數(shù)值模擬在粉末冶金中的應(yīng)用概況_陳平

1、試驗(yàn)研究數(shù)值模擬在粉末冶金中的應(yīng)用概況陳平肖志瑜朱權(quán)利張文摘要簡介數(shù)值模擬應(yīng)用在粉末冶金中的一些基本模型和方法以及近來在粉末壓制、注射成形、熱等靜壓成形等領(lǐng)域的研究應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬粉末冶金應(yīng)用中圖分類號：TB331 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號：1671 3133(2004)09 0001 )2Application of numericalsimulation in the powder metallurgyChen Ping ,Xiao Zhiyu , Zhu Quanli ,Zhang WenAbstract The main model and method of numeric

2、al simulation is introduced. The application and developmentof numerical simulation in the metal powder compaction ,powder injection molding ,hot isostatic pressing is also reviewed.Key words :Numerical simulation Powder metallurgy Application試驗(yàn)研究試驗(yàn)研究一、數(shù)值模擬在粉末壓制成形中的應(yīng)用粉末壓制成形時(shí)金屬粉末的應(yīng)力變形比固態(tài)金屬 復(fù)雜，可歸納為兩個(gè)主

3、要階段：壓制前期松散粉末顆粒 的聚合及壓制后期為含孔隙的實(shí)體。粉末壓制時(shí)由于 大量不同尺寸粉末顆粒間的相互作用以及粉末與模壁 間的機(jī)械作用和摩擦作用，再加上制品密度 、彈性性能、塑性性能間的相互影響，粉末的力學(xué)行為是非常復(fù) 雜的，還沒有一個(gè)統(tǒng)一的材料模型。目前由于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本理論還很不完善，國內(nèi)、外的研究大多是將粉末體作為連續(xù)體假設(shè)而進(jìn)行的。粉末壓制模型可簡化成彈性時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變方程。復(fù)雜情況時(shí)就應(yīng)該包含在應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)時(shí)的各種因素,如應(yīng)變（應(yīng)變硬化）、應(yīng)變率、溫度、微觀結(jié)構(gòu)、各向 異性時(shí)間（蠕變和黏彈性的）的影響。實(shí)際應(yīng)用中，粉 末壓制模型是以完全致密化材料的基本模型為基礎(chǔ)加 上給定一

4、系列引起塑性流動(dòng)的條件而建立的。一般用有限元法來分析處理粉末壓制模型的數(shù) 據(jù)。用有限元法分析粉末壓制的困難是因?yàn)楫a(chǎn)生了大 的應(yīng)變，這些大應(yīng)變很難用傳統(tǒng)的方法來分析，需要建立一種新的節(jié)點(diǎn)模型。壓制過程的復(fù)雜是因?yàn)榉勰╊w 粒的運(yùn)動(dòng)不一致，同時(shí)加載力、粉末顆粒間及粉末與模 具的摩擦都會(huì)影響密度，這些因素間的相互聯(lián)系和影響目前還不清楚。近來的工作重點(diǎn)是把彈 2塑性基本 方程與有限元方法相結(jié)合，雖然摩擦作用未完全考慮 , 但模型預(yù)測的密度變化與試驗(yàn)結(jié)果相吻合?，F(xiàn)在國內(nèi)、外研究者的建模工作有四種途徑 ：金屬 塑性力學(xué)方法；廣義塑性力學(xué)（土塑性力學(xué)）方法;微觀 力學(xué)方法；內(nèi)蘊(yùn)時(shí)間理論方法。各種方法既有長處，

5、又有不足。連續(xù)體力學(xué)理論體系完備，但在低密度情況 下，其假設(shè)與實(shí)際情況有出入。微觀力學(xué)方法主要由 分子動(dòng)力學(xué)方法和特別單元法組成，求解復(fù)雜，并且模型粗糙，只適合粉末堆積和靜壓制過程。內(nèi)蘊(yùn)時(shí)間方法的理論尚處于發(fā)展之中，因此目前只能是運(yùn)用連續(xù) 體力學(xué)方法：即金屬塑性力學(xué)方法和廣義塑性力學(xué)（土塑性力學(xué)）方法。實(shí)際應(yīng)用中，粉末壓制模型是以完全 致密化材料的基本模型為基礎(chǔ)加上給定一系列引起塑 性流動(dòng)的條件而建立的。二、數(shù)值模擬在注射成形中的應(yīng)用粉末注射成形 （Powder Injection Molding）是一種生 產(chǎn)復(fù)雜金屬陶瓷制品的近成形技術(shù)。金屬或陶瓷粉末在添加混合劑后，像塑性注射成形一樣注入模

