摘要
粉末压实是粉末冶金生产过程中的重要步骤之一，是制备密度高且分布均匀的粉末压坯是生产高质量粉末冶金产品的前提。本课题结合脉冲激光具有高应变率动态加载特性和适合于微成形的独特优势，提出激光冲击动态加载实现微零件粉末压坯动态压实新方法。通过激光冲击动态压实理论研究、实验研究以及数值模拟对激光冲击动态压实性能和粉末压坯致密化机理进行了系统的研究，本文主要研究工作于成果如下： （1）激光冲击动态压实理论基础：研究了脉冲激光与物质的作用和激光诱导冲击波机理，构建了激光诱导冲击波的力学模型；研究了动态压实中冲击波理论，分析了压实过程、颗粒间焊接机理和压坯细观致密化现象及其机理；研究了材料高应变率下塑性变形理论，包括应变率效应、材料的屈服准则和应力应变关系。上述研究为后续动态压实实验和数值模拟研究提供了理论依据。 （2）从初始密度、激光能量、粉末形态和冲击次数等工艺参数对铝粉和铜粉进行了激光冲击动态压实实验：①激光冲击动态压实前铝粉和铜粉应先预处理压至相对密度70%和55%左右，以获得最好激光冲击动态压实效果。②压坯的致密度随着激光能量的增加而增加，变形抗力产生导致最终致密度的增加幅值逐渐减少。在1800mJ激光能量冲击预压处理后的粉末，铝粉压坯一次冲击基本达到完全致密的99.72%，铜粉压坯达到91.35%。③进一步对铜粉进行冲击次数研究结果表明，铜粉压坯的致密度随冲击次数的增加而小幅增加。激光冲击粉末材料的应变硬化现象通过先小激光能量再大激光能量冲击能明显减少，通过360mJ+1800mJ激光能量二次冲击使铜粉压坯相对密度提升至96.5%。④铜粉形态研究结果表明，最终致密度随着粉末粒径的减小而增加，球形铜粉压坯在宏观上压坯易出现裂纹、层裂等缺陷，而不规则铜粉压坯成形良好且无明显缺陷。 （3）铜粉和铝粉压坯的微观结构表征和力学性能研究：①表面微观结构分析表明随着激光能量的增加颗粒的变形逐渐明显，1800mJ激光能量下压坯表面出现铝粉颗粒融化，而铜粉压坯表面仅有局部融化。②截面微观结构分析表明，压坯的孔隙率的随着激光能量的增加而减少，且孔径分布均匀。③断面微观结构分析表明，球形铜粉与铝粉结合机理类似，通过高应变塑性变形使氧化层破裂形成固态压焊，而形态不规则的铜粉以固态压焊和机械内锁力连接，适合激光冲击动态压实工艺。④显微硬度分布结果表明，显微硬度逐渐随着激光能量的增加而增加且压坯内部显微硬度趋于均匀化。结合微观结构结果表明，激光冲击产生剧烈冲击波传播，最终压坯密度均匀性要优于低应变率的粉末压实方法。 （4）进行了激光冲击动态压实铝粉数值模拟研究：①基于激光冲击动态压实原理进行合理简化并建立二维MPFEM模型并进行相应的数值模拟，模拟结果的铝粉压坯致密度与实验数据接近，验证了MPFEM有限元分析模型的有效性。②模拟了冲击波传播过程，结果表明致密的初始堆积结构促进冲击波的传播，更快实现粉末压坯的致密。在1800mJ激光能量冲击下，所有粉末颗粒间速度均达到冲击固态压焊的最低速度。③随着激光能量的增加，冲击波建立初期建立时间逐渐减少，冲击波波阵面的影响区域更加集中且颗粒间产生更高的应力。④系统能量历史结果表明，冲击能量主要转化为塑性应变能和其他能量耗散，激光产生的剧烈冲击波有益于冲击能量的高利用率。⑤在二维颗粒配位数为6时，颗粒的等效塑性应力和等效应变相对较低，颗粒在较小塑性变形情况下填充颗粒间的孔隙。⑥等效塑性应变分布很好地揭示了激光冲击动态压实压坯成形规律，包括压坯表面和断面微观结构、压坯边缘区域毛刺、压坯内部孔隙和显微硬度分布。 本文结合本文结合理论、实验和数值模拟的研究方法，分析了激光冲击动态压实工艺的成形过程、压坯致密化机理和压坯成形规律。验证了激光冲击动态压实金属粉的可行性，证明了其在微零件尺度粉末压坯动态压实成形的潜力。
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