引 言

粉體壓制成形是將預先充分混合的復合粉體置于鋼制壓模內，通過模沖對粉體進行加壓，以獲得具有一定形狀、尺寸、密度和強度的壓坯。粉體壓制成形技術在材料制備和零件制造中具有諸多優點[1-2]:適用多種材料的制備，如難熔金屬及其化合物、假合金、多孔材料等；能壓制成需要很少或不需后續機械加工的壓坯，工藝流程減少，產品成本降低；可保證材料成分配比的正確性和均勻性；可生產出形狀相同的產品，降低了制造成本。所以，粉體成形制品在汽車制造、信息產業、機械制造、石油化工、能源動力、國防裝備、航空航天產業等高科技領域得到了廣泛的應用，成為國民經濟和國防建設的重要組成部分[3-11].粉體成形技術也因此成為國家重點發展的新技術，研制出高性能、高強度的粉體成形制品成為各國研究人員的目標。

粉體成形制品的密度和均勻性至關重要，提高成品的密度和均勻性不但能夠提高其硬度、抗拉強度、疲勞強度等綜合力學性能，還可以提高材料本身的電導率、熱導率、磁導率、熱膨脹系數等物理性能。高密度的粉體冶金材料還可以使零件有較好的加工性能和較好的加工表面[12-14].因此，圍繞如何提高粉體成形制品的密度和均勻性，國內國際的研究人員開展了大量的工作[14-18],推出了溫壓、爆炸壓制、快速全向壓制、高速壓制、動力磁性壓制等粉體壓制成型技術，這些技術盡管具有各自的優勢，但仍存在著或工藝復雜或價格偏高或成品質量不佳或污染環境等不足（見表 1），亟需探索更高效優質環保的方法。

超聲波加工技術[19]最早始于 1927 年，隨后研究人員開展了超聲波應用于材料加工的多項研究和探索。研究證明：在粉體壓制過程中施加一定的超聲振動，不但可以有效提高壓坯的密度和硬度，而且可降低粉體顆粒間以及粉體顆粒與模壁之問的摩擦，提高粉體壓坯的均勻性，從而提高粉體成形制品的性能和強度[20-24].由此，國內外研究人員開展了一些針對不同材料的超聲壓制成形技術的研究工作。目前，超聲波壓制成形技術研究的對象以金屬粉末為主，高分子粉末和陶瓷粉末的超聲壓制成形技術的研究也取得了一定的進展。

1 金屬粉末的超聲壓制技術

超聲金屬粉末壓制技術是超聲塑性加工技術的一個分支，金屬的超聲塑性加工效應[25]是 1955年由奧地利科學家 Blaha 和 Langenecker 首先發現的，因此也稱為 Blaha 效應，他們在進行鋅棒拉伸實驗時發現，當對試件或工裝模具施加超聲波振動時，材料的變形力明顯下降。

超聲振動在材料塑性變形中的作用機制主要表現為體積效應和表面效應[26,27].“體積效應”是指超聲振動外場引起材料內部微粒的振動，使材料溫度升高、活性增大，出現與材料內部位錯有關的熱致軟化，從而降低材料本身的動態變形阻力；“表面效應”主要表現為超聲振動對材料和工具（即材料塑性變形中的加工工具，如擠壓桿、擠壓模具等）之間外摩擦的影響；同時超聲振動引起工具與工件瞬時分離，局部熱效應也有利于材料的塑性變形。

