元素粉末冶金TiAl基合金制备工艺及成形技术（可编辑）

元素粉末冶金TiAl基合金制备工艺及成形技术（可编辑） 元素粉末冶金TiAl基合金制备工艺及成形技术 中南工业大学 博士学位论文 元素粉末冶金TiAl基合金制备工艺及成形技术 姓名:刘咏 申请学位级别:博士 专业:材料学 指导教师:黄伯云 19990501摘 要 本文对元素粉末冶金基合金的制备工艺,基础理论及近型成形技术进 行了较为系统,深入的研究。通过金相显微技术,扫描电镜术,能谱分析,透 射电镜术,射线衍射和示差分析及差热分析肌~等现代分析手段,开 展了大量的实验工作及理论分析。/结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,采用元素粉末冶金 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 能 够制备出成分均匀,显微组织细小,全致密的一,一?一, 一灿一一一.及一?原子百分比合金。热压坯的致密 度随着热压温度的升高而升高,但过高的热压温度易造成晶粒长大, 从而阻碍致密化过程;热压坯的显微组织主要由相和~相组成,但其 含量和形貌与热压温度,合金元素的添加有密切关系;热压坯中显微组织的 不 均匀性主要表现为存在岛状鸭灿相,其形成与高温时?中的过饱和 度有关,而且这种岛状结构具有很高的稳定性,并在热处理中具有组织遗传 性;通过在单相区短时热处理,可以完全消除岛状组织,并获得细小全层片 组织及成分均匀的合金。 基合金的力学性能与显微组织密切相关,其 中一一合金的室温延伸率及断裂强度分别为.%及。同时, 本文还澄清了元素,粉末反应机理方面的一些模糊认识,指出该反应首先 生成中间相’仙,随后生成,~与灿,反应的起始温度在的熔点以前, 随加热速率的升高而滞后,反应的速率及反应进行的程度与原料成分,形貌 及 加热条件等因素密切相关。在元素,~粉末热压过程的致密化机理方面,指 出大量的致密化是在加压后的短时间内完成,随后进入由扩散蠕变控制的缓 慢 致密化阶段,过长的热压时间对致密化的贡献不大。并测定了元素,粉末 在?热压中后期的各种力学曲线,材料的致密化速率方程及本构方程。在 前面工作的基础上,本研究通过元素粉末冶金方法与准等静压工艺相结合, 制 备出了粉末冶金基合金排气阀,经初步发动机台架性能测试表明,该零件 具有较好的应用前景。 关键词 元素粉末冶金基合金致密化显微组织 力学性能近型成形排气阀 ? ,? . , , ? ,? , .?一,一?一,一?一一. 一一 . ; ? ?? .。 ; ? ?, ; ? , 舢 ? ?., ;? ? ?, .. , ; 一 , 一一.%. . ,. ? , , ., , . , , ,, ., ? .. ? ,一? . 舢一 印. ?? 第一章文献综述 第一章文献综述 。基合金主要是指成分在一~%原子百分内的金属间化 合物,其基体相为一,并含有一相。一’在熔点以下均为有序 。结构,而啦一相在临界温度以下为有序结构,高于临界温度则发 生有序一无序转变为?,如?合金相图所示“。 ? ; ; 图 ?二元台金相图 ?.元素粉末冶金方法制备基合金 基合金由于其低密度,及较好的室温、高温力学性能,一直被认为是 一种很有发展潜力的新型高温结构材料。近年来,在各国科学家的努力下, 舢 基合金的性能,特别是室温延性方面有了大幅提高,为其实用化奠定了良好 的 基础。采用精密铸造,连续模铸,离心铸造、等温锻造等手段,已制造出一 些基合金零件如发动机压气轮、蜗轮叶片、排气阎等。