CN102861913A - 一种阻抗匹配飞片及其在激光驱动飞片柔性成形中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机电系统制造技术领域，特指一种阻抗匹配飞片及其在激光驱动飞片柔性成形中的应用。本发明以阻抗z和飞片厚度之间的关系式为依据：Z(x)=2.245+a

；系数a在0.46-0.52之间，制备时使用高纯的W、Mo、Ti、Fe、Ni、A1和Cu金属粉末，将原料粉末按设计配比混合均匀后，依阻抗变化顺序层铺于石墨模具中，通过控制不同配比的粉末混合铺填来消除飞片内部阻抗值的跃变，在通有流动氢气的高温炉中进行热压烧结制得阻抗匹配飞片。使用阻抗匹配飞片对工件进行柔性冲击，与激光驱动飞片刚性冲击工件相比，冲击过程所引起工件温升大大减小，保证了加工时热敏工件的性能，避免了以往存在的工件表面烧蚀破坏或刻蚀现象，提高了工件的成形质量。

Description

一种阻抗匹配飞片及其在激光驱动飞片柔性成形中的应用

技术领域

本发明涉及微机电系统制造技术领域，特指一种阻抗匹配飞片及其在激光驱动飞片柔性成形中的应用，能够精确复制微模具上的微细特征到微工件上，适用于微尺度下常规方法难以成形或无法成形的复杂器件的微成形。

背景技术

随着现代微器件需求量的不断增加，微型化成为当代科技发展的一个重要方向。微成形装置内部结构相对复杂，零件精度要求较高，传统成形方法与装置难以满足现代微零件加工的要求；同时准静态塑性微成形受到尺度效应的影响，材料成形能力下降，难以满足一些高硬度高脆性等难成形材料的加工；近年来迅速发展的激光加工技术为我们解决这一难题提供了较好的研究基础，激光加工质量好，加工精度高，与传统加工方式相比，加工质量和效率显著提高，激光加工技术日益广泛的应用在微小零件加工上。

激光驱动飞片成形技术是一种新型高压高应变率成形技术，即通过激光驱动飞片加载的方式代替激光直接冲击，将激光能量转化为飞片的动能，利用激光驱动飞片高速运动，高速运动的飞片作为激光能量的载体，飞行一段距离后与工件材料发生碰撞，在碰撞界面上产生高压冲击波使材料在微型模具内产生超快塑性变形，从而实现工件的精确成形；与气体炮、爆轰驱动以及电磁驱动等传统高速驱动方式相比，激光驱动飞片可以大大地提高飞片的速度，从而能够产生TPa量级的冲击压力，同时装置简单，可重复性较高，是一种低成本、高效率的新型激光微加工技术，对其所涉及的诸多研究领域都具有极大的理论研究和潜在应用价值。

虽然激光驱动飞片成形技术能够实现常规方法难以成形或无法成形的复杂器件的微成形，但以往成形实验中均采用均质飞片，高速运动的飞片与工件之间的瞬间强烈冲击会对工件的成形质量和成形效率带来不利影响；如申请号为200810023264.3的中国专利一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置，该专利采用激光驱动飞片，将高速运动的飞片作为激光能量的载体，虽然避免了激光直接冲击对工件带来的影响，但飞片冲击工件属于刚性冲击，零件表面容易发生刻蚀或者烧蚀，直接影响到加工工件的表面质量；同时冲击过程中金属稀释现象严重，造成加工工件性能的下降；申请号为01134063.0的中国专利一种激光冲击精密成型方法及装置，可以利用激光冲击技术实现常规方法难成形或无法成形材料的成形；但其利用激光直接冲击待加工零件，使得零件受力不均匀，冲击产生的高温容易使零件表面产生烧蚀，加工后工件的表面质量不高，同时飞片尺寸比工件尺寸大，冲击碰撞过程中会对模具造成一定损伤，从而降低模具的强度及寿命。以上加工方法由于冲击成形过程中总伴随着剧烈的嫡增和温升，加之飞片动能的热耗散，温度和压力的紧密耦合不利于对材料的深度压缩，从而很难得到更高的冲击压力，导致激光加工成形效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在以往激光驱动飞片成形过程中，由于采用均质飞片进行冲击，加载速率很高，获得高压的同时往往产生高温，工件材料因为较大的温升可能会对其性能产生一定影响；刚性冲击容易对工件表面产生刻蚀或者金属稀释，产生的高温会使工件材料表面产生烧蚀破坏现象，造成工件加工表面质量不高；同时由于飞片动能的热耗散，飞片动能不能最大限度地转换为对工件的压缩能，不利于对工件的深度压缩，从而很难得到更高的冲击压力，冲击成形加工效率不高。

