锆合金微图案成形过程中晶粒尺寸与凹坑密度的协同调控机制研究

【编辑推荐】针对传统有限元模型难以描述微米级纹理成形过程的难题，来自国内的研究团队创新性地建立了晶体塑性有限元(CPFEM)模型，系统研究了锆-4合金(Zircaloy-4)表面微凹坑成形过程中晶粒尺寸与凹坑密度的交互作用规律。该研究成功实现了成形深度预测和表面形貌调控，为核燃料包壳等关键部件的模具设计与工艺优化提供了重要理论支撑。

　　

在微电子、燃料电池和生物医疗等领域，微图案成形技术因其高效低成本的特点，已成为制造多功能表面的关键技术。当纹理尺寸接近锆合金晶粒尺寸时，传统有限元模型(FEM)的局限性日益凸显。为此，科研人员通过制备不同晶粒尺寸的锆-4合金(Zircaloy-4)试样，在其表面加工出间距各异的高密度微凹坑阵列。基于晶体塑性运动学和本构模型，创新构建了晶体塑性有限元(CPFEM)仿真模型，深入探究了凹坑间距与晶粒尺寸对成形深度和表面质量的耦合影响机制。该模型不仅能准确预测成形深度，还可模拟表面形貌演变和特征轮廓形成过程。这项研究不仅拓展了锆合金在航空航天等领域的应用前景，更为微成形模具的设计开发和工艺参数优化提供了重要理论指导。