但由于基 合金的铸造性能不好,易产生成分偏析及疏松,缩孔等铸造缺陷,一般需要经 ?’中南工业大学博士学位论文 后序处理和均匀化热处理,消除铸造缺陷及成分偏析,提高了工艺成本【“。 而且铸态组织比较粗大,力学性能较差,需要经后序热机械处理和/或热处理 细化组织,以提高力学性能““。 粉末冶金方法在消除成分偏析,制备组织均匀、细小的材料及近型成形方 面具有显著优势。从原料来分,基合金的粉末冶金可分为预合金粉方法和 元素法。基合金的预合金粉末可由惰性气体雾化,等离子旋转电极雾化, 快速凝固等方法制备,但是由于的较高熔点及活性大,预合金粉末的制备需 严格控制工艺,以免提高杂质特别是氧、氮的含量,因而价格十分昂 贵【“。址基合金的元素合成法即是采用元素,灿粉末和其它合金化元 素粉末如,,,通过预压成型,然后在高温下反应合成并致密化,制备 相应的材料。元素,也可以是箔片或其它形式。采用元素粉末方法的主要 优点是:可以很方便地添加各种高熔点合金化元素,通过均匀化混合和高 温下反应,避免成分偏析;成本低,不需要昂贵的预合金粉及复杂的工艺 设备?“。然而采用元素法同样存在控制杂质含量的问题,通过控制原料纯 度及 各工艺环节,可以在一定程度上降低杂质含量。为了降低氧含量,有人采用高 纯元素箔,箔,通过叠加,再反应合成。本文在后面将简要介绍该方法。 ..元素粉,反应的机理研究 目前,对,元素反应的机理研究,主要集中在粉末态原料,即, 元素粉末。 ,触元素粉末的反应是一个由扩散控制,包括’及删:中间相生成 的过程”?,其反应过程可由图.来描述。 ,粉末颗粒在低于的熔点时就会发生扩散反应,在,颗粒界面 上形成相【。在,在中的扩散速率和在中的扩散速率分 别为.//和.//,略高于,但是在中的固溶度远远小于 在中的固溶度,因而灿是主要扩散组元。在中,的扩散速率远远 高于的扩散速率,因而其中的通过晶界进一步向颗粒内扩散。在低 于的熔点温度时,仙是唯一的中间相“。第一章文献综述 在的熔点温度以上时,未反应完全的发生熔化。此时,液态与固 态发生反应,在颗粒表面形成、,该反应速度很快,与时间成线性增长 关系,液态与及颗粒之间有很高的润湿性。在毛细管力作用下, 液态渗入 的晶界,在表面张力的作用下导致晶界破碎,较大的多 晶体被破碎成分散的小晶粒,从而使所形成的成蜂窝状?。,灿颗粒 在舢的熔点温度以上时反应,放出大量的热,速度很快,持续仅几分钟,同时 发生压坯的体积膨胀旧“。 ?? ? ?.?? ..鼍 图一田, 嚣仙一?薹川 图. .元素粉末反应示意图 体积膨胀的原因很多,有的认为是由于偏扩散,造成?效应, 留下很多空隙,使体积膨胀;有的认为是由于的形成,造成颗 粒的中心位置发生偏移;还有的认为是反应过程中,残余在原料颗粒表面及 压 坯中的气体大量溢出所致;等等。总之,在这一阶段,压坯的体积膨胀量可 高达%?,这对元素,的反应烧结很不利。 随着反应的进行,中的继续向中扩散,在界面上形成, 邯,’业,如图.所示。有的研究表明“,在’仙仍然存在时,~和 相发生竞争性扩散,同时长大;其中相的扩散速度约为相的. .一一川.。中南工业大学博士学位沦文 倍;在消耗完毕后,相和舢相不断减少,相不断增加,其长 大速度服从?定律反应时间。在反应后期,灿相的长大逐渐缓慢,达到 平衡,最终反应产物中和相共存,其相比例与材料成分及工艺相 关四。 总之,元素,反应合成,大致可由以下三个步骤来描述: ??一 ’??, ‘ ,? ..影响,元素反应合成基合金的参数 对于粉末冶金工艺来讲,成形与致密化是备受关注的问题。