本发明中一种激光驱动飞片柔性成形装置，主要由激光加载系统、控制系统、成形系统组成，所述激光加载系统包括纳秒激光器、光束整形器、激光反射镜、聚焦透镜，纳秒激光器装有指示光系统；所述成形系统包括试样装置、夹具体、三维移动平台以及支撑臂，成形系统由控制系统协调控制，从而使三维移动平台达到指定位置，达到精确定位的目的，其中试样装置主要由光学介质、吸收层、阻抗匹配飞片、飞行腔、工件和微模具组成；所述控制系统由三维移动平台控制器、计算机、激光控制器组成，所述激光反射镜和聚焦透镜安装在支撑臂上；夹具体安放在三维移动平台上，用于夹紧和定位试样系统；计算机分别连接三维移动平台控制器和激光控制器；所述三维移动平台控制器与三维移动平台连接；激光控制器分别与纳秒激光器和计算机连接。

本发明装置工作时，激光控制器精确控制纳秒激光器发出激光脉冲，脉冲激光经过光束整形器、激光反射镜、聚焦透镜后作用于试样成形系统上，激光将通过光学介质照射在吸收层薄膜上，烧蚀部分吸收层并产生高温高压等离子体，在激光脉宽时间内等离子体继续吸收激光能量使得等离子体膨胀；在光学介质的限制作用下，爆炸等离子体迅速向阻抗匹配飞片方向喷溅，其反冲作用力形成强冲击波驱动飞片高速向工件飞行；在激光脉冲持续时间内，阻抗匹配飞片将不断吸收激光能量，将其转化成自身的动能，加速向前飞行；当入射激光脉冲结束时，阻抗匹配飞片已经飞行了一段距离并被加速到较大的速度值，因为阻抗匹配飞片的波阻抗值按特定规律沿飞片厚度方向逐渐增加，根据冲击波传递规律，阻抗匹配飞片与工件碰撞产生冲击波时，首先低阻抗面首先与工件接触，此时向工件内部传播的是一个较小的冲击加载波，根据飞片阻抗分布特点，冲击波在飞片不同阻抗材料界面之间经过多次反射和透射，从而形成对工件的多次小幅加载，从而使工件内部密度和压力不断缓慢提高，因此阻抗匹配飞片与工件碰撞时对工件产生的是柔性冲击，在柔性冲击波和模具的限制作用下，工件达到成形要求。

与以往采用均质飞片的激光驱动飞片成形技术不同，激光驱动飞片柔性成形方法采用阻抗匹配飞片，根据成形需要的冲击压力和冲击波传递规律，将飞片的阻抗值其规律沿飞片厚度方向逐渐增加，由于飞片是由不同阻抗的材料过渡层匹配组合而成的，其内部存在着不同材料之间的界面，这些界面将对冲击波的传播产生影响，当飞片被加速到高速后冲击工件时，其低阻抗面首先与工件接触，此时向工件内部传播的是一个较小的冲击加载波，工件首先产生一个具有平缓上升压力剖面的较弱初始压缩；同时飞片中也要反向产生一个冲击加载波，不断向阻抗匹配飞片的高阻抗面传播，依据冲击波在界面的透射与反射原理，当阻抗匹配飞片中产生的反向冲击波传播至飞片中不同材料的界面时，由于冲击波前方材料的波阻抗值均大于后方材料，即此时冲击波是从低阻抗材料进入高阻抗材料，因而除向高阻抗材料方向透射一个冲击加载波外，也将在界面处向低阻抗材料反射一个冲击加载波，此反射波穿过飞片进入工件后，就会工件进行再加载和多次加载，从而使工件内部密度和压力不断缓慢提高，因此，阻抗匹配飞片对工件的压缩是通过一系列小的冲击加载过程的叠加来实现，它对工件的压缩是逐步进行的，工件由此获得的压力和密度也是缓慢提高的。

