微熔模精鑄過程微尺度成形及充型流動(dòng)規(guī)律研究.pdf

1、微熔模精鑄工藝可以低成本、大批量地高效制備三維復(fù)雜的微金屬鑄件，是近幾年來問世的最具競爭力的微構(gòu)件微細(xì)加工工藝之一。
　　本文自主研發(fā)了超聲場下制備納米晶石膏鑄型的新工藝，并利用離心力場下微熔模石膏型精鑄工藝制備成形了直徑小至100μm的微尺度鑄件。并對(duì)微熔模石膏型精鑄過程中涉及的超聲細(xì)化形核規(guī)律、微尺度液態(tài)金屬潤濕規(guī)律、微充型流動(dòng)規(guī)律及其停止流動(dòng)機(jī)理、微圓絲的顯微組織與力學(xué)性能等問題進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究，揭示了微尺度條件下，潤濕、

2、充型流動(dòng)、形核、顯微組織和力學(xué)性能等方面的微尺度效應(yīng)及微觀機(jī)理。
　　研究了微尺度金屬液滴在原子級(jí)平整的云母平面上的微潤濕規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微觀尺度時(shí)，潤濕角則隨著金屬液滴尺寸的減小而降低，表現(xiàn)出了顯著的微尺度效應(yīng)，微尺度與宏觀尺度的臨界分界點(diǎn)為rc=0.33 mm，只有在金屬半徑為大于此值的宏觀尺度時(shí)，潤濕角才不隨半徑變化而保持常數(shù)。在經(jīng)典的Young方程基礎(chǔ)上，改進(jìn)并推導(dǎo)出了微尺度液滴在理想平面上的鋪展動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)式，并借助此公式進(jìn)

3、行了鋪展動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算。依據(jù)霍爾茲曼自由能保持不變的熱力學(xué)判據(jù)，推導(dǎo)出了微小液滴在測量微潤濕角時(shí)重量可否被忽略的判據(jù)。
　　借助超聲空化理論和形核熱力學(xué)理論，推導(dǎo)出了超聲力場下石膏晶粒形核率的表達(dá)式。依據(jù)形核率公式得出了形核率與溫度和壓力的相互影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，超聲力場作用可以極其顯著地改變石膏晶粒的形態(tài)和細(xì)化石膏晶粒尺寸，施加超聲力場后，石膏晶粒由重力場下長徑比高達(dá)十幾倍的細(xì)針狀，轉(zhuǎn)變?yōu)槌暳鲎饔煤蟮慕蛐危欢?/p>

4、膏晶粒尺寸由重力場下的15～30μm，顯著細(xì)化至超聲力場的500 nm。通過研究不同燒結(jié)溫度以及鑄型成份對(duì)微鑄型表面粗糙度的影響，確立了微熔模精密鑄造用鑄型的最佳燒結(jié)溫度和最佳鑄型成份，并制備具有低表面粗糙度的納米晶石膏微鑄型，可完全滿足成形微米尺度鑄件對(duì)于低表面粗糙度鑄型的嚴(yán)苛要求。
　　在重力場條件下宏觀尺度流動(dòng)的傳統(tǒng)Navier-Stokes微分方程以及微尺度下流動(dòng)的新型Navier-Stokes微分方程的基礎(chǔ)上，本文改進(jìn)并

5、建立了離心力場下的微尺度流動(dòng)的Navier-Stokes全新微分方程。借助相似物理模擬理論，以及離心力場下的微尺度流動(dòng)的Navier-Stokes微分方程，推導(dǎo)出了離心力場下流體在微尺度下離心流動(dòng)的相似準(zhǔn)則。以特殊成份的水溶液作為模擬流體，對(duì)Zn-4％Al合金熔體在石膏鑄型流道內(nèi)的微尺度流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了相似物理模擬研究。結(jié)果表明：離心力場下流體在橫澆道內(nèi)的微充型流動(dòng)過程中，優(yōu)先通過橫截面積最大的流道；在充型流動(dòng)過程中，流體的總能量保持不變

6、，即位能、壓力能、平動(dòng)動(dòng)能和離心轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的總和不變；在流體流動(dòng)過程中，會(huì)發(fā)生動(dòng)能和勢能之間的相互轉(zhuǎn)化，并以逐層方式平穩(wěn)的充填流道；在整個(gè)充型流動(dòng)過程中，流體的自由液面始終以轉(zhuǎn)軸為圓心的規(guī)則圓弧面。
　　在重力場下伯努利流動(dòng)方程的基礎(chǔ)上，附加考慮離心力的作用，推導(dǎo)出了離心力場中微尺度條件下流體總流流動(dòng)的伯努利方程。并在此伯努利方程的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了離心力場下微尺度充型流動(dòng)時(shí)澆注系統(tǒng)可否充滿流動(dòng)的判據(jù)表達(dá)式，以及離心力場下微尺度充型流

7、動(dòng)時(shí)阻流斷面的水力學(xué)計(jì)算公式。
　　借助自主研制的納米晶石膏基鑄型以及離心力場微熔模精密鑄造工藝，實(shí)際鑄造成形了不同直徑的Zn-4%Al合金微尺度鑄件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：液態(tài)金屬在微流道中充型流動(dòng)時(shí)，其充型長度隨著微流道半徑的減小而降低，隨著旋轉(zhuǎn)速度和鑄型預(yù)熱溫度的增加而提高，并呈現(xiàn)出明顯的微尺度效應(yīng)。采用離心力場微熔模精密鑄造工藝，可制備出的微圓絲最小直徑細(xì)至100μm，充型長度可高達(dá)20mm，長徑比高達(dá)200倍。當(dāng)微圓絲的直徑大于

8、400μm時(shí)，液態(tài)金屬在微流道中充型長度增加非常明顯，從而確定出400μm為充型流動(dòng)的宏觀尺度與微尺度的臨界分界點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)微熔模石膏精密鑄造過程中，離心力場下微尺度管道內(nèi)液態(tài)金屬的停止流動(dòng)機(jī)理為“整體堵塞”的停止流動(dòng)機(jī)理，明顯不同于液態(tài)金屬宏觀尺度流動(dòng)時(shí)的“端部堵塞”停止流動(dòng)機(jī)理，呈現(xiàn)出顯著的微尺度效應(yīng)。
　　研究發(fā)現(xiàn)，微圓絲的顯微組織和力學(xué)性能表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的微尺度效應(yīng)：
　　預(yù)熱溫度顯著影響微尺度條件下晶粒尺寸：隨著鑄型