金属和陶瓷粉末烧结工艺的试验、建模和数值模拟

【摘要】： 烧结是粉末注射成形(PIM)的重要工艺步骤之一。预测烧结后最终产品的收缩以及力学性能对于注射成形模具以及工艺参数的设计十分重要。本论文工作主要研究烧结过程的建、参数标定以及数值模拟。相关试验研究工作针对316L不锈钢和氧化铝粉末注射成形零件进行。 本研究中采用基于连续介质力学的宏观烧结模型。在使用的热弹粘塑性本构关系中，剪切粘度模量和体积粘度模量的通过粘性-弹性类比分析和扩散蠕变模型确定。采用经验公式确定烧结模型中烧结应力和晶粒长大参数。为了获得准确的数值模拟结果，烧结模型中的参数通过试验标定。对于316L不锈钢粉末注射成形零件，致密化过程十分迅速且发生在很窄的温度区间。参数标定针对烧结的三个阶段分别进行。烧结过程中重力作用下的烧结试验用于标定粘度模量。在此基础之上，膨胀计中的烧结试验用于测量试验在烧结过程中的实时收缩率。该结果用于标定烧结应力表达式中的材料参数。对于氧化铝粉末注射成形产品，烧结致密化的过程相对比较缓慢，而发生在较宽的温度区间。采用膨胀计试验测得的实时收缩率和收缩速率曲线，针对整个烧结过程标定烧结模型中的参数。通过与相应参考资料比较，本研究标定得到的两种材料在烧结过程中的粘度和烧结应力结果合理。 基于所述的烧结模型和标定得到的模型参数，采用有限元方法实施数值模拟。本研究中基于实验室在Matlab~(?)平台上开发的数值模拟程序和商用有限元软件实现烧结过程的数值模拟。烧结模拟中引入了注射成形坯件的初始非均匀密度分布因素。该效应是由于注射过程中粉末与粘结剂间的分离现象造成。通过实验室前期开发的两相流注射模拟软件计算获得密度场的分布。通过对几个零件烧结过程的数值模拟，预测了由于重力、摩擦以及坯件的非匀质性等因素造成的烧结产品的非均匀收缩和变形。基于数值模拟得到的密度和相应的经验公式，预测了烧结后产品的强度。通过试验比较了数值模拟得到的烧结后零件的收缩、变形和强度。