影响反应合成 基合金的致密化过程的参数主要有:成分,原料颗粒大小,压坯密度,加 热速度,烧结温度,时间和压力等。 杂质含量会严重影响基合金的致密化。杂质特别是氧、氮会在原料 颗粒表面形成化合物,或在晶界上形成析出物,阻碍,灿元素的扩散及致密 化。原料颗粒粒度越小,则元素颗粒间接触面越大,而且扩散距离越短,越有 利于反应进行;同时颗粒越细,越反应完后留下的空隙越小,有助于烧结后 期隙的闭合。预压坯密度对反应合成基合金密度有一定的影响,提高压 坯密度会在一定程度上提高基合金密度旧。提高加热速度,可以减少在加 热过程中固态,之间的反应,使残余的液态增多;而前面曾分析过,液 态灿的存在将使颗粒破碎,提高孔隙度,因而对致密化过程不利;但是 在加压反应合成时,加热速度对舢基合金的致密度影响不大。 ..元素粉末冶金方法制备基合金的工艺 ...反应合成工艺 该工艺又可细分为元素粉末,】的常规真空烧结、热压、挤压与真空烧第一 章文献综述 结或相结合的工艺。 元素粉末,的常规真空烧结、热压工艺如图.所示。 图.元素粉末基台金的真空烧结、热压工艺 由于,址粉末在反应合成过程中会伴随体积的大幅度膨胀,所以采用常 规真空烧结很难获得全致密的材料,只有采用后序热等静压处理,才能全部 消 除隙??。 采用热压工艺可以限制粉末,在反应过程中的膨胀行为,并在压力的 协助下促进,元素粉末的致密化行为,从而能有效地消除孔隙,得到高致 密度的材料一引。按照热压气氛来说,热压工艺又可分为真空热压和惰性气 体保护热压。 另外采用准等静压工艺,也能获得高致密度的基合金【列。该 工艺如图.所示。 该工艺可在普通压机上完成。当单向压力作用在陶瓷颗粒上时,陶瓷颗粒 作为传压介质将压力均匀传递到金属压坯上,金属压坯在三向应力准等静压 力的作用下,完成致密化行为。采用此工艺,已经制备出了一些较复杂形状的 中南工业大学博士学位论文 基合金材料,如发动机排气阀;另外采用该工艺,还能成功完成趾基合 金之间的扩散焊接 。 够 善遴 :::‘一:: 图 准等静压工艺示意图啪 挤压与真空烧结,热等静压相结合的工艺?如图.所示。挤压可采用 冷挤压或热挤压~?挤压的目的在于破坏,址颗粒表面的氧化膜,同 曜罕乎 蕈器 图.挤压与真空烧结,热等静压相结台的工艺 时通过大的挤压比使元素,址在更微观区域上均匀化混合,从而有利于元素 第一章文献综述 ,的扩散反应。挤压后的坯料在平行于挤压方向的组织形貌为纤维状。由 于颗粒被挤成细小纤维,反应完成后,留下的孔隙很小,可以通过真空烧结 确效消除。因此,挤压比越大,越有利于反应烧结过程的进行。当挤压比为 时,元素粉末,在即能达到%的致密度引。真空烧结后的残余孑 隙可以通过后序热等静压完全消除。 ...热爆合成 热爆合成是在高的冲击波下及很短的时间内以毫秒计完成元素,趾反 应合成‘基材料的致密化过程。图.为该过程的示意图。 图.热爆合成示意图” 爆炸后产生的冲击波经反射后向下传递到坯料上,使压坯瞬时升温,反应 合成并致密化。 该工艺中,,元素的反应合成过程主要与两个参数相关:冲击波速度 和坯料中的孔隙度。冲击波速度越大,产生的瞬时压力和温度越高;坯料的孔 隙度越大,坯料在一定冲击波下,内部的温升越高。只有当两个参数相配合, 处于一个适当区域,才能获得反应完全所需的最佳温度范围。在此温度范围 内,发生熔化,而颗粒发生显著软化易变形;低于该温度范围时,坯内的 ,颗粒仅发生致密化,不发生反应;而高于该温度范围,?反应物发生中南工业 大学博士学位论文 挥发或流失,得不到所需的材料。 