超聲波振動條件下磁控濺射納米材料的超塑變形研究

蔣少松，盧振，張凱鋒

（哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001）

開發高性能納米材料一直是世界各國戰略發展目標的一部分，塑性加工領域尤其是微成形領域，也一直在對納米材料的潛在應用進行著探索。磁控濺射法可在低溫條件下快速濺射晶粒細小、結構均勻、純度高的納米材料，而且幾乎所有金屬、合金和陶瓷材料都可以制成靶材。同時，納米材料的組織和性能還可通過調整T/Tm（襯底溫度與靶材熔點之比）和沉積室工作氣壓等關鍵工作參數來控制，易于獲得滿足不同性能要求的理想的納米材料［1—4］。然而，目前對磁控濺射納米材料的研究主要用于表面鍍膜。若將磁控濺射納米材料與襯底剝離，單獨作為成形材料應用于塑性成形領域，尤其是微成形領域，則既可以為磁控濺射納米材料的應用開拓新方向，也可以為塑性成形提供一種性能優良的納米材料，是學科交叉、優勢互補的典型體現。

1 可剝離磁控濺射納米材料研究現狀

目前，國外已有學者將磁控濺射納米材料與襯底剝離開來，單獨研究其材料特性。例如，Lovery，Ishi-da，Zhang等人，采用磁控濺射法分別在玻璃襯底上制備了厚度為 3 μm 的 Cu-Al-Ni，7 ～ 9 μm 的 Ti-Ni，以及6.5 μm的Ti-48.9Ni納米材料，將它們從襯底上剝離后，對退火過程中的馬氏體轉變進行了研究［5—7］。圖1為與襯底剝離后的Cu-Al-Ni納米材料。Park等人采用磁控濺射法，制備了厚度為1 μm的Al-3%Ti納米材料，采用離子刻蝕法將硅襯底腐蝕后，單獨研究了材料在不同溫度退火后的組織演變［8］。這些研究表明，將磁控濺射納米材料與襯底剝離開來研究是可行的。目前將磁控濺射納米材料直接作為成形對象應用到塑性成形領域的研究仍不多見，且其組織結構相對復雜，晶格常數往往不同于其他材料，相關變形機制尚不明確，因此，開展磁控濺射納米材料在塑性成形領域的研究具有開拓性和原創性意義。

圖1 與襯底剝離后的磁控濺射納米材料Fig.1 Magnetron sputtering nanomaterial stripped from the base sheet

2 納米材料的超塑性能

發掘磁控濺射納米材料的超塑性能是將其拓展到塑性成形領域的有效途徑。這是因為磁控濺射納米材料具有超細晶組織，晶界數目多。同時，細小晶粒的等軸性優良，晶粒的滑動和轉動容易進行。而超塑性是一種與材料內部顯微組織密切相關的變形行為，晶界滑移是超塑性變形的主要機制，其形成的變形量占超塑性總體變形的50% ～70%［9］。因此，具有超細晶組織的磁控濺射納米材料符合超塑性的主要條件，有望實現其超塑性。從通用的超塑性本構方程也可以推測到這一點，方程描述了晶粒尺寸、溫度與應變速率三者間的關系:

圖2 納米Ni在不同溫度條件下的超塑拉伸試樣Fig.2 Superplastic tensile samples of nano Ni at different temperatures

3 納米材料超塑微成形

超塑性狀態下材料具有良好的成形性能，能夠在較低的變形溫度下展現出大延伸率和良好的成形性能，特別適合于微小零部件的加工。超塑成形在成形復雜結構件時還具有大塑性變形和大高徑比的特點，應用于微成形可以達到微小的工件尺寸和與工件尺寸相比的絕對小變形［16—18］。因此，國內外在超塑性微成形領域已開展了很多研究，與磁控濺射同為傳統鍍膜技術的電沉積法制備的納米材料已通過超塑性能在微成形中得到應用［19—21］。磁控濺射制備的箔類納米材料具有晶粒尺寸小、空隙率低、純度高的特點，符合超塑性變形和微成形的主要條件。只是，目前磁控濺射納米材料的高溫變形機理尚不明確。超塑變形的主要機制是晶界擴散、晶粒沿晶界的滑移和相鄰晶粒間相互侵吞而產生的晶界遷移，而非常規塑性變形主要依靠位錯滑移，特別是在高溫變形時，兩種過程交替進行，對晶界的依賴性很高。磁控濺射納米材料由于晶粒尺寸小，導致其晶界數量顯著增加、晶界具有異乎尋常大的表面積。同時，磁控濺射納米材料的空隙率低，孔 洞數量減少，在高溫變形過程中孔洞的形核、長大、擴展規律及材料對孔洞的容忍性也會發生顯著變化。因此，磁控濺射納米材料高溫條件下的應力應變關系及高溫變形機制具有復雜性和獨特性。