在體積效應和表面效應的共同影響下，根據李祺等[24]對純鐵粉 700 MPa 壓力下，常規壓制與超聲壓制的動態壓制曲線結果表明（見圖 1），超聲壓制的上模沖的位移量明顯增加，即超聲壓制下粉體壓坯密度高于常規壓制的壓坯密度，且超聲振動可提高粉體壓坯的密度均勻性。對于金屬粉末，國外在超聲壓制成形技術的研究開展較早。1984 年，日本學者 Tsujino. J[20]等將大功率超聲外場應用于銅粉壓制試驗，壓制坯料高徑比<1.其超聲的施加方式為：在上、下模沖施加頻率為 20 kHz 的持續超聲振動，陰模分別施加縱向（沿壓制方向）、軸向（垂直于壓制方向）和多向（與壓制方向呈一定角度）的超聲振動，如圖 2 所示。實驗結果表明，在 200 MPa 的壓力下，多向超聲外場可以將銅粉壓坯密度提高 20%,且坯密度分布更加均勻。1991 年，Tsujino J 等[21]在真空條件下，在銅粉（壓坯高徑比<0.5）壓制過程中施加多向復雜大功率超聲外場。實驗結果表明，在超聲振動作用下，金屬粉體壓坯的密度得到了有效提高，密度分布更均勻。

2008 年，Tsujino 等[22]再次應用多向復雜超聲壓制裝置對銅粉和鐵粉分別進行了成品直徑為 15mm 和 5 mm 的壓制實驗，無超聲和有超聲的壓制成品外觀對比見圖 3,由圖 3 明顯可見，有超聲加載的壓坯表面更平整和光滑。2008 年，為提高超聲馬達磁芯的質量，KIKUCI 等[23]設計了金屬粉體磁芯的多向超聲振動壓制設備（見圖 4），并通過有限元仿真的方法研究了超聲振動在壓制模具中的傳遞方式，優化了超聲壓制設備的尺寸，使超聲振動能夠更有效地傳遞至粉體壓坯，隨后又在 300 MPa條件下進行了粉體 SMC500（粒子大小 120 μm）和SMC550（粒子大小 150 μm）的壓制實驗，壓制時間8 s.繪制的密度和超聲振幅的實驗數據表明（見圖5、6），超聲振動的振幅越大，粉體壓坯的密度就越大。2009 年，Hyun Rok Cha 等[28]進一步對使用SMC 粉體進行超聲壓制高效磁芯馬達的相關工藝參數進行了仿真分析和優化，得到壓制密度為 7.4g/cm3的參數設置為 830 MPa,12 個以上的振子，振子的輸入功率為 6000 W.2011 年，H. R. Cha 對使用超聲壓制技術進行碳化鎢納米粉末壓制的壓坯密度和硬度進行了研究[29],實驗結果表明，與常規壓制對比，壓制過程中，對模具外周沿徑向均勻施加頻率 20 kHz 縱向半波振幅的 6 kW 功率超聲，壓坯的密度最高可提高 1.0~ 0.18 g/cm3,硬度可提高 20%;超聲壓制壓坯密度的提高在較低壓制壓力下更明顯，200 MPa 壓制壓力下壓坯密度增加約15%,而 250 MPa 壓力下壓坯密度增加則只有2%~3%.2014 年，Y. Daud 等[30]設計了僅在下模沖施加 20 kHz 縱向振動超聲的粉體簡易型超聲壓制裝置，進行了不銹鋼粉體的超聲壓制實驗，通過對模沖壓制力位移數據的分析研究，得出結論認為：超聲壓制可以明顯地以較低壓制壓力使得模沖位移提高 140%~170%,從而說明超聲壓制方法對粉體壓制是行之有效的。

國內，李祺等[24]在 2010 年前后開展了粉末材料的超聲壓制裝置和技術的研究；研制出超聲粉末壓制試驗裝置（見圖 7）；根據超聲粉末塑性成形機理和超聲減摩效應，利用有限元仿真了超聲粉體的壓制成型過程；以還原純鐵粉為原料，開展了超聲粉體壓制實驗，和常規壓制的壓坯密度進行了對比分析。研究結論認為：（1） 壓制壓力在 300~500 MPa時，超聲壓制和常規壓制的壓坯密度均隨壓力增加而上升，變化趨勢相同，但在 500~700 MPa 壓制壓力時，常規壓制的壓坯密度基本不再隨壓力增加而上升（見圖 8）；（2） 與常規壓制相比，在壓制壓力300~500 MPa 下，超聲壓制的壓坯密度高 0.1g/cm3,在 500~700 MPa 的壓制壓力下，超聲壓制的壓坯密度增幅達 0.3 g/cm3（見圖 8）；（3） 700 MPa壓制壓力下，超聲壓制壓坯的最大密度差為 0.6g/cm3,常規壓制壓坯的最大密度差為 0.76 g/cm3,超聲振動壓制的孔隙率降低了 4.3% （見圖 9、10）；（4） 隨著超聲振動作用時間增加，壓坯密度增加；增加裝粉量，即與模壁接觸面積增加，有利于提高超聲振動壓制密度（見圖 11）。

