劉春澤，呂珂臻，賀建華，周紅生

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PBX代用粉體超聲加載成型的實驗研究

劉春澤1，呂珂臻2，賀建華2，周紅生1

(1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海200032；2. 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽，621900)

設(shè)計了PBX代用粉體超聲成型裝置。研究了超聲波加載對含能有機(jī)復(fù)合粉末成型效果的作用，對于直徑為200 mm、高為60~65 mm的壓坯，與相同條件下無超聲壓制相對比，壓坯密度提高了1.79%；聲速測試表明，壓坯強(qiáng)度有一定增強(qiáng)；CT成像表明壓坯均勻性有一定提高；壓坯表面溫度分布均勻，未出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。研究表明超聲波加載技術(shù)在較大尺寸含能材料成型過程中對提高成品品質(zhì)具有促進(jìn)作用。

粉末成型；壓制系統(tǒng)；超聲粉體成型；

0 引言

超聲粉體成型技術(shù)是在粉末壓制成型過程中，通過引入超聲振動作用，使壓坯在受外壓力的同時發(fā)生高頻振動，促進(jìn)粉末粒子的運(yùn)動和重排。與傳統(tǒng)壓制技術(shù)相比，超聲粉體成型技術(shù)具有致密程度高、均勻性好的特點，是一種新型的粉末成型方法。這一技術(shù)目前在國際上已獲得一定應(yīng)用，Tsujino.J等[6]將大功率超聲波應(yīng)用于銅粉壓制試驗，結(jié)果表明在200 MPa壓強(qiáng)下，多向超聲外場可以將銅粉壓坯密度提高20%，且壓坯密度分布更加均勻。Tsujino.J等[7]進(jìn)一步在真空條件下，在銅粉和壓電陶瓷PZT粉末壓制過程中施加超聲外場，使金屬粉末和陶瓷粉末壓坯的密度得到了有效提高，密度分布更加均勻，且壓電陶瓷壓坯的電學(xué)性能和機(jī)械特性優(yōu)于常規(guī)壓制方法的制品。Shinichi Kikuchi等[8]通過有限元方法研究了超聲振動在壓制模具中的傳遞方式，優(yōu)化設(shè)備尺寸，使超聲振動能夠更有效地傳遞至壓坯。Oleg.Khasanov等[9-11]將Ba-W-Ti-O納米粉末通過強(qiáng)超聲加載壓縮，結(jié)果顯示提高了壓坯的密度均勻性，且燒結(jié)后的陶瓷樣品未發(fā)生變形和彎曲。Hyun Rok Cha等[12]研究了超聲加載壓制軟磁材料，通過優(yōu)化換能器配置和功率參數(shù)獲得了低磁滯損失和渦流損失的軟磁器件。Suk-Ryong Hahn[14]等通過超聲壓制以溶膠凝膠法制備的超細(xì)(Ba&Sr)TiO3陶瓷粉末，與傳統(tǒng)靜壓方法相比，超聲壓制可在提高密度的同時，增加尺寸低于1 μm的超細(xì)顆粒比例。

超聲加載成型技術(shù)目前國內(nèi)已進(jìn)行了一定探索，中南大學(xué)李祺等[13]以純鐵為對象，分析了常規(guī)壓制與超聲壓制壓坯密度隨壓制力的變化規(guī)律，表明超聲壓制可以有效提高粉末壓坯密度與均勻性，降低壓制力沿軸向的損失，可較大程度提高壓坯的質(zhì)量和力學(xué)性能。目前該技術(shù)多用于實驗室的技術(shù)驗證、粉末冶金、高性能新型陶瓷和磁性材料領(lǐng)域，PBX屬于多孔粘彈性材料，無燒結(jié)處理過程，壓制后應(yīng)力釋放，易發(fā)生回彈，且應(yīng)力不利于后續(xù)的機(jī)械加工。因此，控制應(yīng)力分布，提高壓坯均勻性，是PBX壓制成型技術(shù)中亟待解決的問題。

本文設(shè)計了超聲加載成型裝置，以PBX代用材料為原料，通過超聲加載壓制實驗，以期改變應(yīng)力分布，提高成型品質(zhì)。研究超聲振動對粉末壓制成型的作用，對壓坯的密度、均勻性、溫度分布進(jìn)行了測試和分析。

