專利名稱：一種阻抗匹配飛片及其在激光驅(qū)動飛片柔性成形中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)領(lǐng)域，特指一種阻抗匹配飛片及其在激光驅(qū)動飛片柔性成形中的應(yīng)用，能夠精確復(fù)制微模具上的微細(xì)特征到微工件上，適用于微尺度下常規(guī)方法難以成形或無法成形的復(fù)雜器件的 微成形。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代微器件需求量的不斷增加，微型化成為當(dāng)代科技發(fā)展的一個重要方向。微成形裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，零件精度要求較高，傳統(tǒng)成形方法與裝置難以滿足現(xiàn)代微零件加工的要求；同時準(zhǔn)靜態(tài)塑性微成形受到尺度效應(yīng)的影響，材料成形能力下降，難以滿足一些高硬度高脆性等難成形材料的加工；近年來迅速發(fā)展的激光加工技術(shù)為我們解決這一難題提供了較好的研究基礎(chǔ)，激光加工質(zhì)量好，加工精度高，與傳統(tǒng)加工方式相比，加工質(zhì)量和效率顯著提高，激光加工技術(shù)日益廣泛的應(yīng)用在微小零件加工上。激光驅(qū)動飛片成形技術(shù)是一種新型高壓高應(yīng)變率成形技術(shù)，即通過激光驅(qū)動飛片加載的方式代替激光直接沖擊，將激光能量轉(zhuǎn)化為飛片的動能，利用激光驅(qū)動飛片高速運動，高速運動的飛片作為激光能量的載體，飛行一段距離后與工件材料發(fā)生碰撞，在碰撞界面上產(chǎn)生高壓沖擊波使材料在微型模具內(nèi)產(chǎn)生超快塑性變形，從而實現(xiàn)工件的精確成形；與氣體炮、爆轟驅(qū)動以及電磁驅(qū)動等傳統(tǒng)高速驅(qū)動方式相比，激光驅(qū)動飛片可以大大地提高飛片的速度，從而能夠產(chǎn)生TPa量級的沖擊壓力，同時裝置簡單，可重復(fù)性較高，是一種低成本、高效率的新型激光微加工技術(shù)，對其所涉及的諸多研究領(lǐng)域都具有極大的理論研究和潛在應(yīng)用價值。雖然激光驅(qū)動飛片成形技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)方法難以成形或無法成形的復(fù)雜器件的微成形，但以往成形實驗中均采用均質(zhì)飛片，高速運動的飛片與工件之間的瞬間強(qiáng)烈沖擊會對工件的成形質(zhì)量和成形效率帶來不利影響；如申請?zhí)枮?00810023264. 3的中國專利一種微器件的激光沖擊微體積成形方法和裝置，該專利采用激光驅(qū)動飛片，將高速運動的飛片作為激光能量的載體，雖然避免了激光直接沖擊對工件帶來的影響，但飛片沖擊工件屬于剛性沖擊，零件表面容易發(fā)生刻蝕或者燒蝕，直接影響到加工工件的表面質(zhì)量；同時沖擊過程中金屬稀釋現(xiàn)象嚴(yán)重，造成加工工件性能的下降；申請?zhí)枮?1134063. O的中國專利一種激光沖擊精密成型方法及裝置，可以利用激光沖擊技術(shù)實現(xiàn)常規(guī)方法難成形或無法成形材料的成形；但其利用激光直接沖擊待加工零件，使得零件受力不均勻，沖擊產(chǎn)生的高溫容易使零件表面產(chǎn)生燒蝕，加工后工件的表面質(zhì)量不高，同時飛片尺寸比工件尺寸大，沖擊碰撞過程中會對模具造成一定損傷，從而降低模具的強(qiáng)度及壽命。以上加工方法由于沖擊成形過程中總伴隨著劇烈的嫡增和溫升，加之飛片動能的熱耗散，溫度和壓力的緊密耦合不利于對材料的深度壓縮，從而很難得到更高的沖擊壓力，導(dǎo)致激光加工成形效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，在以往激光驅(qū)動飛片成形過程中，由于采用均質(zhì)飛片進(jìn)行沖擊，加載速率很高，獲得高壓的同時往往產(chǎn)生高溫，工件材料因為較大的溫升可能會對其性能產(chǎn)生一定影響；剛性沖擊容易對工件表面產(chǎn)生刻蝕或者金屬稀釋，產(chǎn)生的高溫會使工件材料表面產(chǎn)生燒蝕破壞現(xiàn)象，造成工件加工表面質(zhì)量不高；同時由于飛片動能的熱耗散，飛片動能不能最大限度地轉(zhuǎn)換為對工件的壓縮能，不利于對工件的深度壓縮，從而很難得到更高的沖擊壓力，沖擊成形加工效率不高。