热爆合成后材料的组织多为细小树枝状,与等离子旋转电极雾化粉末内组 织相似,这主要是由于反应温度超过了合金的熔点而冷却速度又很快。 ...元素。』箔片反应合成 该方法的原料不是粉末,而是箔片,考虑到箔片很薄,达到了粉末粒度级 别,故仍将该方法归入元素粉末冶金范畴。 粉末态元素,灿由于原料制备过程中易带人杂质,而且由于粉末比表面 积大易吸附空气中的氧、水蒸汽而在粉末表面形成氧化膜,因而经反应合成 后 的材料内氧含量往往很高,可达【。而元素,灿箔片可由高纯, 舢板轧制而成,而且比表面积又远小于粉末态,因而,在反应合成后的材料中 氧含量较低,为左右【?。 元素,箔片的厚度约为一/左右,通过交互缠绕或叠加成柱状, 一般要经过包套挤压,然后真空烧结或热等静压,制备成谢基合金材料。由 于氧含量低,其室温延性比由粉末态元素,灿制备的材料要高,可达%以 上全层片组织【”。 .. 元素粉末冶金基合金的力学性能?,?删 与铸态基合金相同,反应合成灿基合金的力学性能也与组织类型有 很大的关系:全层片组织强度较高,延性较差而双态组织强度较低,但延性较 好。然而,在相同组织及相近晶粒尺寸的情况下,反应合成基合金的力学 性能及延性要低于铸态基合金。这主要是由于反应合成灿基合金内含有 较高的杂质氧、氮、氯等含量及微观缺陷如孔隙、夹杂物等。因此,要提高 元素粉末冶金址基合金的力学性能的关键在于降低杂质含量及缺陷浓度。 目前采用元素粉末冶金制备舢基合金,力学性能最好的是由报道 的。他采用包套热挤压及热锻的方法,制备出了一.?.一 原子百分比合金,氧含量为;合金的延伸率及断裂强度高达%及 ,已经达到了锻造基合金的性能水平。第一章文献综述 ?。基于连续介质力学的粉末致密化理论 在采用元素粉末冶金方法制备基合金的技术中,粉末致密化是一个非 常重要的环节。但是,元素粉末致密化理论尚无文献报道。为了系统地研 究这一过程,首先必须系统认识粉末致密化理论主要是高温烧结部分,对粉 末烧结理论的最新进展作一综述,以对本论文的工作起到借鉴作用。 粉末烧结理论是粉末冶金基础理论中的重要组成部分,同时也是指导粉末 冶金生产实践最重要的理论。自从年,提出烧结的流变理论以来, 。粉末烧结的致密化方程也越来越多。 烧结科学已经得到了很大的发展【卜 总的来说,研究烧结科学的方法可以分为两大类:微观方法和宏观方法。微 观方法主要是采用双球模型研究烧结颈的长大,其中包括很多微观机制,如体 积扩散,指数规律蠕变,蒸发凝聚等,通过局部区域的研究,推导致密化速率 :方’程,获取粉末烧结体密度随时间、温度的变化。宏观方法主要是视多孔粉末 体为连续介质流体,根据连续介质力学理论如粘弹性力学、粘塑性力学、流变 力学推导烧结体变形的本构方程,获取烧结体整体的密度分布,各部分形状 变化。从粉末烧结的物理意义上看,微观方法较为重要;而从粉末烧结的实用 化角度上看,宏观方法更为重要。本文将主要介绍烧结的宏观理论,即基于连 续介质力学的粉末烧结理论。 连续介质力学是将研究对象视为连续的物质流,以张量作为所研究的物理 量。不同的学者将粉末烧结体视为不同性质的物质流,建立起不同的模型,如 粘性模型,塑性模型,粘弹性模型,粘塑性模型等等,从而获得了各种不同的 本构方程。本文将就此作一综述。 .. 粘性模型?? 该模型主要在提出的粉末烧结的粘性流动理论基础上发展出来的。 认为,固体可像液体一样流动,并可在表面张力作用下运动,即粘性流 动机制训。此时,固体的剪切粘性系数由方程决定:中南工业大学博士学位论 文 珈历 一玻尔兹曼常数,?体积自扩散系数,卜原子半径 他认为导致固体粘性流动的原因与液体一样,也是由空穴的运动产生;只 是在固体中,主要是在热激活作用下,导致原子的剧烈运动,而产生热空穴。 