《納米晶石膏型微熔模鑄造成形及微尺度流動規律研究》是依託哈爾濱工業大學，由任明星擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：納米晶石膏型微熔模鑄造成形及微尺度流動規律研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：任明星
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
微熔模鑄造工藝是全新的微細加工工藝，能夠低成本、大批量高效製備具有三維複雜結構的微金屬構件。微熔模鑄型材料是微構件能否圓滿成形和獲得優質表面質量的最關鍵技術，是微熔模鑄造工藝研究的重點。本申請利用超聲力場作用於微熔模鑄型材料的凝固過程，率先研發全新的納米晶石膏超聲製備工藝，製備出適用於微熔模精密鑄造且具有很高表面光潔度的納米晶石膏鑄型，進而可製備出具有高表面光潔度的三維複雜金屬微鑄件，從而圓滿解決現有的微米晶粒的微熔模鑄型無法製備高質量微鑄件的難點。同時，深入研究超聲力場下納米晶石膏的形核規律，以及超聲力場下納米晶石膏的晶粒細化機理，揭示納米晶石膏鑄型的顯微組織與力學性能相關規律。並利用自主研發的納米晶石膏鑄型，藉助相似物理模擬理論與實驗，研究離心力場下，微尺度空間內液態金屬充型流動規律和停止流動機理，進而進一步最佳化微熔模鑄造工藝，為獲得高質量微鑄件奠定理論基礎。
結題摘要
微精密鑄造技術是金屬微構件最適宜的加工技術之一，鑄型材料的研製是阻礙微精密鑄造技術發展的瓶頸，是目前研究的熱點。本項目完成了預定的研究內容（包括納米結構微鑄型研製，超聲細化機理，充型流動物理模擬），獲得了以下研究成果：藉助超聲空化理論和形核熱力學理論，推導出了超聲力場下石膏晶粒形核率，並得出了形核率與溫度和壓力的相互影響規律，超聲力場作用可以極其顯著地改變石膏晶粒的形態和細化石膏晶粒尺寸，施加超聲力場後，石膏晶粒由重力場下長徑比高達十幾倍的細針狀，轉變為超聲力場作用後的近球形；而石膏晶粒尺寸由重力場下的15~30 μm，顯著細化至超聲力場的500 nm；通過研究不同燒結溫度以及鑄型成份對微鑄型表面粗糙度的影響，確立了微熔模精密鑄造用鑄型的最佳燒結溫度（600℃）和最佳鑄型成份（膏粉比6:4），並製備具有低表面粗糙度的納米晶石膏微鑄型（Ra0.2μm）；改進並建立了離心力場下的微尺度流動的Navier-Stokes全新微分方程，並推導出了離心力場下流體在微尺度下離心流動的相似準則。離心力場下，流體在橫澆道內的微充型流動過程中，優先通過橫截面積最大的流道，並且在充型流動過程中，流體的總能量保持不變，僅發生動能和勢能之間的相互轉化，並以逐層方式平穩的充填流道，同時，流體的自由液面始終呈以轉軸為圓心的規則圓弧面。液態金屬在微流道中充型流動時，其充型長度隨著微流道半徑的減小而降低，隨著旋轉速度和鑄型預熱溫度的增加而提高，並呈現出明顯的微尺度效應。液態金屬在微流道中充型長度在管道直徑400 μm時出現巨觀尺度與微尺度的臨界分界點，而且其停止流動機理為“整體堵塞”的停止流動機理，不同於巨觀尺度的“端部堵塞”機理，呈現出顯著的微尺度效應。