本發(fā)明中一種激光驅(qū)動飛片柔性成形裝置，主要由激光加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、成形系統(tǒng)組成，所述激光加載系統(tǒng)包括納秒激光器、光束整形器、激光反射鏡、聚焦透鏡，納秒激光器裝有指示光系統(tǒng)；所述成形系統(tǒng)包括試樣裝置、夾具體、三維移動平臺以及支撐臂，成形系統(tǒng)由控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，從而使三維移動平臺達(dá)到指定位置，達(dá)到精確定位的目的，其中試樣裝置主要由光學(xué)介質(zhì)、吸收層、阻抗匹配飛片、飛行腔、工件和微模具組成；所述控制系統(tǒng)由三維移動平臺控制器、計算機(jī)、激光控制器組 成，所述激光反射鏡和聚焦透鏡安裝在支撐臂上；夾具體安放在三維移動平臺上，用于夾緊和定位試樣系統(tǒng)；計算機(jī)分別連接三維移動平臺控制器和激光控制器；所述三維移動平臺控制器與三維移動平臺連接；激光控制器分別與納秒激光器和計算機(jī)連接。本發(fā)明裝置工作時，激光控制器精確控制納秒激光器發(fā)出激光脈沖，脈沖激光經(jīng)過光束整形器、激光反射鏡、聚焦透鏡后作用于試樣成形系統(tǒng)上，激光將通過光學(xué)介質(zhì)照射在吸收層薄膜上，燒蝕部分吸收層并產(chǎn)生高溫高壓等離子體，在激光脈寬時間內(nèi)等離子體繼續(xù)吸收激光能量使得等離子體膨脹；在光學(xué)介質(zhì)的限制作用下，爆炸等離子體迅速向阻抗匹配飛片方向噴濺，其反沖作用力形成強(qiáng)沖擊波驅(qū)動飛片高速向工件飛行；在激光脈沖持續(xù)時間內(nèi)，阻抗匹配飛片將不斷吸收激光能量，將其轉(zhuǎn)化成自身的動能，加速向前飛行；當(dāng)入射激光脈沖結(jié)束時，阻抗匹配飛片已經(jīng)飛行了一段距離并被加速到較大的速度值，因為阻抗匹配飛片的波阻抗值按特定規(guī)律沿飛片厚度方向逐漸增加，根據(jù)沖擊波傳遞規(guī)律，阻抗匹配飛片與工件碰撞產(chǎn)生沖擊波時，首先低阻抗面首先與工件接觸，此時向工件內(nèi)部傳播的是一個較小的沖擊加載波，根據(jù)飛片阻抗分布特點，沖擊波在飛片不同阻抗材料界面之間經(jīng)過多次反射和透射，從而形成對工件的多次小幅加載，從而使工件內(nèi)部密度和壓力不斷緩慢提高，因此阻抗匹配飛片與工件碰撞時對工件產(chǎn)生的是柔性沖擊，在柔性沖擊波和模具的限制作用下，工件達(dá)到成形要求。與以往采用均質(zhì)飛片的激光驅(qū)動飛片成形技術(shù)不同，激光驅(qū)動飛片柔性成形方法采用阻抗匹配飛片，根據(jù)成形需要的沖擊壓力和沖擊波傳遞規(guī)律，將飛片的阻抗值其規(guī)律沿飛片厚度方向逐漸增加，由于飛片是由不同阻抗的材料過渡層匹配組合而成的，其內(nèi)部存在著不同材料之間的界面，這些界面將對沖擊波的傳播產(chǎn)生影響，當(dāng)飛片被加速到高速后沖擊工件時，其低阻抗面首先與工件接觸，此時向工件內(nèi)部傳播的是一個較小的沖擊加載波，工件首先產(chǎn)生一個具有平緩上升壓力剖面的較弱初始壓縮；同時飛片中也要反向產(chǎn)生一個沖擊加載波，不斷向阻抗匹配飛片的高阻抗面?zhèn)鞑?