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      用Zr-Cu-Ni-Al塊體金屬玻璃形成微齒輪的有限元模擬和實驗研究

      材料加工技術雜志

      用Zr-Cu-Ni-Al塊體金屬玻璃形成微齒輪的有限元模擬和實驗研究

      Dong Wanga, Teilin Shi b,?, Jie Panc, Guanglan Liaoa, Zirong Tang b, Lin Liuc

      摘要:與相應的結晶合金相比,塊狀金屬玻璃具有一些獨特的物理性能。由于超塑性表現為牛頓流體在其過冷液體區,塊狀金屬玻璃可用于網狀成形制造高強度微件。本文用不同的方法對Zr-Cu-Ni-Al金屬玻璃進行了壓縮試驗在683K溫度下的租金應變率。根據實驗結果,利用有限元仿真軟件DEFORM模擬了金屬玻璃微齒輪的成形演化3D,并在不同的加工參數下預測成形載荷。同時,用有限元模擬方法研究了微齒輪模腔內大塊金屬玻璃的填充階段關于和實驗。預測的工件幾何形狀與實驗結果吻合較好。對Zr-Cu-Ni-Al金屬玻璃微齒輪進行了熱壓成型實驗過程,并成功地獲得了非晶態微地質。結果表明,有限元模擬結果與實驗觀測結果吻合較好。

      1 引言

      塊狀金屬玻璃(BMGS)由于其優越的強度、硬度、彈性變形等優點,是制備各種微機械系統(MEMS)的有前途的材料 關于極限、室溫下的耐蝕性(Inoue等人,1995年;Kays等人,2000年;Pang等人,2000年;Wang等人,2000年)。 自Patterson和Jones(1978)提出金屬玻璃的形成以來 在其過冷液體區(SCLR)中,對超塑性成形復雜金屬玻璃零件的興趣越來越大。 同時,采用剛塑性有限元方法 在20世紀70年代初(Lee和Kobayashi,1973),由于開發時間較短,成形的數值模擬已被廣泛應用于優化成形工藝和參數與實驗研究相比,洗脫時間和成本較低。 最近,用有限元數值模擬方法對BMG的顯微成形進行了分析。 程和張(2007)討論了 有限元分析了變形溫度、摩擦系數和表面特征尺寸對Mg基BMG微成形過程的影響。 Chang等人。 (2009年)研究了微型注射 鎂基的NG 采用BMG有限元模擬方法,模擬結果與實驗觀測結果吻合較好。 張和謝(2006)分析了三種不同的成形過程基于ZR的BMG細直齒圓柱齒輪的ESSES,并通過有限元仿真方法對技術參數進行了優化。 然而,到目前為止,對填充公關的研究相對較少 模腔中BMG的Ocess。

      在本工作中,研究了Zr65Cu17.5Ni10Al7.5BMG在不同應變速率下在683K溫度下的單軸壓縮行為,樣品直徑為3mm,高度為0.6mm s.根據壓縮實驗結果,利用有限元仿真軟件DEFORM3D對微齒輪的成形演化進行了仿真,并對成形載荷進行了預測。 女人通過有限元模擬和實驗,研究了BMG在微齒輪模腔中的LING過程。 最后,用熱壓工藝對OBTA進行了成形實驗根據有限元模擬結果,對非晶合金的微觀形貌進行了研究。

