功能梯度材料压铸模地设计方法.doc

功能梯度材料压铸模的设计方法 1、相关定义 1.1、梯度功能材料概念 材料的表面改性是材料科学研究中的一个重要课题,对提高材料的使用性能,扩大材料的使用范围,实现材料的功能复合等方面具有重要的意义。表面涂层技术作为表面改性的重要手段能够制备各种特殊功能的涂层,用极少量的材料可以起到整体材料所难以达到的作用同时又极大降低了产品的加工成本。 同时,随着国防高科技的发展,超耐热材料在航天和航空工业中扮演着极其重要的角色。由于航空器机头尖端和发动机燃烧室中的内壁温度高达2000K以上,而机体材料的内表面和燃烧室的外壁要分别具有低温和超低温性能,这样材料处于恶劣的工作环境下,而传统的金属材料和超耐热材料都难以满足这种双重条件。另外,近半个世纪来,汽车材料领域的研究和发展,主要集中于更苛刻条件下工作的机械系统,如新研制的高速发动机。新一代的高速发动机,要求提高工作温度及转动速度,而现在大多数材料都无法很好的满足这种需要[7]。 人们试图将金属材料与超耐热材料复合,或在金属材料表面涂覆耐热涂层以达到上述要求。但是,由于两种性质不同的材料的热膨胀系数相差较多,导致这两种材料接合面的热应力过大,因此使复合材料或涂层脱落、龟裂而失效[8]。 为了适应宇航、航空、先进动力等高新技术领域对材料提出的苛刻要求,首先由日本学者新野正之等人提出了梯度功能材料的概念[9]。如图1-1所示。梯度功能材料是一种组分、结构、物性参数和物理、化学、生物等单一或复合性能都呈连续变化,以适应不同环境,实现某一特殊功能的一类新型复合材料[10]。 图1-1 功能梯度材料的概念 与传统的的功能(无梯度)材料相比,FGM的组成、组织(含亚结构和空隙在内)是形态和结合方式有所不同,FGM组成的连续分布、组织的宏观连续微观不连续形态以及要素的共轭结合方式等特征使得这种材料能以所期望的成分分布形式出现,并可能具有复数(非简单复合)功能。复合材料界面上热应力过度的蓄积是导致材料开裂和剥离发生的主要因素,因此,使超耐热材料和耐低温材料之间的组成连续地梯度变化,消除两种材料直接接合引起的性质突变因素。从而最好地缓和了热应力而又最多地保留了两种材料的优良特性[11]。如陶瓷/金属FGM,它一侧是具有高强度、高韧性的金属材料,另一侧则是具有耐高温的陶瓷材料,并且从金属材料面到陶瓷材料面的中间过渡层,起组成、结构呈梯度变化。在金属侧附近,金属是基本相,陶瓷是弥散相,而在陶瓷附近,情况则恰恰相反。在中间部分,形成复杂的网络结构。我们可以通过下面图1-2说明梯度功能材料(Ti-ZrO2系梯度材料)的组织结构。[12] 图1-2 Ti-ZrO2系梯度材料沿厚度方向截面的的梯度层结构 及组成的元素线扫描结果 图1-3 Ti-ZrO2系梯度材料沿厚度方向各梯度层截面的扫描电镜背散射电子成分相 1.2、功能梯度材料的概念 根据上述背景,日本几位材料科学家[1]在 1987 年提出了功能梯度材料(Functionally graded Materials)的概念。所谓功能梯度材料是指构成材料的要素(组成、结构)沿厚度方向由一侧向另 一侧呈连续梯度变化,从而使材料性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料。初始,这种材料 的应用目标主要在航天飞机的防热系统中,如图 1.1 所示[2],通过控制过渡区的成分、微观结 构和孔隙率,使外层陶瓷与内层金属的热膨胀系数差得到补偿,使结合部位的宏观界面消失, 从而得到具有热应力缓和功能的高性能功能梯度材料,这样一方面避免了金属和陶瓷之间因物 理及力学性能上的巨大差异所造成的界面应力问题,另一方面又能充分缓和材料在使用过程中 因高温度落差所产生的热应力。 图 1.1 陶瓷/金属功能梯度材料的结构和特性 2 1.3、定义操作 在操作设置对话框中定义操作名称,加工机床及加工坐标系等。在机床的定义中, 采用了压铸模制作系统与 Pro/NC 交互的方式进行定义。进入压铸模制作系统的机床库, 选择相应的机床。如图 6-32 到 6-34 所示。 图 6-32 机床库界面 图 6-33 铣床库 75 中北大学学位论文 图 6-34 选定机床的具体参数 1.4、压铸模具的定义 压铸是压力铸造的简称。压力铸造是将熔融的合金液注入压铸机的压室中, 压室中的压射冲头以高压、高速将其充填入金属模具的型腔,并在高压下冷却凝 固成形为金属零件的一种方法。金属压铸成形所用的模具称为压铸模具,是用于 成形金属压铸件的模具,它是型腔模中的一种类型。 1.5、材料的定义 “材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材 料是人类赖以生存和发展的物质基础[4]。”在壁画艺术领域的材料就是绘画的媒材, 是一种多形态的元素,不同的材料在置于不同的建筑形制