2 陶瓷粉體的超聲壓制成型

現代陶瓷制品的成形屬粉體或顆粒狀材料成形，其成形過程與粉體壓制的過程相同。因此，陶瓷粉體的壓制成型一般采用金屬粉體相同的技術。

超聲應用于陶瓷的壓制成形，最早是在 1991 年，日本學者 Tsujino. J 等[21]在真空條件下采用多向復雜大功率超聲外場進行了壓電陶瓷 PZT 粉體的壓制實驗，實驗用材料為 PZT 陶瓷粉體 2~8 g,成形制品的高度-直徑比為 0.12~0.49（該裝置也用于銅粉的壓制實驗）。結果表明，在超聲振動作用下，陶瓷粉體壓坯的密度得到了有效提高，密度分布更均勻，且壓電陶瓷壓坯的電學性能和機械特性比常規的壓制方法更好。2008 年，Tsujino 等[22]再次應用多向復雜超聲壓制裝置對混合有少量樹脂粘結劑的二氧化鋯粉體（陶瓷粉體）分別進行了成品直徑為15 mm 和 5 mm 的壓制實驗，結果有超聲加載的壓坯表面更平整和光滑。

1997 年起，俄羅斯學者 Khasanov 等[31,32]以靜壓740 MPa 和超聲電功率 1.5 kW,使用超細納米陶瓷粉體進行了 PZT 壓電陶瓷的超聲壓制成型實驗，壓制出直徑 10.1 mm、厚 2.5 mm 的試樣，通過與無超聲方法壓制出的試樣密度和陶瓷粒子大小等進行對比分析，表明超聲壓制方法可以得到密度更高、粒子更小因而結構更均勻的壓電陶瓷。此后，他們對不同壓力和超聲功率下[33],以模體軸向為基準，分別在橫向與縱向施加超聲壓制出的壓電陶瓷的密度、粒子、硬度、斷裂剛度等進行了分析，認為與粉體模體軸向垂直的橫向施加超聲可以得到最優特性的壓電陶瓷（密度達 5.78 g/cm3,粒度 300nm），如圖 12 所示。圖中（+）表示橫向施加超聲的壓制；（=）表示縱向施加超聲的壓制。此后，又針對納米陶瓷粉體干法壓制壓電陶瓷過程中，工藝參數如壓力、超聲功率等對壓電陶瓷性能的影響進行了研究[34],對壓力 99.2 MPa 下不同功率的陶瓷密度（見圖 13）分析后認為，燒結后致密度較高的工藝參數為壓力 P=99.2 MPa,超聲功率 W=1 kW.

目前，在國內關于陶瓷粉體的超聲壓制技術的研究還幾乎沒有報道。

3 高分子粉體的超聲壓制成形

當前，高分子材料特別是塑料的使用范圍正日益擴展，被廣泛用于制造火箭、導彈、超音速飛機、原子能設備、大規模集成電路以及軍事裝備等所需要的各種零部件，在許多領域開始逐步取代鋼鐵等傳統材料，對于高分子塑料成形制品的技術研究在不斷深入和拓展。

同傳統的熔體模塑成型方法相比，塑料粉體的固相壓制成形有許多優點：成型是在室溫下進行的，比傳統的熔體加工技術節省能源，且不會像注塑成型那樣對制品的厚度有限制；能較為容易地加工一些難加工的塑料，例如某些在溫度高至其熱分解溫度時仍然是固態的塑料，某些在模塑溫度下粘度太高的塑料，以及目前使用較多的質優價廉的高填充量塑料。由此，壓制成形技術在高分子塑料零部件制造中的應用日益增多。然而，在實際的壓制成形中也發現，對某些塑料粉體而言，即使采用高壓（200~500 MPa）冷壓縮成型方法也很難加工，但是，采用超聲波則可以在低壓力下（3.5 MPa）把這些塑料粉體加工成產品[35].