，依?jù)沖擊波在界面的透射與反射原理，當(dāng)阻抗匹配飛片中產(chǎn)生的反向沖擊波傳播至飛片中不同材料的界面時，由于沖擊波前方材料的波阻抗值均大于后方材料，即此時沖擊波是從低阻抗材料進(jìn)入高阻抗材料，因而除向高阻抗材料方向透射一個沖擊加載波外，也將在界面處向低阻抗材料反射一個沖擊加載波，此反射波穿過飛片進(jìn)入工件后，就會工件進(jìn)行再加載和多次加載，從而使工件內(nèi)部密度和壓力不斷緩慢提高，因此，阻抗匹配飛片對工件的壓縮是通過一系列小的沖擊加載過程的疊加來實現(xiàn)，它對工件的壓縮是逐步進(jìn)行的，工件由此獲得的壓力和密度也是緩慢提聞的。阻抗匹配飛片及其沖擊速度必須要與成形工件厚度相匹配，以保證阻抗匹配飛片后界面產(chǎn)生的壓縮作用在進(jìn)入工件之前，從工件自由面(與飛片碰撞的工件表面)反射來的稀疏波不會進(jìn)入阻抗匹配飛片中，而當(dāng)此壓縮波在到達(dá)工件自由面之前，又不會在工件內(nèi)形成沖擊波。本發(fā)明的效果是
I.使用阻抗匹配飛片對工件進(jìn)行柔性沖擊，與激光驅(qū)動飛片剛性沖擊工件相比，沖擊過程所引起工件溫升大大減小，保證了加工時熱敏工件的性能，避免了以往存在的工件表面燒蝕破壞或刻蝕現(xiàn)象，提高了工件的成形質(zhì)量。2.由于飛片對工件進(jìn)行柔性沖擊成形，加載速率明顯降低，由不可逆熱耗散所引起的熱效應(yīng)成分將大大減少，因而阻抗匹配飛片的動能可以最大限度地轉(zhuǎn)換成工件的壓縮能，相同的做功條件下就能夠?qū)崿F(xiàn)更高的壓縮度，從而獲得更高的動態(tài)壓力，提高了激光加 工的效率。3.柔性成形過程中阻抗匹配飛片與工件可以實現(xiàn)緊密貼合，使工件在沖擊成形過程中受力更均勻，并且它們之間僅有極小的相對滑動，因此工件不會產(chǎn)生擦傷，提高了工件的加工質(zhì)量。4.同時采用柔性沖擊減少了金屬沖壓過程中的稀釋現(xiàn)象，保證了工件的性能，同時避免飛片與模具剛性撞擊時對模具所造成的損傷，延長了模具的壽命。


圖I所示是根據(jù)本發(fā)明提出的一種激光驅(qū)動飛片柔性成形裝置示意 圖2所示是根據(jù)本發(fā)明提出的阻抗匹配飛片的原理示意 圖3所示是根據(jù)本發(fā)明提出的成形系統(tǒng)的示意 圖4所示是工件成形后的示意 圖5所示是激光驅(qū)動飛片柔性成形技術(shù)加工的成形工件微觀 圖6所示是激光驅(qū)動飛片成形技術(shù)加工的成形工件微觀 圖中1.三維移動平臺，2.試樣成形裝置，3.夾具體，4.聚焦透鏡，5.支撐臂，6.激光反射鏡，7.光束整形器，8.納秒激光器，9.激光控制器，10.計算機(jī)，11.三維移動平臺控制器，12.光學(xué)介質(zhì)，13.吸收層，14.阻抗匹配飛片，15.飛行腔，16.工件，17.微模具。
具體實施例方式下面結(jié)合

本發(fā)明提出的技術(shù)方案的細(xì)節(jié)和工作情況。圖I為本發(fā)明進(jìn)行激光驅(qū)動飛片柔性成形裝置示意圖，計算機(jī)10控制激光控制器9，激光控制器9可對納秒激光器8發(fā)出的脈沖激光參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和控制。納秒激光器發(fā)出的脈沖激光經(jīng)由光束整形器7，激光反射鏡6和聚焦透鏡4最終傳遞到試樣成形裝置2上，試樣裝置放在夾具體3中，夾具體3安裝在三維移動平臺I上，三維移動平臺I的位移調(diào)整是由計算機(jī)10控制的三維移動平臺控制器11來調(diào)控的。圖3為本發(fā)明提出的成形系統(tǒng)的示意圖；試樣系統(tǒng)由光學(xué)介質(zhì)12，吸收層13，阻抗匹配飛片14，飛行腔15，工件16，微模具17組成；光學(xué)介質(zhì)12采用K9玻璃，其作用是限制等離子體的逆向膨脹，使其沿工件方向運動；吸收層13為黑漆，光學(xué)介質(zhì)12與阻抗匹配飛片14之間使用玻璃膠硅酮進(jìn)行粘結(jié)。阻抗匹配飛片的主要制備要求如下阻抗匹配飛片制備總體要求為飛片中各過渡層的平面度好、層與層之間的平行精度高、整體致密度也要好；制備飛片時，根據(jù)匹配飛片阻抗的設(shè)計范圍，主體材料選用兩到三種金屬粉末，其中高阻抗材料的阻抗值為設(shè)計阻抗范圍的上限，低阻抗材料的阻抗值為設(shè)計范圍的下限，中間的過渡部分通過兩種粉末以不同比例混合來滿足不同的阻抗要求，實現(xiàn)阻抗沿飛片方向的連續(xù)變 化。