但是,他未考虑到,热空穴的形成并不是可以在晶格的任意部位产生,而是只 能产生于缺陷部位,如位错,晶界,间隙原子处等,因此后人又提出了应用更 为广泛的晶体的粘性系数公式:瓦:篇?瓷 珈一”””地’ 晶界自扩散系数,卜晶体中无缺陷区的尺寸,,由晶粒几何尺寸和 晶闯滑移所决定的数字值。 考虑表面自由能的降低速率与毛细管力做功的耗散速率之间的平衡,并假 设粉末烧结体为线性粘性流体。在无外压作用下,该流体的耗散平衡方程为: 一雾譬 其中 卜线性流体的能量耗散,.一自由表面能,一体积,.立 斯应力,即 :挚一口 其中一表面张力,一孔隙率。.一平均孔隙直径。 对于线性粘性流体,其耗散函数为 告酾 其中 卜有效体积粘性系数,与孔隙率及剪切粘性系数啦有关 :学 一为体积变化速率 ’ 禹詈 习瓦第一章文献综述 因此由~式可以推得线性粘性材料的烧结致密化方程。 ’ 百一可一。 薯一号旦 粉末的烧结致密化过程实际上是属于不可逆热力学过程,在外压力作用下, 此 时的能量耗散势由两部分组成 ~ 。一自由烧结时的能量耗散势,由,和式得 ,? 。。一由流变因素导致的耗散势,与应变张量及孔隙度有关,对于线性粘性流 体 ?吉孓‖ 形状变化速率 一砧“一号毋/ 一应变速率张量 ‰一克拉克符号,时‰;时, 矿一有效剪切粘性系数 口/一日 若令 妒一口, ?詈%盟焘 则 。。如‖ 令 。 ’ 形:击研 。’ ? 一 称为等价应变速率.则有.中南工业大学博士学位论文 。一日一日呢 磷?一实体相的耗散势 对于非线性粘性流,有 驴 。础一 ’,一均为常数 在外力作用下,粘性流体的本构方程由下式确定 %丽 哦一应力张量 因此,考虑,式 旷案瑟 对于线性粘性流,有: /妒一毋.伊“胁 从上式又推得 和 %,为静水压力,由上式可得粉末烧结致密化速率方程 号南等 ..粘塑性模型?一圳 在该模型中,令一个粘塑性势函数,为等价应力。和温度的函数,即 .,。根据塑性流动的原则,应变速率张量 , 卢丽卢瓦葛 ;卢嚣卢器瑟 其中卜为应力及应变的函数,单位“ %一为应力张量第一章文献综述 等价应力 。所? 其中 ,卜一与烧结体密度有关的常数; ,一应力张量第一,第二不变量 ,%%% 吉%一啊锄一%%一%玎?口乏 对方程求导并代.即得到应变一应力关系 ;口卢器萼/% 其中 /两为应力偏量,‰/硝为克鲁克计号 对于烧结体材料,体积应变率邑可由相对密度及密度变化率;表示: /一;,一;。;。;。 由及式可到 童:一口婴其中罄的物理意义较模糊,对于不同学者,它具有不周形式的表 达。一般 采用压缩试验方法确定。 ..粘弹性模型【?】 该模型视粉末烧结体为粘弹性流,忽略其弹性应变,则纯剪切的本构方程 为 。 其中,;分别为剪切应力及应变速率,为剪切粘度,可表示为 邻;/。 其中为单轴粘度,。为泊松比。静水应力的本构方程为 ;。一;, 其中去。。 ?中南工业大学博士学位论文 ,为烧结体的体积粘性系数,表示为 /?% 邑为自由应变速率,实际为在无外压下烧结体的线性收缩率可表示为 ;,三/ ?为烧结势,是一种表观应力,使材料发生与在实际应力作用下相同的应变 速 率的静水应力。在该模型下,烧结体的本构方程主要以式和为基础, 不同学者推导出不同的,的表达式,从而得到不同的烧结体致密化速率 方程【“。 ..塑性模到?】 利用金属塑性变形理论,考虑在表面扩散,高温蠕变和界面反应综合作用 下的粉末烧结体的塑性流动。 该模型采用一组宏观对偶凸势函数,中和哪来分别描述致密化过程的应变 速率势函数和应力势函数。