数值模拟在粉末冶金中的应用概况_陈平

数值模拟在粉末冶金中的应用概况Ξ

□陈　平　肖志瑜　朱权利　张　文

摘要　简介数值模拟应用在粉末冶金中的一些基本模型和方法以及近来在粉末压制、注射成形、热等静压成形等领域的研究应用情况。

关键词:数值模拟　粉末冶金　应用

中图分类号:T B331　文献标识码:A　文章编号:1671—3133(2004)09—0001—02

Application of numerical simulation in the powder metallurgy

□Chen Ping,Xiao Zhiyu,Zhu Q uanli,Zhang Wen

Abstract　The main m odel and method of numerical simulation is introduced.The application and development of numerical simulation in the metal powder com paction,powder injection m olding,hot is ostatic pressing is als o reviewed.

K ey w ords:Numerical simulation　Powder metallurgy　Application

一、数值模拟在粉末压制成形中的应用

粉末压制成形时金属粉末的应力变形比固态金属复杂,可归纳为两个主要阶段:压制前期松散粉末颗粒的聚合及压制后期为含孔隙的实体。粉末压制时由于大量不同尺寸粉末颗粒间的相互作用以及粉末与模壁间的机械作用和摩擦作用,再加上制品密度、弹性性能、塑性性能间的相互影响,粉末的力学行为是非常复杂的,还没有一个统一的材料模型。目前由于非连续介质力学的基本理论还很不完善,国内、外的研究大多是将粉末体作为连续体假设而进行的。

粉末压制模型可简化成弹性时的应力应变方程。复杂情况时就应该包含在应力、应变状态时的各种因素,如应变(应变硬化)、应变率、温度、微观结构、各向异性时间(蠕变和黏弹性的)的影响。实际应用中,粉末压制模型是以完全致密化材料的基本模型为基础加上给定一系列引起塑性流动的条件而建立的。

一般用有限元法来分析处理粉末压制模型的数据。用有限元法分析粉末压制的困难是因为产生了大的应变,这些大应变很难用传统的方法来分析,需要建立一种新的节点模型。压制过程的复杂是因为粉末颗粒的运动不一致,同时加载力、粉末颗粒间及粉末与模具的摩擦都会影响密度,这些因素间的相互联系和影响目前还不清楚。近来的工作重点是把弹2塑性基本方程与有限元方法相结合,虽然摩擦作用未完全考虑,但模型预测的密度变化与试验结果相吻合。

现在国内、外研究者的建模工作有四种途径:金属塑性力学方法;广义塑性力学(土塑性力学)方法;微观力学方法;内蕴时间理论方法。各种方法既有长处,又有不足。连续体力学理论体系完备,但在低密度情况下,其假设与实际情况有出入。微观力学方法主要由分子动力学方法和特别单元法组成,求解复杂,并且模型粗糙,只适合粉末堆积和静压制过程。内蕴时间方法的理论尚处于发展之中,因此目前只能是运用连续体力学方法:即金属塑性力学方法和广义塑性力学(土塑性力学)方法。实际应用中,粉末压制模型是以完全致密化材料的基本模型为基础加上给定一系列引起塑性流动的条件而建立的。

二、数值模拟在注射成形中的应用

粉末注射成形(P owder Injection M olding)是一种生产复杂金属陶瓷制品的近成形技术。金属或陶瓷粉末在添加混合剂后,像塑性注射成形一样注入模具中成形。粉末注射成形有两个优势;一是成形不受轴向压制的限制,二是力学性能随零件的高致密化而大大提高。其缺点是成本更高,尺寸因较难去除粘结剂而受到限制。粉末注射成形适于大规模生产传统方法难成形的小型复杂零件(小于50g)。

国际上目前对粉末注射成形过程的模拟研究绝大部分都是沿用塑料注射成形过程的研究方法,即基于连续介质模型,不考虑喂料在流动过程中的内部结构变化及模壁冷凝层的影响,并认为流动是充分发展的,引入“润滑”近似,将充模过程视为广义的Hele2Shaw流动,使之成为一个相对简单的非线性动力学系统。大部分聚合物成形和粉末注射工艺的模型都是以Hele2 Shaw模型为基础。

注射成形是关键的阶段,因加工方法或工艺参数不当(如注射温度和压力)会产生很多缺陷,如缩孔、空

　试验研究　

Ξ国家自然科学基金重点项目(50135020)、国家“863计划”项目(2001AA337010)、广东省自然科学基金团队项目(003019)

隙、焊接线等。以前工艺参数都是通过试验获得,成本高,耗时长。计算机模拟可大大减少工艺设计时间,降低成本。确定金属或陶瓷混合粉末在注射过程中的流动性质是应用计算机模拟技术推广粉末注射成形工艺的关键。需要弄清楚局部剪切率和加热后润滑剂对非牛顿流体的各种影响。