      2. 壓縮實驗

      采用純金屬元素的混合電弧熔煉法制備了Zr65Cu17.5Ni10Al7.5組成的合金錠。利用s得到圓柱形試樣 奎茲銅模鑄造方法和切片試驗試樣直徑為3mm,高度為0.6mm。用差示掃描量熱法(sc)研究了樣品與玻璃化轉變和結晶相結合的熱穩定性 安寧量熱法(PerkinElmer,DSC-7)測定過冷液區的溫度。玻璃化轉變的起始溫度(Tonsetg)、結束溫度(Tendg)和起始溫度Zr65Cu17.5Ni10Al7.5BMG的結晶(TX)溫度分別為634、667和739K(Wang等人,2009年)。超塑性變形的BMG應該理想地發生在Tg附近或以上,到APA降低材料的流動應力,但低于TX,以避免結晶(Chan等人,2007年)。因此,單軸壓縮實驗是在空氣中進行的,溫度為683K應變率從5.0×10?4s?1到1,10?2s,1使用Zwick通用材料試驗機,配備高溫爐。在測試之前,包括頂部和底部表面 對試樣進行拋光,以確保平行和光滑。 在實驗過程中,試樣被加熱到測試溫度,然后在COM之前保持120s的熱平衡壓力。無花果。 給出了在683K溫度下變形的試樣的真實應力-真應變曲線,應變速率從5×10?4s?1到1.0×10和2s?1。

      3. 有限元模擬

      利用有限元仿真軟件DEFORM3D研究了BMG在微齒輪模具型腔中的流動行為,并預測了不同成形條件下的成形載荷。 的在683K溫度下,在不同應變速率下的真實應力-真實應變數據是從我們的單軸壓縮實驗研究中得到的,被用作模擬的輸入數據。 我們是你 利用單軸壓縮實驗數據模擬和預測了微齒輪在主模塊不同速度下成形的載荷-時間數據。 仿真中,頂模安底模是剛體,坯體是塑料體。 鋼坯和模具的幾何模型在PRO/E中生成,然后以STL文件格式傳輸到DEFORM3D。 無花果。 2給出了熱壓成型微齒輪的原理圖。 底模為微齒輪模具,20齒,模數為0.1mm,深度為300m.過程中,坯料 放置在底部模具[0]上,頂部模具是主要模塊,以給定的速度沿負z軸移動。 由于BMG具有比普通金屬a更大的表面摩擦阻力在超塑性成形中,鋼坯與模具接觸界面之間的摩擦系數為0.4(Zhang和Xie,2006)。 最初,鋼坯分為54,636四舍 德拉爾元素和12207節點。 由于變形較大,在模擬過程中嘗試重新嚙合。 鋼坯和模具的溫度被認為是683K的常數。模擬應停止,直到 頂模沿負z軸移動0.45mm。 在3.0×10?3毫米/秒、1.8×10、3毫米/秒、6.0×10、4毫米/秒和3.0×10、4毫米/秒的頂模速度下進行了微齒輪成形模擬/s。

      4. 結果和討論

      4.1. 塊狀金屬玻璃流型

      為了研究BMG在微齒輪模腔中的填充行為,通過有限元模擬分析了微齒輪的成形過程。關系投注的典型曲線在頂部模具速度為6.0×10?4mm/s的成形過程中,微齒輪的載荷力和成形時間如圖所示。3.如圖所示,整個過程可分為f我們的舞臺。 首先,在BMG上工作的力增加,BMG開始變形,一旦頂部模具接觸到第一階段的工件,第二階段的曲線是相當平坦的 形成過程,代表BMG在自由體積下經歷超塑性變形(Spaepen,1977;Argon,1979)。第三,微齒輪模具腔完全填充BMG第三階段,以便需要更大的力量。最后,該工藝在填充微齒輪腔后保持在IV階段運行,多余的坯料進一步壓縮形成閃光。

      圖4 當微齒輪模腔完全填充,載荷力約為1500N時,有效應力的分布。最大有效應力發生在微齒輪頂部當微齒輪模腔被完全填充時,離子。 值約為140MPa,不會導致結晶(Liu等人,2002年)。

      4.2. 載荷力預測

      在熱壓成型過程中,在頂模不同速度下,微齒輪成形的載荷與時間的有限元模擬曲線如圖所示5.當底部模具塌陷時Y完全填充BMG,預測載荷為25,000,13,000,1460和1000N,相應的時間為130,250,700和1200s,頂模速度為3.0×10?3mm/s,1.8×10?3毫米/秒,6.0×10?4毫米/秒和3.0×10和4毫米/秒,從圖中可以看到。分別為5(a)-(d。由于小載荷和短成形時間是大規模成形生產的最佳選擇,因此采用頂模速度 選擇Y為6.0×10?4mm/s,在有限元結果的基礎上,采用熱壓工藝形成微齒輪。