阻抗匹配飞片及其冲击速度必须要与成形工件厚度相匹配，以保证阻抗匹配飞片后界面产生的压缩作用在进入工件之前，从工件自由面（与飞片碰撞的工件表面）反射来的稀疏波不会进入阻抗匹配飞片中，而当此压缩波在到达工件自由面之前，又不会在工件内形成冲击波。

本发明的效果是：

1.使用阻抗匹配飞片对工件进行柔性冲击，与激光驱动飞片刚性冲击工件相比，冲击过程所引起工件温升大大减小，保证了加工时热敏工件的性能，避免了以往存在的工件表面烧蚀破坏或刻蚀现象，提高了工件的成形质量。

2.由于飞片对工件进行柔性冲击成形，加载速率明显降低，由不可逆热耗散所引起的热效应成分将大大减少，因而阻抗匹配飞片的动能可以最大限度地转换成工件的压缩能，相同的做功条件下就能够实现更高的压缩度，从而获得更高的动态压力，提高了激光加工的效率。

3.柔性成形过程中阻抗匹配飞片与工件可以实现紧密贴合，使工件在冲击成形过程中受力更均匀，并且它们之间仅有极小的相对滑动，因此工件不会产生擦伤，提高了工件的加工质量。

4.同时采用柔性冲击减少了金属冲压过程中的稀释现象，保证了工件的性能，同时避免飞片与模具刚性撞击时对模具所造成的损伤，延长了模具的寿命。

附图说明

图1所示是根据本发明提出的一种激光驱动飞片柔性成形装置示意图；

图2所示是根据本发明提出的阻抗匹配飞片的原理示意图；

图3所示是根据本发明提出的成形系统的示意图；

图4所示是工件成形后的示意图；

图5所示是激光驱动飞片柔性成形技术加工的成形工件微观图；

图6所示是激光驱动飞片成形技术加工的成形工件微观图；

图中：1.三维移动平台，2.试样成形装置，3.夹具体，4.聚焦透镜，5.支撑臂，6.激光反射镜，7.光束整形器，8.纳秒激光器，9.激光控制器，10.计算机，11.三维移动平台控制器，12.光学介质，13.吸收层，14.阻抗匹配飞片，15.飞行腔，16.工件，17.微模具。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明提出的技术方案的细节和工作情况。

图1为本发明进行激光驱动飞片柔性成形装置示意图，计算机10控制激光控制器9，激光控制器9可对纳秒激光器8发出的脉冲激光参数进行调整和控制。纳秒激光器发出的脉冲激光经由光束整形器7，激光反射镜6和聚焦透镜4最终传递到试样成形装置2上，试样装置放在夹具体3中，夹具体3安装在三维移动平台1上，三维移动平台1的位移调整是由计算机10控制的三维移动平台控制器11来调控的。

图3为本发明提出的成形系统的示意图；试样系统由光学介质12，吸收层13，阻抗匹配飞片14，飞行腔15，工件16，微模具17组成；光学介质12采用K9玻璃，其作用是限制等离子体的逆向膨胀，使其沿工件方向运动；吸收层13为黑漆，光学介质12与阻抗匹配飞片14之间使用玻璃胶硅酮进行粘结。

阻抗匹配飞片的主要制备要求如下：阻抗匹配飞片制备总体要求为飞片中各过渡层的平面度好、层与层之间的平行精度高、整体致密度也要好；制备飞片时，根据匹配飞片阻抗的设计范围，主体材料选用两到三种金属粉末，其中高阻抗材料的阻抗值为设计阻抗范围的上限，低阻抗材料的阻抗值为设计范围的下限，中间的过渡部分通过两种粉末以不同比例混合来满足不同的阻抗要求，实现阻抗沿飞片方向的连续变化。