当用有限元法和有限差分法分析数值时,两种方法的相似性在于把一个偏微分方程式转变成一系列几何方程。不同之处在于有限元法把区域划分成离散的有限块,然后用泰勒展开式得到足够精确的解。有限差分法则是采用可能会降低精度的梯形状的长方形小格子代替斜边区划分出大量区间的方法,因有编程简单,运算有效的优点,在一定内存的情况下,有限差分法比有限元法多计算20～50倍的单元格子区,这样就能处理小区间现象和大的温度、速度梯度,所以特别适用于在快速填充时因低热传导性而具有大的温度、动量梯度特征的粉末注射成形和聚合物成形工艺。

国际上目前的粉末注射成形模型是以生产三维零件的铸造模型为基础的,过程的模拟研究绝大部分都是沿用基于连续介质模型的塑料注射成形过程的研究方法。当然粉末注射成形模型需要对铸造模型修改,增加与PI M工艺有关的一些参数如粘性、发热等。实际应用中,运用有限差分法和基本方程相结合将零件的几何外形分成许多方形的小格子单元,在得到方程解时也可分析速率、温度、剪切率及传质现象。

国内学者还提出将分形和混沌理论引入PI M过程的研究,建立颗粒模型、两相流模型,采用多重网格等新的数值方法进行过程模拟来解决问题的设想。

三、数值模拟在热等静压成形中的应用

等静压成形分冷等静压成形(CIP)和热等静压成形(HIP)两类。热等静压成形原理是以高温高压下粉末凝固过程的基本关系为基础的理论。通过热等静压得到的金属粉末固体,可以制造出成本合理、高质量及高性能的零件。在铸造中应用热等静压工艺,优点很突出,能够获得没有缩孔、夹渣、偏析的均匀、优良颗粒结构;铸造出来的零件由于具有近乎网状和良好的微观结构,可以减少加工时间;能够减少在零件加工完毕后令零件产生扭曲变形的残留应力。

热等静压从本质上来说也是一种热加工工艺。热等静压过程中的粉末固结和热量迁移是同时进行的,固结中的物理机制包括塑性屈服、蠕变和扩散。而粉末凝固过程中的局部压力和温度决定着这些物理机制对粉末固结所起的作用。同时,粉末凝固中的热量迁移(主要是热量传递)又深受局部相对密度的影响。因此,对热等静压的分析必须结合热力学。

建立热等静压加工模型需要解答下述问题:运动方程、质量守恒方程、基本方程组、初始和边界条件的设定。同时还需要了解粉末的蠕动规律。粉末蠕动规律反映了制模粉末原料的流动行为。粉末的流动行为又反映了单个颗粒流动行为与粉末聚合体流动行为的综合作用,这可以用微观的、粘塑性的势能函数来描述。这个函数表明了屈服点的变化是由于相对密度的作用,公式为:<=S2+bp2-cs2=0,这里,S代表粉末聚合物偏应力的数值,s代表粉末颗粒偏应力的数值, p是压力,参数b和c由试验确定的相对密度作用值。以这个制模为基础,需要如下粉末材料特征量:颗粒的流动行为,基本关系,整体粉末的b和c参数,温度函数中的粉末确切热度以及密度函数中的粉末导热性。

国内学者通过数值模拟来优化工艺参数,热等静压试样的断裂韧度提高了30%。还有通过数值模拟来预测分析铁基复合材料凝固与温度和流动特性之间的关系。国外学者对粉末构件冷等静压成形用有限元法数值模拟后,发现零件和模具的几何形状对密度缺陷有很大影响。

四、结语

大力开展计算机模拟技术的研究,发展更加符合实际状态的颗粒模型和相应的数值模拟计算方法,开发出诸如产品设计、生产过程控制与模拟的计算机应用软件,可以更深入地分析粉末成形过程,研究粉末成形本质,缩短产品开发周期,提高产品质量。

参　考　文　献

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2　Cheng Y F,Cuo S J,Lai H Y.Dynamic S imulation of Random Packing of S pherical Particles.P owder T echnology,2000,107

3　汪俊,李从心.粉末金属压制过程建模方法(1).金属成形工艺,2000,18(2)

4　郑洲顺,曲选辉等.粉末注射成形过程计算机数值模拟.中国机械工程,2002,13

作者简介:陈平,硕士研究生,主要研究方向:粉末冶金材料成形及数值模拟。

作者通讯地址:华南理工大学机械工程学院02级硕(广州510640)

收稿日期:20040228

　试验研究