通过虚功原理,推得 包哦也 皿也吼瞿 其中包,一分别为烧结体在蠕变作用下应变速率势和应力势; 吼,重分别为烧结体在扩散作用下的应变速率势和应力势; 电,也?分别为烧结体在界面反应作用下的应变速率势和应力势。 其具体公式参见文献。 然后通过金属塑性变形理论中的上限法和下限法【】,推得在各个机制作 用下粉末烧结体在烧结不同阶段的本构方程,见表.和表.。同时,通过对 该模型的推导,还指出,当晶界扩散和界面反应对烧结体的致密化过程起主 导作 用时,只要将两者的应变速率方程叠加,即可得粉末致密化的本构方程: 中电也 而当蠕变过程和其中一种扩散机制起主要作用时,则同样将两者的应变速率 方 程叠加即可,此时 ?第一章文献综述 , 垂电龟 当三种机制同时作用时,先将魄和电叠加,即 掣吼也 然后将中’转换为它相应的对偶势函数,即应力势函数皿’,再将砸’和叱相 加, 获得整个材料本构方程,即 皿皿吒 在表.和表.中将烧结划分为两阶段,即低密度,开孔隙阶段和高密 度,闭孔隙阶段。在不同阶段粉末致密化方程不同,但这两阶段并无明显分界 线,在过渡区的致密化过程可由下式表示: 中一西?吼/一 哂,吗一分别为阶段,的应变速率势 ,一分别为在过渡区开始和结束时的密度,取为.和.。 袭.分别在三种机制作用下粉末烧结体应变速率势函数刚 竺墨 竺竺 导%警%器型】” 指教熹九卜【%才“”“秽“”“。 规律已上型『骠幽,” 吼装箬等和洲,号扪一“? 靴 .:一 :一 墨可、呱南// 墨、呱南 毛:掣,鬻 毛垫掣,挈等 ?器詈羔学】 划【蝌一凰诱产 品界 。、一:翌丝 》 州。 嘶号氅和喇 小?嚣严 扩敝 毛赫一 暑警号”褊”删 界面?赫【等”坚掣”?岛。【授群】/.。 四.川/“” 反应 四.七舻和嘶胪 州“”【案筹号” 毛音赫”“ 控制毛:掣?一『热广矧 兰:璺兰?:盏亡塑 :兰塑:竺 有效应力的宏观 而,瑚,岛为全致密材料的单轴应变速率,磊为 值,巯。为平均应力。中南工业大学博士学位论文 袅.分别在三种机制作用下粉末烧结体应力势函数旧】 阶段 酹段 播敢 点澌?,鲁删一,警.” 规律焘一山豢”导“‘】“‘?凡 ?正“ 蝤变 ?剑【 一,备酱】 ?‰?奇旨】?.‰ :: ?乩 界面 ?岛【【?卜,鲁”【?圳“,警”。 匣应 号州一蠢酱’】”? ?.“ 控制 \ ,.元素粉末反应烧结模型叫 在研究元素,粉末反应烧结时,提出了一个致密化模型。这个 模型是在粘性模型的基础上发展出来的。他在考虑由相变过程造成粉末烧结 理 论密度的变化,和异质扩散反应造成的效应时,提出粉末体的耗散函 数方程可表示为: 。。甓囊 。一由理论密度变化所造成的有效应力; .一由粉末体膨胀所造成的应力。 通过推导,仍然可以得到与式相类似的致密化本构方程: 铲挈妒一扣铲一‰岛 .. 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 粉末烧结过程中物理量的变化是比较复杂的,如粉末烧结体的各种粘性系 数,都是孔隙度,温度和晶粒大小的函数,都不是常数。因此在研究实际粉末 烧结体时,不能简单地建立线性模型。本文在综述各种模型时,仅仅是提供了 ,第一章文献综述 采用各种模型进行研究粉末烧结体的一些思路,并未列出所有的细节。很难 简 单地认为某种模型优于另一种模型,因为不同的材料在烧结过程中的行为并 不 一样,如陶瓷和金属,单组元材料和多组元系材料在高温下的烧结就不完全 一 样。 基于连续介质力学的粉末烧结理论,借助计算机技术,采用有限元分析法 及 ,可以很形象地描述粉末烧结体在烧结过程中各部位的密度,形状 及热场分布,这对指导粉末产品的生产,具有较大的实际意义。