國外對塑料粉體的超聲成形研究始于 1974 年，H. V. Fairbanks[36]首先進行了熱固性和熱塑性粉體成形過程中僅施加 20 kHz 超聲和一定壓力而不額外加熱的試驗，表明塑料粉體的超聲壓制成形是可行的。

1981 年，Paul 利用超聲波焊接裝備（900 W、20kHz）模塑了聚丙烯粉體，并且優化了模塑件的強度[37].

結果表明：影響模塑件強度的參數主要是超聲波的作用時間以及隨后的保壓時間；塑料粉體的粒徑越小，模型件的拉伸強度越高；壓力對強度無顯著影響。最佳條件下得到的試件，其拉伸強度是 20MPa,約為注塑件拉伸強度的 80%.超聲波塑料粉體壓制成形不僅適合于那些熱敏性的材料，而且也適合于高分子量的聚合物，如超高分子量聚乙烯粉體。1990,Benatar 等人[38]研究了高密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯的超聲波粉體壓制成形，用普通超聲波塑料焊接機完成了這些粉體的壓制成形。結果表明：超聲波壓制技術具有許多優點（如無需外部加熱、成型周期短、易于加工其它方法難于成形的增強塑料等）。日本學者前田禎三[39]及松岡信一[40]也進行了類似的研究。

有機含能材料一般具有較高的能量密度、機械強度，壓制成形技術中的安全性以及壓制成品的最終性能參數是研究關注的主要方向[41,42].中國科學院聲學研究所東海研究站開展了超聲波加載對含能有機復合粉體成形效果的作用研究，以高聚物黏結炸藥（PBX）代用粉體為原料，進行了超聲壓制和常規壓制的對比實驗。在相同壓力、環境條件下，與常規壓制取得的壓坯相比，超聲壓制的壓坯密度可提高 1.79%左右，彈性模量提高 10%左右（見表2）；利用 CT 成像技術對壓坯進行掃描（見圖 14），顯示均勻性也有一定程度的提高；利用聲速法對壓坯進行測試（見圖 15），超聲壓坯的超聲縱波聲速為1017 m/s,而常規壓制壓坯的縱波聲速是 962 m/s,這表明壓坯強度明顯提高，利用 FLUKE Ti25 熱像儀對壓制剛完成的壓坯進行測量，其表面溫度分布均勻，未出現局部過熱現象。實驗結果表明，超聲波加載成型技術對提高含能材料的密度，降低內應力，提高成品品質具有顯著的促進作用，此外，對于含能材料而言，壓制過程中無局部過熱現象，可以保證壓制過程的安全性。

4 結 語

綜合粉體材料壓制成形的超聲加載技術研究，可以看出，超聲壓制成形技術與當前常用的技術相比，具有明顯的優點：壓坯密度和均勻性有效提高；適用于多種粉體材料，如金屬粉末、陶瓷粉末、高分子粉末等；對于高能量密度的有機含能材料而言，壓制成形過程中不出現局部過熱現象，具有較高的安全性；超聲壓制技術可以與其他技術如溫壓、高速壓制等相結合，以降低預先施加的壓力，可以降低生產成本等。然而，目前國內外的工作仍以實驗為主，缺乏對成形過程中的細觀力學特性、超聲加載對成形過程和內部質量影響機制等的理論研究、工藝技術仍停留在實驗室研究階段，裝置還不完備，要得到廣泛工業化應用，還有很多工作要做?！緢D略】