一种流体环境下的超声辅助粉体成型方法与流程

本发明涉及粉体成型技术领域，具体涉及一种流体环境下的超声辅助粉体成型方法。

背景技术：

粉体静水压力成型过程中，影响压坯密度主要因数有：压力、温度、颗粒之间的摩擦、颗粒破碎率等，由于粉体颗粒是在静水压力下准静态加压成型，粉体颗粒之间的摩擦和粉体颗粒破碎率很难进行控制。受限于提供压力的设备能力和粉体成型机理认知，单纯通过提高压力与温度、优化压制曲线等工艺优化途径来提高压坯的密度和力学性能收效甚微，而且，过高的压力会导致粉体成型部件内部残余应力和弹性后效变大，容易出现裂纹等内部缺陷；过高的温度会使得粉体颗粒界面状态恶化。

技术实现要素：

本发明针对现有粉体静水压力成型技术存在的缺陷，提供一种超声振动辅助的粉体材料静水压力成型的方法，该方法既能减小颗粒与颗粒之间的摩擦力，又能有效提高致密化和密度分布均匀性，降低粉体压坯内部残余应力水平。

为了达到上述技术效果，本发明提供了一种流体环境下的超声辅助粉体成型方法，包括以下步骤：包括以下步骤：(1)组建粉体成型设备，包括高压密闭容器、包套、轴向超声换能器和径向超声换能器，其中高压密闭容器用于盛装流体介质，包套用于容纳粉体颗粒，轴向超声换能器用于产生轴向的超声振动，推动粉体材料产生周期性的上下运动，径向超声换能器用于产生径向的超声振动，推动粉体材料产生周期性的左右运动；(2)将粉体颗粒装入包套中，将包含粉体颗粒的包套放入高压密闭容器中；(3)施加静水压力，通过流体介质向包套施加各向同性的静水压力，包套收缩，带动起内部包含的粉体颗粒向中心移动，并挤压收缩；(4)当静水压力达到设定值时，同时启动轴向超声换能器和径向超声换能器，轴向超声换能器和径向超声换能器产生的超声波通过高压密闭容器壁和流体介质到达包套，超声波再经过包套引入到一定密度的压坯中，使压坯在超声振动作用下进一步致密和应力均匀化；(5)卸载静水压力，取出压坯成品，完成超声辅助的粉体静水压力成型工艺。

进一步的技术方案为，步骤(1)中径向超声换能器在高压密闭容器周向均匀分布，相邻两个径向超声换能器之间呈60°倾角设置；轴向超声换能器和径向超声换能器的安装位置应保证其发出的超声波传播方向在高压密闭容器中心轴线处交汇。

进一步的技术方案为，步骤(2)中在保证强度的条件下，包套厚度应小于等于3mm；包套应放置在高压密闭容器内超声波交汇处。

进一步的技术方案为，步骤(3)中施加静水压力后粉体颗粒在静水压力和温度的作用下初步致密，压坯密度达到其理论密度的80％左右。

进一步的技术方案为，步骤(4)中静水压力分阶段增加，每一阶段保持一段时间，具体为施加第一段加载压力，使压坯密度达到其理论密度的80％左右，压力保持7min；施加第二段加载压力，使压坯密度达到其理论密度的90％左右，压力保持7min；施加第三段到第五段加载压力，使压坯密度达到其理论密度的96％左右，压力保持21min。

进一步的技术方案为，步骤(4)中同时启动轴向和径向超声换能器施加超声波，超声波分为5段间歇加载，每一段包含加载超声5分钟，停歇3分钟。

本发明通过在粉体颗粒静水压力成型过程中引入功率超声，改善粉体颗粒的流动性和填充性能，降低了致密所需要的压力，同时能够提高成型压坯的密度分布均匀性，进而降低粉体压坯的残余应力，增加其力学性能。同时，利用超声波在油介质中传播时产生的机械振动作用、超声空化效应以及介质吸收声波而产生的热作用等，可显著降低流体介质的粘度，达到提升流体介质流动性的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该超声辅助加载静水压力成型方法可以使高压密闭容器内流体介质在超声波作用下产生振动，提高流体介质的流动性和温度均匀性；超声波振动使粉体颗粒产生高频振动，通过颗粒周期性反转，降低粉体颗粒之间的内摩擦提高压坯内部的有效压力；通过超声波的拉伸和压缩作用，提高粉体颗粒的破碎率，实现在现有静水压力成型条件下有效地提高粉体压制成型部件的致密化，改善压坯内部密度均匀性，降低了内部残余应力，从而实现粉体压坯的高质量成型制备。

