非晶合金微塑性振动辅助成形研究现状

陈超，吴晓

(武汉纺织大学，湖北省数字化纺织装备重点实验室, 湖北 武汉 430200 )

0 引言

非晶合金与相同或相似成分的晶态合金相比，具有优异的力学性能和电磁性能[1-5]。由于不存在位错、孪晶等微观结构缺陷，大多数非晶合金室温下的宏观塑性变形十分有限[6-8]，这严重制约着非晶合金作为高强度工程材料的应用。然而，非晶合金在过冷液态区内却表现出粘性流体特征[9-11]，具有较好的微成形能力，其特性研究极具发展前景[12-13]。人们对非晶合金超塑性流变机理及微成形能力研究时发现，随着零件尺度的减小，非晶过冷液的表观粘度和成形载荷急剧增加，表现出明显的几何尺寸效应[14]。对于形状较复杂的微型零件，在成形过程中，坯料往往需要发生多轴流动，几何尺寸效应将导致成形难度加大。吴晓等[15-16]通过稳态载荷反挤压工艺研究了变截面复杂微型非晶零件的成形工艺，在成型该类零件时，坯料需要产生轴向和径向等多轴流动，实验发现，零件的径向尺寸难以保证。这主要是由于微成形时非晶坯料的表观粘度高，内部变形流动阻力大，轴向和径向受力不均匀导致塑性变形不均。

显然，降低非晶合金的表观粘度，提高其流动充模能力对非晶合金微成型技术的发展尤为关键。现有的研究主要集中在两个方面，即通过优化温度和应变速率等工艺参数，或者引入振动来降低粘度以提高其成形能力。但是过高的温度将缩短非晶合金的晶化孕育时间[17]，而过高的应变速率将会诱导非晶材料晶化现象的产生[18]，这些都将增加非晶材料晶化的危险，使其失去优良的综合性能。于是振动降粘技术受到了相关科研人员的青睐，有不少文献报道了相关研究成果。本文从非晶合金微塑性振动辅助成形理论研究、实验研究以及装备研究三方面，综述了最新的相关研究成果，并对其发展前景进行了展望。

1 非晶合金微塑性振动辅助成形理论研究现状

振动作为一种能量，对材料微观结构会有一定的影响，在稳态流变时，振动会引起材料内部结构破坏进程，从而影响剪切速率[19]，当剪切速率加大时，破坏进程大于松弛过程，黏度随剪切速率加快而降低；在动态流变时，流体的动态黏度还与加载频率有关[20]。振动载荷的作用机理主要体现在对非晶合金自由体积的影响和表面效应两个方面。

1.1 振动载荷对非晶合金微成形自由体积影响机理

非晶合金振动微成形工艺中，频率较低时，大部分形变都是黏性流动的贡献，这种形变产生不可回复的能量耗散。而当频率增高时，黏性流动时间很短，即原子结构来不及重排，此时弹性形变将占优势，而大部分弹性能量都是可回复的，所以频率增大时能量的耗散减小，黏度大大降低，非晶合金的微成形能力增强。自由体积涨落模型认为非晶合金的塑性形变是通过局部单个原子的跃迁来实现的，类似于原子的扩散。Spaepen[21]认为原子要想移动或者扩散必须推挤周围的其它原子来产生可以跃迁的自由体积，并把流变速率和自由体积联系起来，建立非晶流动的自由体积演化方程，表明了随着自由体积增加，原子的流动会变得越来越容易，流变速率也随之增加，黏度下降。振动频率的增大将降低弛豫时间，减慢了自由体积的湮灭，导致非晶合金自由体积浓度的增加，使得流动单元分布更加均匀，从而降低流动粘度。李宁[22-23]等对Zr35Ti30Be26.75Cu8.25非晶合金在振动场作用下的单轴拉伸、压缩实验研究表明，随着振动频率的增大，非晶合金“自由体积”的增加、“流动单元”体积减小，从而引起流动黏度降低，微成形能力增强。