6、具中成 形。粉末注射成形有兩個(gè)優(yōu)勢；一是成形不受軸向壓 制的限制，二是力學(xué)性能隨零件的高致密化而大大提 高。其缺點(diǎn)是成本更高，尺寸因較難去除粘結(jié)劑而受 到限制。粉末注射成形適于大規(guī)模生產(chǎn)傳統(tǒng)方法難成 形的小型復(fù)雜零件（小于5og）。國際上目前對粉末注射成形過程的模擬研究絕大部分都是沿用塑料注射成形過程的研究方法，即基于連續(xù)介質(zhì)模型，不考慮喂料在流動(dòng)過程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 變化及模壁冷凝層的影響，并認(rèn)為流動(dòng)是充分發(fā)展的，引入"潤滑”近似，將充模過程視為廣義的Heie2Shaw流動(dòng)，使之成為一個(gè)相對簡單的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。大部分聚合物成形和粉末注射工藝的模型都是以Hel（2Shaw模型為基礎(chǔ)。

7、注射成形是關(guān)鍵的階段，因加工方法或工藝參數(shù) 不當(dāng)（如注射溫度和壓力）會(huì)產(chǎn)生很多缺陷，如縮孔、空試驗(yàn)研究試驗(yàn)研究S國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50135020、國家"863計(jì)劃”項(xiàng)目（2001AA33701Q、廣東省自然科學(xué)基金團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（003019現(xiàn)代制造工程2004 （9）1© 994-201QAC-adiiniiiL JLHitlriiPubliEAJI ti吐rei已rv亡il.w.titt試驗(yàn)研究隙、焊接線等。以前工藝參數(shù)都是通過試驗(yàn)獲得，成本高,耗時(shí)長。計(jì)算機(jī)模擬可大大減少工藝設(shè)計(jì)時(shí)間，降低成本。確定金屬或陶瓷混合粉末在注射過程中的流 動(dòng)性質(zhì)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)推廣

8、粉末注射成形工藝 的關(guān)鍵。需要弄清楚局部剪切率和加熱后潤滑劑對非 牛頓流體的各種影響。當(dāng)用有限元法和有限差分法分析數(shù)值時(shí)，兩種方法的相似性在于把一個(gè)偏微分方程式轉(zhuǎn)變成一系列幾 何方程。不同之處在于有限元法把區(qū)域劃分成離散的 有限塊，然后用泰勒展開式得到足夠精確的解。有限差分法則是采用可能會(huì)降低精度的梯形狀的長方形小 格子代替斜邊區(qū)劃分出大量區(qū)間的方法，因有編程簡單，運(yùn)算有效的優(yōu)點(diǎn)，在一定內(nèi)存的情況下，有限差分法比有限元法多計(jì)算 2050倍的單元格子區(qū)，這樣就 能處理小區(qū)間現(xiàn)象和大的溫度、速度梯度，所以特別適 用于在快速填充時(shí)因低熱傳導(dǎo)性而具有大的溫度、動(dòng)量梯度特征的粉末注射成形和聚合物成形工藝

9、。國際上目前的粉末注射成形模型是以生產(chǎn)三維零 件的鑄造模型為基礎(chǔ)的，過程的模擬研究絕大部分都 是沿用基于連續(xù)介質(zhì)模型的塑料注射成形過程的研究 方法。當(dāng)然粉末注射成形模型需要對鑄造模型修改，增加與PM工藝有關(guān)的一些參數(shù)如粘性、發(fā)熱等。實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)用有限差分法和基本方程相結(jié)合將零件 的幾何外形分成許多方形的小格子單元，在得到方程解時(shí)也可分析速率、溫度、剪切率及傳質(zhì)現(xiàn)象。國內(nèi)學(xué)者還提出將分形和混沌理論引入PIM過程的研究，建立顆粒模型、兩相流模型，采用多重網(wǎng)格 等新的數(shù)值方法進(jìn)行過程模擬來解決問題的設(shè)想 。三、數(shù)值模擬在熱等靜壓成形中的應(yīng)用等靜壓成形分冷等靜壓成形(CIP)和熱等靜壓成形(HIP)