納米材料超塑性變形的一個關鍵問題是成形后材料存在晶粒過于粗化的問題，這是因為超塑性變形是在高溫和低應變速率的條件下進行的，大量的晶界處于熱力學亞穩態，在適當的外界條件下將向較穩定的亞穩態或穩定態轉化。如丁水等對電沉積納米ZrO2/Ni進行超塑拉伸后，晶粒由變形前的45 nm長大到500 nm，且晶粒長大主要發生在超塑性變形初期［22］，可見溫度對晶粒長大的影響遠遠高于應變量的影響。目前控制晶粒長大的手段大多是降低成形溫度，而這往往以犧牲材料的成形極限為代價。在塑性成形中引入超聲波振動，可以使變形材料中的原子產生受迫振動，給偏離平衡位置的原子以很多的復位機會，使晶格畸變延緩，從而有利于防止被加工材料的硬化和提高材料的塑性。因此，將超聲波振動引入到納米材料的超塑性成形中，有望利用超聲波的“布萊哈”效應能有效改善金屬塑性的特點，在保證成形極限的前提下降低納米材料超塑成形溫度，從而控制超塑成形過程中的晶粒粗化。在超聲波振動的作用下，金屬原子會貢獻出更多的自由電子，增加正離子和自由電子之間的靜電作用，金屬鍵的作用加強和原子結合力增加，從而減小外力作用下斷裂的幾率。然而，金屬原子中自由電子的振動與溫度密切相關，高溫條件下超聲波對金屬塑性的影響將發生顯著變化，而目前將超聲波用于高溫塑性成形的研究鮮見報道。研究超聲波振動條件下納米材料的高溫力學性能，有望揭示高溫下超聲波對納米材料晶粒粗化及成形極限的影響規律。

4 超聲波輔助塑性成形

在納米材料微成形過程中，由于零件比表面積的增加及制品厚度的減小，使得表面質量及精度控制變得困難。一些學者將超聲波應用于微成形以改善此類情況，許多國際一流大學在此領域均展開了研究，不同大學的超聲波發生器結構設計均不相同。圖3是英國的University of Glasgow、美國的North Carolina State University和中國臺灣的National Chiao Tung U-niversity制造的超聲波輔助塑性成形裝置圖。其超聲波發生器的參數基本上是功率2 kW，頻率20 kHz，承載2000 kg。超聲波承載結構與發生器部分接觸，既滿足了可以承載以進行塑性成形的目的，又可以保證超聲波在承載過程中不會漏波而產生聲波衰減的情況。需要注意的是，超聲波發生器輸出的信號頻率必須與超聲換能器、超聲變幅桿以及工具頭構成的工作系統的固有頻率相匹配，才能使換能器工作在理想的諧振狀態。

圖3 超聲波振動輔助塑性成形裝置Fig.3 Ultrasonic vibration assisted plastic forming device

美國的Bunget和Presz等人將超聲波振動應用于微成形，將超聲波發生器的工具頭直接作為擠壓模具的凸模，實驗結果表明在施加超聲波時，成形載荷顯著下降，零件表面質量大幅提高，可以克服常規微成形中出現的摩擦力過大、微模具易損、零件質量差等一系列問題［22—23］。圖4為超聲波輔助成形裝置及微零件表面質量比較，可以看出在超聲波振動條件下，零件表面質量明顯改善。這是因為超聲振動的“表面效應”可以增加潤滑劑的表面活化作用，在某些瞬間使接觸面分離，促使表面發熱，有利于潤滑劑吸入和排出，凈化表面及使摩擦力換向等。超塑微成形時材料始終處于高溫狀態，摩擦因數比冷加工時大，更易導致成形質量下降。在超塑微成形中引入超聲波，有望通過改善摩擦狀態進而提高零件成形質量。然而，超塑微成形屬于高溫成形，材料在成形過程中處于粘滯流動狀態，材料與模具之間接觸面的相互擴散作用增強，摩擦狀態更加復雜，變形均勻性亦發生改變，導致超塑成形狀態下材料的變形特征顯著變化。因此，揭示超聲波振動條件下的超塑微成形特性，是保證超聲波在磁控濺射納米材料微成形領域應用的關鍵。

圖4 超聲波輔助成形裝置及零件表面質量比較Fig.4 Ultrasonic assisted forming device and comparison of surface quality of the parts

5 結語

采用磁控濺射方法制備單獨的納米材料箔是可行的，納米材料在超塑性狀態下雖然變形能力強，但是晶粒易粗大，引入超聲波振動降低其超塑成形溫度是控制晶粒長大的一個方法。將納米材料的超塑成形與超聲振動結合，研究其變形機理，可以為塑性成形領域在此方面的研究奠定理論基礎。

進一步的研究思路可以歸納為3個方面，包括超聲波振動對磁控濺射納米材料超塑性力學性能的影響;超聲波振動對磁控濺射納米材料超塑性變形過程中微觀組織的影響;超聲振動條件下磁控濺射納米材料的超塑微成形特性?？梢酝ㄟ^研究超聲波振動條件下磁控濺射納米材料的超塑性及超塑微成形，綜合利用超聲波的“布萊哈效應”來降低成形溫度，避免晶粒過快長大，降低摩擦作用，提高成形質量。揭示超聲波振動條件下納米材料超塑性變形機理，掌握關鍵控制因素及優化手段，可實現超聲波輔助磁控濺射納米材料的超塑微成形。實現新材料與新技術的有機結合，拓展出新領域，開創出新局面。

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