1 裝置設(shè)計及實驗

圖1為實驗裝置示意圖，裝置由模具、壓力機(jī)、超聲換能器、超聲發(fā)生器構(gòu)成。模具由上模、陰模、下模組成，模具設(shè)計內(nèi)徑為200 mm。在模具外側(cè)沿徑向?qū)ΨQ安裝4只超聲換能器，單只換能器工作連續(xù)功率為600 W，總驅(qū)動功率為2.4 kW，振動頻率為15 kHz，振幅約為40 μm。壓制材料選用PBX代用粉體，由中國工程物理研究院化工材料研究所提供，不添加其他有機(jī)潤滑成分，設(shè)計壓制壓力為150 t。

系統(tǒng)工作方式為：通過外壓力機(jī)提供壓力，先施加一定壓力，使粉體預(yù)壓緊，有利于超聲傳導(dǎo)至粉體內(nèi)部，然后啟動超聲換能器，同時繼續(xù)緩慢加壓至設(shè)計壓力，直到壓制過程完成。環(huán)境溫度為2~6 ℃，粉末質(zhì)量選取3 kg，經(jīng)過預(yù)熱至80 ℃，投入模具中，保壓和超聲振動時間1 h，預(yù)計壓坯高度為60~65 mm。

無線數(shù)據(jù)與能量協(xié)同傳輸中的游程限制編碼設(shè)計……………………………………胡杰，李夢媛，楊鯤 24-5-18

2 結(jié)果與討論

2.1 密度

PBX代用材料經(jīng)壓制完成后，根據(jù)壓坯的質(zhì)量和體積計算密度。表1所示為壓坯密度測量比較。經(jīng)過超聲加載壓制的壓坯，與相同其他條件下無超聲壓制的壓坯相比，其平均密度增加1.79%，說明超聲作用可有效提高壓坯的致密程度。超聲對壓坯的作用可體現(xiàn)在體積效應(yīng)和表面效應(yīng)兩個方面，體積效應(yīng)體現(xiàn)在沿材料施壓方向施加超聲振動可有效降低材料的屈服應(yīng)力和流動應(yīng)力。表面效應(yīng)體現(xiàn)在加工工件與工具之間由于振動而產(chǎn)生的瞬間分離；摩擦矢量反向使得在振動周期的部分時間里摩擦力反而有利于變形加工。振動改善了加工過程中的潤滑條件，降低壓制力沿軸向的損失，可較大程度地提高壓坯的質(zhì)量和力學(xué)性能，尤其是在大尺寸及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成品制造方面，更顯示出明顯的技術(shù)優(yōu)勢。此外，對于由多種成分組成的有機(jī)粉末材料，超聲作用在降低顆粒損傷方面可能具有一定的意義。

表1 壓坯密度測試

2.2 均勻性

本實驗采用Philips Brillianc 64排多層螺旋CT進(jìn)行掃描重建，對壓坯均勻性進(jìn)行表征，分辨率為0.67 mm。超聲加載壓制及無超聲加載壓制的壓坯CT圖像如圖2所示，圖中亮度較低的區(qū)域顯示為高密度。從圖2可見，兩樣品的密度分布基本相似，樣品中心位置為密度最低區(qū)域，沿徑向密度逐漸增加，經(jīng)過超聲加載壓制的樣品，其高密度分布區(qū)域較未經(jīng)超聲加載的樣品有一定擴(kuò)大，樣品內(nèi)部未出現(xiàn)裂隙，氣泡等疵病。由于超聲換能器沿徑向分布，樣品外緣超聲振動較強(qiáng)，可促進(jìn)粉末顆粒的重排，在一定程度上提高了樣品密度的均勻性。樣品內(nèi)仍存在較大范圍的低密度區(qū)，說明在中心位置處超聲強(qiáng)度已較低，粒子運(yùn)動程度較弱，重排作用不足。

2.3 聲速測試

本實驗采用超聲聲速測定以表征壓坯的力學(xué)特性，測試位置為壓坯的中心區(qū)域，使用Olympus V301超聲波縱波探頭，頻率為500 kHz，脈沖寬度為5個周期，發(fā)射與接收探頭位于壓坯上下平面相對位置，耦合劑為水。測試裝置如圖3所示。實測經(jīng)過超聲加載后的壓坯，其聲速為1017 m/s，未經(jīng)超聲加載的壓坯中聲速為962 m/s。測試發(fā)現(xiàn)接收端信號強(qiáng)度較低，僅能探測到縱波信號，接收到的橫波信號信噪比很低，這是由于壓坯內(nèi)仍存在一定量孔隙，使超聲振動迅速衰減所致，可通過在上下模加裝換能器，加大外壓力，使壓坯密度進(jìn)一步提高。