10、兩類。熱等靜壓成形原理是以高溫高壓下粉 末凝固過程的基本關(guān)系為基礎(chǔ)的理論。通過熱等靜壓得到的金屬粉末固體，可以制造出成本合理、高質(zhì)量及 高性能的零件。在鑄造中應(yīng)用熱等靜壓工藝，優(yōu)點(diǎn)很突出，能夠獲得沒有縮孔、夾渣、偏析的均勻、優(yōu)良顆粒 結(jié)構(gòu);鑄造出來的零件由于具有近乎網(wǎng)狀和良好的微 觀結(jié)構(gòu)，可以減少加工時(shí)間；能夠減少在零件加工完畢 后令零件產(chǎn)生扭曲變形的殘留應(yīng)力。熱等靜壓從本質(zhì)上來說也是一種熱加工工藝 。熱 等靜壓過程中的粉末固結(jié)和熱量遷移是同時(shí)進(jìn)行的，固結(jié)中的物理機(jī)制包括塑性屈服 、蠕變和擴(kuò)散。而粉 末凝固過程中的局部壓力和溫度決定著這些物理機(jī)制對粉末固結(jié)所起的作用。同時(shí)，粉末凝固中的熱量遷移

11、(主要是熱量傳遞)又深受局部相對密度的影響。因 此，對熱等靜壓的分析必須結(jié)合熱力學(xué)。建立熱等靜壓加工模型需要解答下述問題：運(yùn)動(dòng)方程、質(zhì)量守恒方程、基本方程組、初始和邊界條件的 設(shè)定。同時(shí)還需要了解粉末的蠕動(dòng)規(guī)律。粉末蠕動(dòng)規(guī) 律反映了制模粉末原料的流動(dòng)行為。粉末的流動(dòng)行為 又反映了單個(gè)顆粒流動(dòng)行為與粉末聚合體流動(dòng)行為的 綜合作用，這可以用微觀的、粘塑性的勢能函數(shù)來描 述。這個(gè)函數(shù)表明了屈服點(diǎn)的變化是由于相對密度的 作用，公式為:<=S現(xiàn)代制造工程2004(9) + bp2 - cs2 = 0，這里，S代表粉末 聚合物偏應(yīng)力的數(shù)值，s代表粉末顆粒偏應(yīng)力的數(shù)值，p是壓力，參數(shù)b和c由試驗(yàn)確定的

12、相對密度作用值。以這個(gè)制模為基礎(chǔ)，需要如下粉末材料特征量：顆粒的 流動(dòng)行為，基本關(guān)系，整體粉末的b和c參數(shù)，溫度函 數(shù)中的粉末確切熱度以及密度函數(shù)中的粉末導(dǎo)熱性 。國內(nèi)學(xué)者通過數(shù)值模擬來優(yōu)化工藝參數(shù) ，熱等靜 壓試樣的斷裂韌度提高了30%。還有通過數(shù)值模擬來預(yù)測分析鐵基復(fù)合材料凝固與溫度和流動(dòng)特性之間 的關(guān)系。國外學(xué)者對粉末構(gòu)件冷等靜壓成形用有限元 法數(shù)值模擬后，發(fā)現(xiàn)零件和模具的幾何形狀對密度缺 陷有很大影響。四、結(jié)語大力開展計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的研究，發(fā)展更加符合實(shí)際狀態(tài)的顆粒模型和相應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算方法，開發(fā)出諸如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程控制與模擬的計(jì)算機(jī)應(yīng) 用軟件，可以更深入地分析粉末成形過程，研究粉末成 形本質(zhì)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1李元元，倪東惠.國際粉末冶金行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.粉末冶金技術(shù),2001 ,19(6)2 Cheng Y F , Cuo S J ,Lai H Y. Dynamic Simulation of Random Packing of Spherical Particles. Fbwder Technology ,2000 ,1073汪俊，李從心.粉末金屬壓制過程建模方法(1).金屬成形工藝,2000 ,18(2)4鄭洲順，曲選輝等.粉末注射成