附图说明

图1为超声辅助的粉体静水压力成型系统示意图；

图2为超声辅助的粉体静水压力成型工艺曲线；

图3为m03材料超声加载成型试样取样位置；

图4为m03材料超声加载成型试样密度分布；

其中，图1中，1-高压密闭容器；2-粉体颗粒；3-包套；4-轴向换能器；5-流体介质；6-径向换能器。

具体实施方式

实施例1

一种流体环境下的超声辅助粉体成型方法，包括以下步骤：

(1)组建粉体成型设备，包括高压密闭容器、包套、轴向超声换能器和径向超声换能器，其中高压密闭容器用于盛装流体介质，包套用于容纳粉体颗粒，轴向超声换能器用于产生轴向的超声振动，推动粉体材料产生周期性的上下运动，径向超声换能器用于产生径向的超声振动，推动粉体材料产生周期性的左右运动；(2)将粉体颗粒装入包套中，将包含粉体颗粒的包套放入密闭容器中；(3)施加静水压力，通过流体介质向包套施加各向同性的静水压力，包套收缩，带动起内部包含的粉体颗粒向中心移动，并挤压收缩；施加静水压力后粉体颗粒在静水压力和温度的作用下致密，压坯密度达到其理论密度的80％左右；(4)当静水压力达到设定值时，同时启动轴向超声换能器和径向超声换能器，轴向超声换能器和径向超声换能器产生的超声波通过等高压密闭容器和流体介质到达包套，超声波再经过包套引入到一定密度的压坯中，使压坯在超声振动作用下进一步致密和应力均匀化；静水压力分阶段增加，每一阶段均保持一定时间，具体为施加第一段加载压力，使压坯密度达到其理论密度的80％左右，压力保持7min；施加第二段加载压力，使压坯密度达到其理论密度的90％左右，压力保持7min；施加第三段到第五段加载压力，使压坯密度达到其理论密度的96％左右，压力保持21min。考虑到超声波的热效应，超声波分为5段间歇加载，每一段包含加载超声5min，停歇3min。其中，第一段和第二段超声在低压下加载，第三段到第五段超声在最终压力下加载。(5)卸载静水压力，取出压坯成品，完成超声辅助的粉体静水压力成型工艺。

实施例2

为考察静流体介质环境下超声对颗粒材料成型的作用效果，采用质地较硬的颗粒材料m01和质地较软的颗粒材料m02进行压制成型，结果显示，在80mpa、室温条件下，未加超声的颗粒材料m01和m02几乎无法凝聚成型；施加超声后，质地较硬的颗粒材料m01经有30mm左右柱段成型，另外有大量的凝聚结块，质地较软的颗粒材料m02则实现了几乎完整的成型，说明流体介质环境下超声对颗粒材料成型有明显促进效果。

实施例3

以质地较软的粉末状材料m03为原材料，采用超声辅助的粉体静水压力成型工艺制备压制毛坯，根据图3的取样位置，提取了φ20mm×20mm试样，并测量了其表观密度，如图4所示，80mpa静水压力作用下，施加超声可以将压坯密度提高1.25％左右(由1.634g/cm³到1.654g/cm³)；130mpa静水压力作用下，施加超声可以将压坯密度提高2.15％左右(由1.739g/cm³到1.776g/cm³)。上述结果表明，在流体介质环境条件下超声对粉体材料成型密度提高具有促进作用。

本发明专利在粉体颗粒成型过程中，通过轴向换能器对粉料施加纵向振动，径向换能器对粉料施加横向振动，带动粉体颗粒周期性运动，降低粉料之间的摩擦力，提高粉体颗粒的流动性和填充性能，增加施加到材料上的有效压力，降低粉体颗粒整体成形力，在一定程度上提高粉体材料的变形能力以及变形的均匀性，得到更好的成型质量。超声辅助加载的静水压力成型压坯温度分布均匀，无明显热点，有较高安全性；超声-等静压力耦合方式是压制领域的一项前沿工艺技术，在有机粉末材料压制领域及其他粉末冶金成型领域具有良好的应用前景。

上述具体实施例仅为对本发明所作的进一步详细说明，本发明的实施方式并不局限于此，即凡本领域技术人员依照本发明进行等同替换或不偏离本思路设计其他的修改和实施方式，都应落在本申请公开的原则范围和精神之内。