在同時考慮阻抗匹配飛片的中間過渡層不形成脆性化合物以保證飛片的力學(xué)性能以及飛片要具有較寬的波阻抗范圍的基礎(chǔ)上，對材料進(jìn)行了選擇；金屬物質(zhì)的波阻抗等于密度與體積聲速的乘積，因此金屬密度是決定材料阻抗的一個重要因素；經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)金屬鎢的密度比較高，達(dá)到了 19. 30
XlO3 kg/ m3,而鈦是一種塑性較好的輕金屬，密度僅為4. 51 X IO3 kg/ m3,同時依據(jù)二元
相圖，鑰(密度為10. 22X IO3 kg/m3)與鎢之間不形成化合物，與銻之間也不形成化合物，
因此在眾多材料中選擇W-Mo-Ti金屬復(fù)合體系來制備阻抗匹配飛片。W合金的致密化一般采用液相燒結(jié)的方法，燒結(jié)溫度一般在1673 K以上，Mo合金和Ti合金的燒結(jié)溫度一般需要在1523K-1573K之間，而且它們使用的燒結(jié)助劑種類都不相同，因此，選擇一種合適的燒結(jié)助劑，對于實現(xiàn)阻抗匹配飛片材料的整體致密化非常重要；Fe作為活化燒結(jié)助劑對W，Mo合金的燒結(jié)有一定的效果，有文獻(xiàn)表明在低于4wt%的范圍內(nèi)，F(xiàn)e的添加不僅可以提高Ti合金的燒結(jié)致密度，而且可以提高材料的抗彎強(qiáng)度；另外，弓丨入低熔點的Al，期望能夠在更低的溫度(1473K)下完成燒結(jié)，因此選用Fe-Al燒結(jié)劑來制備W-Mo-Ti復(fù)合材料，同時選用Ni-Cu作為制備W-Mo-Ti復(fù)合材料時的添加劑。實現(xiàn)飛片柔性沖擊成形的前提和關(guān)鍵是阻抗匹配飛片沖擊工件時工件內(nèi)的壓力隨沖擊時間不發(fā)生突躍變化，因此要求梯度飛片的阻抗值隨其厚度的變化關(guān)系滿足特定的曲線形式，制備前首先計算工件成形所需要的成形壓力，以材料的阻抗為設(shè)計參數(shù)，對飛片的阻抗分布進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計阻抗匹配飛片時，首先確定阻抗在飛片厚度方向的變化規(guī)律，本
專利根據(jù)阻抗z和飛片厚度之間的關(guān)系式進(jìn)行計算Z(x) = 2. 245+ax2 ;式中Z(X)為飛
片任意厚度坐標(biāo)X處的阻抗值，系數(shù)a在O. 46-0. 52之間，制備時使用高純的W、Mo、Ti、Fe.Ni.Al和Cu金屬粉末，將原料粉末按設(shè)計配比混合均勻后，依阻抗變化順序?qū)愉佊谑＞咧校ㄟ^控制不同配比的粉末混合鋪填來消除飛片內(nèi)部阻抗值的躍變，在通有流動氫氣的高溫爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)。為驗證激光驅(qū)動飛片柔性成形方法的可行性以及采用阻抗匹配飛片進(jìn)行激光驅(qū)
動飛片成形的效果，按照Z(X) = 2. 245+0. 49 X2制備阻抗匹配飛片，其組成為W，Mo，Ti，
Fe, Ni和Al和Cu高純金屬粉末，它們的平均粒徑分別為I. 7 μ m, 2. 4 μ m, 30 μ m, 20 μ m,30μηι、20μηι和16 μ m。制備時將以上金屬粉末按照表I所不的粉末配比混合均勻后,依次層鋪于石墨模具中，每鋪一層后用金屬壓板輕壓以保證每層的平面性和均勻性，然后將粉末在通有流動氫氣的高溫爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，基本工藝參數(shù)為1466K-32MPa-60min。制備W-Mo-Ti體系密度梯度飛片材料時，W側(cè)與Ti側(cè)中間插入9層中間過渡層，每層的厚度均控制為O. 3mm。表I金屬粉末配比表
權(quán)利要求