在同时考虑阻抗匹配飞片的中间过渡层不形成脆性化合物以保证飞片的力学性能以及飞片要具有较宽的波阻抗范围的基础上，对材料进行了选择；金属物质的波阻抗等于密度与体积声速的乘积，因此金属密度是决定材料阻抗的一个重要因素；经比较发现金属钨的密度比较高，达到了19.30                                                

kg/

，而钛是一种塑性较好的轻金属，密度仅为4.51

kg/

，同时依据二元相图，钼(密度为10.22kg/

)与钨之间不形成化合物，与锑之间也不形成化合物，因此在众多材料中选择W-Mo-Ti金属复合体系来制备阻抗匹配飞片。

W合金的致密化一般采用液相烧结的方法，烧结温度一般在1673 K以上，Mo合金和Ti合金的烧结温度一般需要在1523K-1573K之间，而且它们使用的烧结助剂种类都不相同，因此，选择一种合适的烧结助剂，对于实现阻抗匹配飞片材料的整体致密化非常重要；Fe作为活化烧结助剂对W，Mo合金的烧结有一定的效果，有文献表明：在低于4wt%的范围内，Fe的添加不仅可以提高Ti合金的烧结致密度，而且可以提高材料的抗弯强度；另外，引入低熔点的Al，期望能够在更低的温度(1473K)下完成烧结，因此选用Fe-Al烧结剂来制备W-Mo-Ti复合材料，同时选用Ni-Cu作为制备W-Mo-Ti复合材料时的添加剂。

实现飞片柔性冲击成形的前提和关键是阻抗匹配飞片冲击工件时工件内的压力随冲击时间不发生突跃变化，因此要求梯度飞片的阻抗值随其厚度的变化关系满足特定的曲线形式，制备前首先计算工件成形所需要的成形压力，以材料的阻抗为设计参数，对飞片的阻抗分布进行设计，设计阻抗匹配飞片时，首先确定阻抗在飞片厚度方向的变化规律，本专利根据阻抗z和飞片厚度之间的关系式进行计算：Z(x) = 2. 245+a

；式中Z(x)为飞片任意厚度坐标x处的阻抗值, 系数a在0.46-0.52之间，制备时使用高纯的W、Mo、Ti、Fe、Ni、A1和Cu金属粉末，将原料粉末按设计配比混合均匀后，依阻抗变化顺序层铺于石墨模具中，通过控制不同配比的粉末混合铺填来消除飞片内部阻抗值的跃变，在通有流动氢气的高温炉中进行热压烧结。 

为验证激光驱动飞片柔性成形方法的可行性以及采用阻抗匹配飞片进行激光驱动飞片成形的效果，按照Z(x) = 2. 245+0.49

 制备阻抗匹配飞片，其组成为W，Mo，Ti，Fe, Ni和A1和Cu高纯金属粉末，它们的平均粒径分别为1.7 μm, 2.4μm, 30μm，20μm，30μm、20μm和16μm。制备时将以上金属粉末按照表1所示的粉末配比混合均匀后，依次层铺于石墨模具中，每铺一层后用金属压板轻压以保证每层的平面性和均匀性，然后将粉末在通有流动氢气的高温炉中进行热压烧结，基本工艺参数为:1466K-32MPa-60min。制备W-Mo-Ti体系密度梯度飞片材料时，W侧与Ti侧中间插入9层中间过渡层，每层的厚度均控制为0.3mm。

表1  金属粉末配比表

制备完成后采用排水法测定各烧结试样的密度。采用扫描电镜观察W, Mo, Ti合金的组织形貌，通过X射线能谱仪进行W-Mo-Ti飞片材料中基体元素的线扫描，以检测飞片是否符合设计要求。