1.2 振动载荷对非晶合金微成形表面效应影响机理

李东君[24]等对非晶合金微成形过程中的界面摩擦行为研究表明，随着温度的升高或是应变速率的降低，非晶合金和金属模具之间的界面摩擦系数增大。非晶合金和模具之间的界面摩擦行为主要受到非晶合金流动特征的影响。这种界面摩擦的存在影响非晶合金的成形能力，其本质是由于界面摩擦的存在影响了材料的流动行为，使材料的流动趋于不均匀，从而影响非晶合金的充模成形能力。随着成形尺寸的减小界面摩擦的影响变得越加明显，一方面是由于随着成形尺寸的减小，成形件的比表面积增大，界面摩擦力增大，需要的成形力增加；另一方面，成形尺寸减小而界面摩擦影响区域的大小不变，从而非晶合金流动的不均匀性增加，成形能力降低。振动力场通过降低非晶合金的粘度，使非晶过冷液与模具的界面摩擦模型转向黏着模型，从而降低了摩擦因数，促进了其微成形。

1.3 非晶合金超声振动辅助微成形机理

与晶态材料不同，非晶合金结构均匀，没有晶态材料中的位错等超声能量吸收源，文献[25]发现300 KHz以上的高频振动会破坏非晶合金的玻璃态结构，而低频振动则没有此现象，说明非晶合金对低频振动的吸收不明显。

体积效应和表面效应是超声振动辅助塑性成形中流动应力降低的两大效应。对于将超声振动场引入到非晶过冷液流变成形中，由于压板发生超声频振动，导致了变形过程中内应力和摩擦力周期性消失，宏观上表现为变形抗力的降低和摩擦条件的改善[26-28]。从金属振动塑性成形的角度来看，坯料与工具之间由于振动而导致摩擦力矢量瞬间反向，这种“摩擦效应”使得在振动周期的部分时间里摩擦作用降低，降低了材料塑性变形力，使材料得到更好的成形效果[29-30]。

可见在非晶合金微成形过程中，振动载荷降低了其流动粘度，改善了坯料与模具之间的摩擦效应，促进了其成形过程。近年来对非晶合金微塑性振动成形机理还不够完善，需要进一步深入研究。

2 非晶合金微塑性振动辅助成形实验研究

具有高生产效率、减少废料、降低加工成本等优点的微塑性成形，备受国内外关注。目前研究较多的微成形工艺有微冲压、微体积成形、微超塑成形、微注塑、微压铸等[31]。关于非晶合金振动辅助微成形的实验研究主要集中在振动挤压和振动压缩等成形工艺。

李金阳[32-33]设计了Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金在过冷液态区内进行低频振动挤压侧向流动的微成形实验方案，利用DEFORM-3D有限元分析软件进行了相应的数值模拟分析，为实验方案设计、实验工艺参数确定提供依据；并在450 ℃下选取不同振幅（38~760 N）和不同频率（0.1~2.0 Hz），一定时间（避免晶化）内进行成形实验，并通过非晶合金在横向槽内的流动长度来定量地衡量非晶合金的流动变形能力，其中一组非晶合金侧挤压微成形实物对比图如图1(a)所示。其研究结果表明，引入振动场能有效提高非晶合金的微成形能力。

图1 非晶合金微成形样品Fig.1 The samples of amorphous alloy micro-forming

图2 双杯挤压成形件的截面SEM照片(振幅360 N)Fig.2 Cross-section SEM images of parts formed by double cup extrusion test ( A = 360 N)

杨彬[34-35]设计Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金在振动力场作用下的双杯挤压模型，利用有限元模拟和实验的方法，研究了低频振动频率、振幅等工艺参数对非晶合金摩擦行为的影响规律。使用deform2D模拟双杯挤压实验，获得不同振动力场作用下的摩擦标定曲线。并在频率0.05~2 Hz，振幅120~480 N，温度保持450 ℃条件下进行挤压实验，结果表明摩擦因数随着频率的增加而减小。图2是振幅为360 N时，3组不同振动频率下双杯挤压成形件的试样断面图。

