粉末共注射成形及共燒結(jié)過程的研究.pdf

1、粉末共注射成形是由傳統(tǒng)粉末注射成形和塑料共注射成形技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一門新工藝。該技術(shù)通過順序注射把不同性能的材料在模具內(nèi)一次復(fù)合注射成形，可以制備芯殼層具有不同特性的功能零部件。和其他能夠制備具有芯殼層結(jié)構(gòu)零件的工藝(涂層、表面處理等)相比，粉末共注射技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢：如批量生產(chǎn)，成本低；芯殼層厚度可調(diào)，產(chǎn)品性能可控；采用粘結(jié)劑輔助成形，可以制備形狀非常復(fù)雜的產(chǎn)品；通過燒結(jié)，材料界面可以形成冶金結(jié)合，界面結(jié)合強度高。因此，粉末共

2、注射成形被認(rèn)為是融功能設(shè)計及制備于一體的先進材料成形技術(shù)，可以為功能零件的開發(fā)和設(shè)計提供一條全新的途徑，具有重大的科研和工程意義。
　　 粉末共注射成形技術(shù)涉及學(xué)科門類多，過程基礎(chǔ)理論缺乏，工藝控制難度大。目前限制共注射成形技術(shù)發(fā)展的主要問題有兩個：一是共注射成形過程控制，即如何調(diào)整工藝參數(shù)從而調(diào)整兩種材料的界面形貌，進而控制產(chǎn)品的性能；二是共燒結(jié)機理與控制，即兩種不同的材料如何燒結(jié)才能既具備預(yù)期的功能性同時又具有足夠的界面強度

3、。其中前者主要涉及多相流動充填模腔的問題，后者主要涉及不同材料共燒結(jié)過程中的致密化行為和強度演化。本文主要針對這兩個問題進行基礎(chǔ)研究探索。擬為粉末共注射成形技術(shù)提供工藝過程理論基礎(chǔ)和技術(shù)原型。研究主要內(nèi)容包括：共注射工藝參數(shù)對界面形貌的影響；共注射工藝參數(shù)對界面形貌影響的重要性次序及流變學(xué)分析；共注射充模流動過程計算機模擬；共燒結(jié)相容性基礎(chǔ)實驗及共燒結(jié)致密化機理。主要的方法、結(jié)果和創(chuàng)新如下：
　　 建立了通過工藝參數(shù)對共注射芯殼

4、層形貌進行控制的指導(dǎo)原則。對殼層注射速度、溫度、芯層的注射延遲時間和芯殼層的相對含量對共注射成形坯芯殼層界面形貌的影響做了實驗研究。然后通過芯殼層粘度比建立了工藝參數(shù)的變化程度與界面形貌變化程度的關(guān)系。結(jié)果說明，隨著殼層注射速度、溫度的增加及芯層注射延遲時間的降低，芯層材料的穿透深度降低。共注射存在一個最佳的工藝參數(shù)區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)，芯殼層的厚度均勻性最佳，低于和高于此區(qū)間，都會導(dǎo)致芯殼層的均勻性變差。殼層注射溫度對芯殼層形貌的影響最大

5、，然后是芯層延遲時間，殼層注射速度的影響最小。共注射成形坯芯殼層形貌的變化程度取決于充模流動過程中芯殼層喂料流變行為(粘度比)變化的程度，當(dāng)芯殼層粘度比變化大時，導(dǎo)致的芯殼層形貌變化也大。
　　 以連續(xù)介質(zhì)假設(shè)為基礎(chǔ)，通過對共注射過程中遵循的基本物理守恒方程采用一系列假設(shè)進行簡化，獲得了共注射成形充填過程中芯、殼層喂料均遵循的控制方程。對喂料的流變性能和熱物性能進行了檢測和擬合，獲得了注射工藝條件下的喂料的特性參數(shù)并將其輸入Mo

6、ldflow軟件對粉末共注射成形喂料充模流動過程進行了模擬。結(jié)果說明，雖然模擬得到的結(jié)果在數(shù)值上與實驗測得的結(jié)果略有不同，但芯殼層形貌及芯層最大充填量隨工藝參數(shù)變化的趨勢與實驗所獲得的趨勢是一致的。
　　 選用Fe-2Ni-0.5Cr、Fe-2Ni-1Cr及Fe-2Ni-3Cr三種成分的粉末與Fe-2Ni進行共燒結(jié)實驗，完成了具有高硬度/高韌性的組合的試樣的制備和力學(xué)性能分析過程。結(jié)果說明，共燒的Fe-2Ni/Fe-2Ni-0.

7、5Cr、Fe-2Ni/Fe-2Ni-1Cr試樣都具有良好的界面結(jié)合強度，而Fe-2Ni/Fe-2Ni-3Cr則容易出現(xiàn)裂紋。共燒樣品界面存在組織過渡和硬度梯度。共燒結(jié)能否制備具有良好界面結(jié)合強度的試樣取決于兩端的致密化行為差異，差異越大，則越容易出現(xiàn)缺陷。
　　 采用忽略彈性的粘性模型，假設(shè)界面兩端切向的應(yīng)變速率相等，推導(dǎo)得到了共燒結(jié)界面處的應(yīng)力方程及兩端的致密化方程，并采用不同粉末裝載量的Cu粉末壓坯的共燒結(jié)實驗進行驗證。初步

8、建立了兩種不同材料是否適合于共燒結(jié)的理論判據(jù)。結(jié)果說明，共燒結(jié)過程由于兩端彼此對對方施加應(yīng)力，導(dǎo)致其密度與單組份自由燒結(jié)的密度產(chǎn)生偏離。共燒結(jié)對一端的致密化有促進作用，對另一端有抑制作用，從而導(dǎo)致了從一端到另一端的密度梯度。通過比較促進端和抑制端的密度曲線所圍成的面積的大小，本文得到了共燒結(jié)密度比自由燒結(jié)密度的平均值大還是小的判據(jù)。共燒結(jié)可以根據(jù)兩端材料的初始密度及其在燒結(jié)溫度范圍內(nèi)的應(yīng)變速率的相對大小分成6種基本類型，既有可能導(dǎo)致共燒