现大面积高效微构件的直接成形。本研究将对高压高应变率形变理论的发展具有重要理论意义，并对微构件的工程化制造提供理论支撑。

针对低成本高效批量生产微构件难题，本项目提出一种利用强脉冲激光驱动飞片加载金属箔板在微凹模具内微成形的新方法。研究了飞片的结构形式、材料特性对微成形效果的影响，建立了合理的飞片结构规范。研究了激光驱动飞片加载的力学原理，建立了激光驱动飞片加载的运动学模型与激光驱动飞片极限速度，揭示激光驱动飞片加载机理。建立了飞片高速碰撞靶材工件压力模型，并对飞片高速碰撞靶材工件塑性变形机理进行了研究。构建了激光驱动飞片冲击波压力测量系统，为有效地控制激光能量与成形质量奠定基础。. 通过微成形实验对激光驱动飞片加载金属箔板的微成形规律进行了深入系统的探讨。微成形实验研究发现，激光驱动飞片技术可以实现微胀形、微压印、微弯曲和微冲裁工艺。通过对微成形件表面形貌和表面粗糙度的测量，发现工件具有良好的成形质量; 通过对微冲裁件断面的SEM测量，发现其断面光滑，毛刺较少; 结合复合模具，可以在单脉冲激光作用下同时实现微成形和微冲裁工艺，从而可以直接制造出微零件，并成功直接制造出微齿轮和微帽形零件。. 利用商业有限元分析软件与自主开发的基于SPH无网格方法的高速冲击动力学数值分析程序对微成形规律进行了深入探索，揭示了微成形过程中材料的动态响应规律与激光驱动飞片作用下材料的变形机制，其研究对于研究与揭示材料在瞬变、动载荷作用下运动、变形和破坏规律有着重要的理论研究意义与实际应用价值。. 利用纳米压痕技术对微零件的硬度和弹性模量等力学性能进行了表征，发现与解释了材料在不同的工艺参数下出现了纳米硬化和软化两个现象，利用透射电子显微镜(TEM)对成形后的成形件微观组织演变情况进行了观察与分析。TEM实验结果表明在飞片的高速加载作用下材料内部组织晶粒超细化，其达到纳米级别，在晶粒内部还存在一些纳米孪晶片层，其尺寸只有几个到十几纳米。另外，随着激光能量的增加，形变孪晶超细化机制导致微成件的纳米硬化，当激光能量达到某一临界值时，动态再结晶超细化机制就会代替形变孪晶超细化机制，从而产生了微成件的纳米软化，纳米软化会导致微成形件的断裂。.新微成形方法具有的超快变形与极高的应变率，使工件成形能力得以提高，拓宽了微成形材料范围，且单次脉冲就能实现微零件的直接成形，对微零件的工程化制造提供了理论支撑。