李辉[36]设计了一套超声振动辅助金属热塑成形实验装置，将超声振动场引入到非晶过冷液流变成形中，并利用Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金高温单轴压缩实验，研究了非晶合金在超声振动辅助下过冷液相区内的流变行为，图1(b)是非晶合金单轴压缩成形实物图。实验结果表明，超声振动能减小非晶合金的流动应力与黏度，且输入功率越大，越有利于非晶合金的成形。

文献[36]的分析认为，在超声振动辅助非晶合金单轴压缩实验中，由于高频振动使试样与压板之间发生瞬间分离,破坏了试样表面，使试样表面出现凹坑。图3为成形后试样表面形貌，从图(a)中可以看到，常载荷模式下试样表面平整，图(b)表明，施加功率1200 W，频率19 KHz超声振动后试样的表面质量明显变差，且出现了内凹形成了巨大的凹坑。

图3 非晶合金单轴压缩Fig.3 The single shaft compression Amorphous alloy

3 非晶合金微塑性振动辅助成形装备研究

非晶合金振动辅助微成形系统主要包括高精度的成形机（如压力机）、模具系统、振动加载系统、数据采集系统、成形工艺控制系统以及加热系统等。其中，振动加载系统是关键，目前的研究主要是采用机械振动和超声波振动的方式来实现低频和高频振动源的引入，振动场的施加流程如图4所示。

图4 高、低频振动的施加流程图Fig.4 The flow chart of high and low frequency vibration applied

低频机械振动场的引入比较简单，一些精密成型机自身带有循环加载模块，通过相应的软件控制成型机的加载模式，就可以将低频机械振动引入到成形工艺中。

高频/超声振动受工具尺寸、材料、装配及接触状态等诸多因素影响，每一个因素的改变都会对其固有频率产生较大影响，从而影响其振动效果。为了实现超声振动辅助非晶合金微成形，需要研制具有较强负载能力的超声振动平台。韩光超[37]采用双换能器和双变幅杆驱动形式研制了一套超声振动加载系统，如图5(a)所示，实现了超声变幅器与超声振动系统以及微挤压成形设备的有效结合，并利用这套超声振动加载系统，在图5(b)所示的日本岛津 AG-100 KN压力机上开展了超声微挤压成形实验研究。

图5 超声辅助微挤压成形实验Fig.5 Ultrasonic assists micro-extrusion forming experiment

为了开展非晶合金超声振动辅助微成形实验研究，文献[36]设计了一套超声振动系统，如图6所示，主要由超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、压缩工具头和支架组成，超声振动系统通过支架与力学试验机紧固连接，压缩工具头与变幅杆通过螺纹连接。利用该系统，在Zwick/Roell电子材料试验机上进行非晶合金的超声振动微挤压实验。

图6 超声振动辅助非晶合金单轴压缩实验Fig.6 Ultrasonic vibration assists the single shaft compression experiment of amorphous alloys

目前，高、低频以及超声振动系统装备，实现了非晶合金微塑性振动成形，为进一步深入探索研究振动载荷辅助非晶合金微成形机理奠定了基础。

4 结语

非晶合金的振动辅助微成形技术在理论上是可行的，国内外学者在这方面进行了大量的研究和探索，取得了一些可喜的进展，也展现出巨大的应用前景。但仍有很多急需解决的问题：如振动场作用下非晶合金的流变特性机理还不够完善，现有的解释和模型大多是在假设或理论分析的基础上给出的，具有说服力的实验观察还很少；需要建立能更加准确地描述非晶合金在特殊工况下的材料本构模型，根据应力、应变以及应变速率之间的关系，结合流变学理论，建立振动场作用下非晶合金流动黏度的计算模型；振动工具或模具的设计理论有待完善。一套振动成型装置就是一个振动系统，其固有频率受工具尺寸、材料、装配及接触状态等诸多因素影响，每一个因素的改变都会影响其振动效果，需要更系统的理论来指导振动成形系统的设计；此外，振动的频率、振幅等参数的量化控制困难，需要设计更先进的振动驱动电源和控制器，以实现振动频率、振幅以及输入能量等多参数的量化调节与控制。

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