由以上測量表明，經(jīng)過超聲加載的壓坯，其聲速提高約5%，說明經(jīng)過超聲加載后壓坯強(qiáng)度得到增強(qiáng)，使粉末粒子之間更加緊密結(jié)合，力學(xué)性能得到改善，提高粉末成型性和壓坯的可加工性，有利于后續(xù)處理及進(jìn)一步機(jī)械加工。

2.4 溫度場分布

超聲加載壓制成型過程伴隨有能量傳遞，超聲波激發(fā)粉末粒子振動，可能會導(dǎo)致壓坯溫度上升。由于含能材料的特殊敏感性質(zhì)，在粉末成型過程中，必須嚴(yán)格控制局部過熱情況的出現(xiàn)。本實驗采用FLUKE Ti25熱像儀對壓制后的壓坯表面溫度場分布進(jìn)行表征。圖4(a)和4(b)分別為無超聲壓制及超聲加載壓制的壓坯成型后表面溫度分布，兩者表面溫度均為10~13 ℃之間，經(jīng)過超聲加載后溫度未見明顯上升，壓坯上下表面中心處溫度略高，邊緣處偏低，但整個樣品表面溫度分布仍比較均勻，未出現(xiàn)明顯的熱點。而圖中所示溫度最高點為臺面反射拍攝者的紅外圖像，并不是樣品的溫度值。

(a) 無超聲

(b) 超聲加載

3 結(jié)論與展望

本文通過實驗研究了超聲壓制成型技術(shù)在有機(jī)復(fù)合含能材料成型中的作用，與現(xiàn)有壓制技術(shù)相比，超聲粉末成型技術(shù)在壓坯密度、均勻性方面有較大提高，壓坯溫度分布均勻，無明顯熱點，安全性高，適用于含能材料成型。本技術(shù)可推廣用于粉末冶金，塑料粉末成型，高質(zhì)量陶瓷材料制造等領(lǐng)域的大尺寸，不規(guī)則，復(fù)雜形狀，規(guī)?；圃?，具有很好的工程應(yīng)用前景。

本文對超聲加載粉末成型技術(shù)進(jìn)行初步探索，在超聲與粉體材料作用機(jī)理、實驗技術(shù)和評價等方面，還有很多研究工作需要進(jìn)一步完成。機(jī)理方面，希望通過數(shù)值計算，分析超聲加載作用下，壓坯內(nèi)部應(yīng)力場和溫度場分布，分析有機(jī)粉體成型的細(xì)觀力學(xué)特性，研究加載條件對粉末成型過程和質(zhì)量的影響規(guī)律。實驗方面，擬進(jìn)一步提高壓制壓力和超聲能量，改進(jìn)實驗參數(shù)，優(yōu)化超聲加載模式和相位控制策略，實現(xiàn)壓坯的高密度和高均勻性，提高PBX壓制過程的安全性和可靠性。

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Experimental study of ultrasonic vibration compacting technique for PBX substitute powder

LIU Chun-ze1, Lü Ke-zhen2, HE Jian-hua2, ZHOU Hong-sheng1

(1.Shanghai Acoustics Laboratory, Chinese Academy of Science, Shanghai 200032, China;2. Institute of Chemical Materials,China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900,Sichuan,China)

In this paper, an ultrasonic vibration compacting system is designed in order to mold the PBX substitute materials. The investigation of the effect of ultrasonic vibration during the compressing procession is presented. The sizes of molded sample are 200mm diameter and 60-65mm height. The density of ultrasonic molded sample is increased about 1.79% compared that with normal loaded sample in the same condition. The longitudinal sound velocity of the ultrasonic molded sample is also increased and it shows that the strength of the ultrasonic molded sample is enhanced. Its CT images also show that its homogeneity is improved and there is no sign of hotspot on its surface. The results show the advantage of ultrasonic vibration compacting system in the fabrication of relatively large diameter and high quality energetic materials.

powder molding; compacting system; ultrasonic vibration

TB533

A

1000-3630(2015)-01-0047-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.01.009

2014-10-14;

2015-01-05

國家自然科學(xué)基金(11274342、11304353、11474042)資助項目。

劉春澤(1982－), 男, 黑龍江明水人, 博士, 助理研究員, 研究方向為工業(yè)超聲。

周紅生, E-mail: zhs999@126.com