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基于硅模具的Zr基非晶合金超塑性微成形工艺研究

基于硅模具的Zr基非晶合金超塑性微成形工艺研究

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作者：王俊华中科技大学

学位级别：硕士

本论文研究了以Zr基非晶合金为成形材料，采用微型硅模具进行超塑性成形的工艺。首先研究了非晶合金的晶化特性和过冷液相区的超塑性，以此确定了主要的工艺参数—温度和应变速率的范围。然后在合适的工艺参数下进行成形实验，获得了微... 详细信息

本论文研究了以Zr基非晶合金为成形材料，采用微型硅模具进行超塑性成形的工艺。首先研究了非晶合金的晶化特性和过冷液相区的超塑性，以此确定了主要的工艺参数—温度和应变速率的范围。然后在合适的工艺参数下进行成形实验，获得了微型齿轮零件。最后测量评估了微零件的内部组织结构、力学性能及尺寸精度。高精度的微零件验证了工艺的可行性，同时分析评价工艺，对今后制定行业标准探寻了方向和奠定了基础。具体研究方法及成果如下： 1、为得到合适的超塑性微成形工艺参数—温度及应变速率，实验研究了Zr65非晶合金相关特性。用差式扫描量热仪DSC测定不同升温速率的玻璃化起始温度Tgonset，玻璃化结束温度Tgend以及晶化温度Tx，随之确定了可加工温度区间Tprocess=Tx-Tgend;用DSC测定多温度多升温速率的晶化孕育时间，绘制了150℃/min的温度-时间-转变曲线，以此确定超塑性微成形的工艺时间约束条件。然后利用万能材料试验机，在可加工温度区间内进行不同应变速率的压缩试验，获得材料在各温度不同应变速率的应力应变曲线，计算出应变速率敏感指数m值分布和屈服应力值分布，依两个分布确定超塑性微成形工艺的可选应变速率区间。 2、进行非晶合金的超塑性微成形实验。设计并用感应耦合等离子体工艺制备微型硅模具。利用万能材料试验机，在410℃和0.001s-1条件下制备了模数0.05齿数36的带Φ0.8mm轴孔的外齿轮。自主研制了成形试验机，解决了成形过程中的温度控制和夹具设计等问题。用该试验机测试了Zr41.2的微成形特性，即恒定应变速率不同温度的载荷应变关系。制备了轮廓清晰的模数0.03，齿数66且带四个限位凸台的内齿轮。 3、分析与评价了非晶合金超塑性微成形工艺。探析了工艺中的模具破碎原因，模具破碎从工艺角度验证了非晶合金流动的三个阶段。利用扫描投射显微镜分析了非晶合金的氧化行为对工艺的影响，氧化层均匀分布，不影响零件的曲线特征。利用透射电子显微镜分析了晶化行为对工艺的影响。微零件中纳米晶产物尺寸为30-300nm，镶嵌在非晶基底中。将晶化阶段划分四个阶段，微零件处于多相单晶或纳米晶阶段。利用基恩士显微镜及图像处理软件，分析评估了工艺的尺寸精度。非晶合金高精度地与设计图形重合，充填深度与模具刻蚀深度完全一致。

关键词：非晶合金超塑性微成形硅模具工艺评价

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Zr基非晶合金微齿轮成形及性能研究

Zr基非晶合金微齿轮成形及性能研究

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作者：张钊博华中科技大学

学位级别：硕士

微型齿轮作为MEMS器件的重要组成部分，目前正在朝着复杂化和微型化方向发展，其结构的精度和可靠性问题也随之变得越来越突出。非晶合金作为一种性能优良的材料，显示出其在微纳制备领域的巨大应用前景。本文以Zr基非晶合金作为研究材... 详细信息

微型齿轮作为MEMS器件的重要组成部分，目前正在朝着复杂化和微型化方向发展，其结构的精度和可靠性问题也随之变得越来越突出。非晶合金作为一种性能优良的材料，显示出其在微纳制备领域的巨大应用前景。本文以Zr基非晶合金作为研究材料，探索了微齿轮超塑性成形工艺，并对所制备微齿轮进行检测，实现了微尺度下齿轮装配及高速运转。主要研究内容如下：（1）在220K/min升温速率下，研究了Zr基非晶合金最佳成形温度区间以及保压时间对形变量的影响。之后通过统计实验研究了硅模具破碎原因，并配置夹具减小了超塑性成形过程中硅模具破碎概率。采用研究所得出的工艺参数，成形出轮廓清晰、齿形完整且依然保持非晶态的微齿轮。之后设计套刻工艺，制备出齿形完整的双层非晶齿轮。（2）利用共聚焦显微镜对微齿轮的厚度、端面倾斜角度及表面粗糙度进行检测，从而验证微齿轮形貌满足其使用要求。并利用原位纳米力学测试系统测得了微齿轮的硬度及杨氏模量，以及不同加载速率下的载荷—位移图，通过分析该图，得出加载速率一定时，在较高加载速率下，微齿轮更容易产生变形。（3）研究了微型齿轮系装配工艺并设计装配方案。应用微型步进电机作为动力机构，搭建三自由度微动平台，实现了驱动轮与微齿轮系之间啮合运转。进行长时间高转速运转检测，分别观察了运转10h及100h后微齿轮磨损情况。之后将硅齿轮和非晶齿轮进行啮合运转，比较了不同材料啮合情况下润滑油液残余物能谱图，并通过冲击试验，验证了非晶合金良好的力学性能。本文研究了Zr基非晶合金微齿轮成形工艺，并对所制备微齿轮进行性能检测，装配出可用于连续高速运转的微型齿轮系，为非晶合金微齿轮的制备及在微纳领域的应用提供工艺指导。

关键词：非晶合金微齿轮超塑性微成形性能检测微传动平台

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