激光驱动飞片柔性成形实验主要准备过程：剪取尺寸为1cm

1cm的铜箔工件，用无水酒精清洗飞片和工件的表面污渍和杂质并晾干，注意保证工件的平面度；采用玻璃胶硅酮作为阻抗匹配飞片与光学介质之间的粘接剂，在阻抗匹配飞片表层均匀涂上一层厚度10μm的黑漆，然后将飞片涂黑漆一面均匀涂抹一层硅酮，然后与光学介质进行粘结，用压延方法得到膜层结合均匀牢固的飞片靶，然后在激光系统中进行驱动飞片柔性成形实验，具体激光工艺参数为：激光能量为1020 mJ，激光脉冲为8ns，波长为1064nm，离焦量为-10cm，采用德国蔡司公司AxioCSM700真彩色共聚焦扫描显微镜对成形工件进行细微测量。

通过对成形工件的微观图比较可以发现，同样实验条件下采用激光柔性成形方法加工的工件成形深度达到139.7μm,采用激光驱动飞片成形技术工件成型深度为110.2μm，证明采用激光柔性成形方法可以提高该技术的成形能力，同时通过对工件的微观形貌观察可以发现，激光柔性成形方法加工的工件成形均匀性较好，工件的成形质量较高；因此，激光柔性成形方法对激光驱动飞片微成形技术的进步具有一定的意义。

Claims (3)

1.一种阻抗匹配飞片，其特征在于：所述飞片的阻抗z和飞片厚度之间的关系式为：Z(x) = 2. 245+a                                                

；式中Z(x)为飞片任意厚度坐标x处的阻抗值, 系数a在0.46-0.52之间，选择W-Mo-Ti金属复合体系来制备阻抗匹配飞片，选择Fe-Al粉作为烧结助剂，同时选用Ni-Cu作为添加剂，使用高纯的W、Mo、Ti、Fe、Ni、A1和Cu金属粉末，将原料粉末按配比混合均匀后，依阻抗变化顺序层铺于石墨模具中，通过控制不同配比的粉末混合铺填来消除飞片内部阻抗值的跃变，在通有流动氢气的高温炉中进行热压烧结制备而得。

2.如权利要求1所述的一种阻抗匹配飞片，其特征在于：所述飞片的阻抗z和飞片厚度之间的关系式为：Z(x)= 2. 245+0.49

 ；所述飞片由11层组成，每层的厚度均控制为0.3mm，按照阻抗由低到高，每层的成份按照质量百分比计算为：第一层：Ti，95%；Fe，3%；Al ，2%；第二层：Mo ，29.3%；Ti，65.7%；Fe，3%；Al ，2%；第三层：Mo ，46.8%；Ti，48.2%；Fe，3%；Al ，2%；第四层：Mo ，67%；Ti，28%；Fe，3%；Al ，2%；第五层：Mo ，86.5%；Ti，8.5%；Fe，3%；Al ，2%；第六层：Mo ，93%；Ni，3.5%；Cu，3.5%；第七层：W ，17.2%，Mo ，76.3%；Ni，3.5%；Cu，3%；第八层：W ，38.5%，Mo ，55%；Ni，3.5%；Cu，3%；第九层：W ，56.6%，Mo ，36.9%；Ni，3.5%；Cu，3%；第十层：W ，75.4%，Mo ，18.1%；Ni，3.5%；Cu，3%；第十一层：W ，93.5%， Ni，3.5%；Cu，3%；采用W，Mo，Ti，Fe, Ni和A1和Cu高纯金属粉末，它们的平均粒径分别为1.7 μm, 2.4μm, 30μm，20μm，30μm、20μm和16μm， 制备时将以上金属粉末按照粉末配比混合均匀后，依次层铺于石墨模具中，每铺一层后用金属压板轻压以保证每层的平面性和均匀性，然后将粉末在通有流动氢气的高温炉中进行热压烧结，基本工艺参数为：1466K，32MPa，60min。

3.如权利要求1或2所述的一种阻抗匹配飞片在激光驱动飞片柔性成形中的应用。

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