      4.3. 實驗研究

      根據有限元模擬結果,在Zr65Cu17.5Ni10Al7.5BMG中進行了微齒輪的成形實驗,在683的溫度下,頂模速度為6.0×10?4mm/s K.同時,為了驗證數值分析結果,在不同的載荷作用下進行了成形實驗。 無花果。 6顯示了在不同條件下形成的微齒輪的SEM顯微照片租金載荷力及相應的有限元仿真結果。如圖所示。6(a)和(d),核心區域首先接觸微齒輪腔的底部。則核心樣條為充滿了大約800N,如圖所示。 6(c)和(f)。最后,齒輪齒頂部區域完全被較大的載荷力填充。無花果。在不同的LO處,6(A1)-(F1)是實驗結果廣告力,其中6(A1)-(C1)是側視圖,圖6(D1)-(F1)是頂部視圖。 6(A2)-(F2)是不同載荷作用下的有限元模擬結果,如圖所示。6(a2)-(c2 是側視圖,6(D2)-(F2)是頂部視圖。預測的工件幾何形狀與實驗結果吻合較好。

      最后,在6.0×10?4mm/s的頂模速度和683K的溫度下,采用熱壓成型工藝填充微齒輪模具型腔,載荷力為1500N.載荷的曲線實驗和仿真結果的RCE與時間如圖所示。3.值得注意的是,這兩條曲線都有相同的填充過程。 經熱壓花工藝成型微齒輪用ICP工藝制備的單晶硅模具的BMG微齒輪在353K的40%濃度氫氧化鉀-水溶液中溶解模具。圖7給出了Zr65Cu17.5Al10Ni7.5BMG制成的微地形的顯微照片,其頂模速度為6.0×10?4mm/s,溫度為683K,載荷為1500N。以X射線衍射法為特征的成形微齒輪的結構仍然是完全無定形的結構(Wang等人,2009年)。

      5. 結論

      在單軸壓縮實驗數據的基礎上,利用DEFORM3D軟件對微齒輪熱壓成型過程進行了有限元模擬分析。 形成LO預測了AD力,選擇了最佳的成形條件。 同時,通過有限元模擬和實驗研究了微齒輪模腔中BMG的填充階段,預測的工件幾何形狀與實驗結果吻合較好。然后,采用熱壓工藝a對Zr-Cu-Al-Ni金屬玻璃微齒輪進行了成形實驗頂速度為6.0×10?4mm/s,溫度為683K,負載力為1500N,成功地獲得了非晶微格。 發現有限元模擬結果 結果與實驗觀察吻合較好。

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      圖1在683K溫度下變形的試樣的真應力-真應變曲線,應變速率從5×10?4s?1到1.0×10和2s?1。

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      圖2 微齒輪熱壓成型原理圖。

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      圖3微齒輪模腔中BMG的填充過程。 微齒輪在成形過程中的載荷力和成形時間的典型曲線,其頂模速度為6.0×10?4mm/s 對683K的有限元模擬和實驗結果進行了說明。

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      圖4當微骨腔完全填充時,有效的應力分布。

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      圖5在熱壓成型過程中,在不同的頂模速度下,微齒輪成形的載荷與時間的有限元模擬曲線。

       

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      圖6在不同載荷作用下形成的微齒輪的SEM和相應的有限元模擬結果:(A1)-(C1)是實驗結果的側面。(D1)-(F1)是f的頂部視圖英特元素模擬結果。(A2)-(C2)是實驗結果的側面。(D2)-(F2)是有限元模擬結果的頂視圖。

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      圖7用Zr65Cu17.5Ni10Al7.5BMG制作的非晶態微地質的顯微照片。


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