1.一種阻抗匹配飛片，其特征在于所述飛片的阻抗Z和飛片厚度之間的關(guān)系式為Z(x) = 2. 245+aX2 ;式中 Z(X)為飛片任意厚度坐標(biāo)X處的阻抗值，系數(shù)a在O. 46-0. 52之間，選擇W-Mo-Ti金屬復(fù)合體系來制備阻抗匹配飛片，選擇Fe-Al粉作為燒結(jié)助劑，同時選用Ni-Cu作為添加劑，使用高純的W、Mo、Ti、Fe、Ni、Al和Cu金屬粉末，將原料粉末按配比混合均勻后，依阻抗變化順序?qū)愉佊谑＞咧?，通過控制不同配比的粉末混合鋪填來消除飛片內(nèi)部阻抗值的躍變，在通有流動氫氣的高溫爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)制備而得。
2.如權(quán)利要求I所述的一種阻抗匹配飛片，其特征在于所述飛片的阻抗z和飛片厚度之間的關(guān)系式為Z(X)= 2. 245+0. 49 X2 ;所述飛片由11層組成，每層的厚度均控制為O.3mm，按照阻抗由低到高，每層的成份按照質(zhì)量百分比計算為第一層Ti，95%;Fe，3%;Al，2% ;第二層Mo，29. 3% ；Ti,65. 7% ；Fe, 3% ；A1，2% ;第三層Mo，46. 8% ；Ti,48. 2% ；Fe, 3% ；Al，2%;第四層Mo ,67% ；Ti,28% ；Fe,3% ；A1，2%;第五層Mo ,86. 5% ；Ti,8. 5% ；Fe,3% ；Al，2% ;第六層Mo，93% ；Ni,3. 5% ；Cu, 3. 5% ;第七層ff，17. 2%, Mo，76. 3% ；Ni,3. 5% ；Cu,3% ;第八層ff，38. 5%, Mo，55% ；Ni,3. 5% ；Cu, 3% ;第九層ff，56. 6%, Mo，36. 9% ；Ni,3. 5% ；(11，3%;第十層胃,75. 4%, Mo，18. 1% ;Ni，3. 5% ;Cu，3% ;第^^一層W , 93. 5%, Ni, 3. 5% ；Cu，3% ;采用W，Mo，Ti，F(xiàn)e, Ni和Al和Cu高純金屬粉末，它們的平均粒徑分別為1.7 μ m,.2.4 μ m, 30μπι，20μπι，30μπι、20μπ^Ρ16μπι，制備時將以上金屬粉末按照粉末配比混合均勻后，依次層鋪于石墨模具中，每鋪一層后用金屬壓板輕壓以保證每層的平面性和均勻性，然后將粉末在通有流動氫氣的高溫爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，基本工藝參數(shù)為1466K，32MPa，60mino
3.如權(quán)利要求I或2所述的一種阻抗匹配飛片在激光驅(qū)動飛片柔性成形中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)領(lǐng)域，特指一種阻抗匹配飛片及其在激光驅(qū)動飛片柔性成形中的應(yīng)用。本發(fā)明以阻抗z和飛片厚度之間的關(guān)系式為依據(jù)Z(x)=2.245+a；系數(shù)a在0.46-0.52之間，制備時使用高純的W、Mo、Ti、Fe、Ni、A1和Cu金屬粉末，將原料粉末按設(shè)計配比混合均勻后，依阻抗變化順序?qū)愉佊谑＞咧?，通過控制不同配比的粉末混合鋪填來消除飛片內(nèi)部阻抗值的躍變，在通有流動氫氣的高溫爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)制得阻抗匹配飛片。使用阻抗匹配飛片對工件進(jìn)行柔性沖擊，與激光驅(qū)動飛片剛性沖擊工件相比，沖擊過程所引起工件溫升大大減小，保證了加工時熱敏工件的性能，避免了以往存在的工件表面燒蝕破壞或刻蝕現(xiàn)象，提高了工件的成形質(zhì)量。
文檔編號B22F3/12GK102861913SQ201210359180
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者王霄, 劉輝, 任國棟, 沈宗寶, 李品, 胡楊, 杜道忠, 張虎, 高陽陽, 郭朝, 劉會霞 申請人:江蘇大學(xué)