为此,欧 共体于九十年代初,专门立项,联合十几个国家的力量,开发此项技术引。很 显然,这对粉末冶金烧结理论真正走向实用化将起到巨大的推动作用。 ?.待解决的问题 虽然元素粉末冶金‘基合金简称 的研究已开展了不少工作, 并且制备出来的材料具有较高的力学性能,但仍存在一些急待解决的问题。 元素粉末,的反应机理。主要是元素粉末,的反应起始点及 反应产物上,各个学者有不同的意见和结果,有待澄清和统一。 合金体系的开发。虽然已采用元素粉末冶金制备出了高性能的? ?合金,但是对于目前通用的一一一系列合金,却末见报 道。 致密化机理。元素,混合粉末的致蜜化过程有别于其它单相合金, 其致密化机理未见研究报道。 热处理过程的相转变问题。元素粉末冶金基合金的热处理有自身 的特点,对于从微观上消除其显微组织固有的不均匀性,还缺乏系统的相转 变 方面的研究。 应用。目前仅见报道采用该方法制备出基合金气门,但未见其性 能报道,特别是有关发动机台架试验部分。中南工业大学博士学位论文 ?.研究的目的及 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 由于元素粉末合金方法具有成本低,操作及设备简单等优点,本研究将采 用该方法制备‘基合金。针对目前国内外在采用该方法制备基合金所存 在的基础理论及应用上的问题,本研究将系统研究元素粉末冶金方法制备 基合金的工艺,基础理论及应用。本研究是国家高技术基金支助项目?? “粉末冶金基合金近型成形技术”.?一及国家自然科学基 金重大项目??“’基合金应用基础理论的研究”.的一部分,因 此所开展的内容将同时结合该两个项目进行,包括: .探索采用元素粉末冶金方法制备基合金的基本工艺,制备出成 分及显微组织均匀的认基合金; .研究在此工艺过程中的基础理论,包括元素之间的反应热力学分析, 相组织的转变过程,致密化理论分析等; .研究多元系粉末冶金基合金的制备及力学性能。 .采用元素粉末冶金方法制备基合金排气阀,其性能满足服役要 求。 本研究将以元素,及其它合金元素粉末为原料,通过冷压及热压工艺 制备基合金。采用金相显微术、扫描电镜、透射电镜、射线衍射、差热分 析等现代分析手段,研究在制备过程中出现的相组织及致密度变化。在此基 础 上,将研究成果应用于实践,制备满足服役要求的粉末冶金基合金排气 阀。以上几部分相互联系,相辅相成,如图.所示。 图.研究方法及各部分的联系 ?第二章基本工艺路线 第二章基本工艺及试验方法 ?.基本工艺路线 采用元素粉末冶金方法制备基合金的基本工艺路线如图.所示。 图.元素粉末冶金舢基合金的制备工艺及研究 ?.原料粉末制备及选取 .. 粉的制备中南工业大学博士学位论文 粉为自制。将粉末宝鸡产装于烧舟内,在真空炉中,。 进行左右脱氢,直至真空度 完全回升。将脱完氢的粉末过 目?脚的筛,即得到原料粉。经测定,其氧含量为。 ..原料粉末的选取 本研究中所采用的粉末原料如表.所示,其中原料粉,粉的粒度分 析如图.所示。 表.原料粉末的选取 ?.主要工艺设备 本研究所采用的主要工艺设备如表.所示。 表.主要工艺设备第二章基本工艺路线 丑 求 妞 蚓 删 图.原料、粉末的粒度分布 ?.基本分析手段及方法 ..金相显微术 金相样品制备按照常规方法:粗磨一细磨一抛光。观察孔隙度的样品不经 过腐蚀,而观察显微组织的样品则利用试剂%.%腐 蚀。金相观察在金相显微镜上进行。 ..扫描电镜及透射电镜 显微组织的高倍观察在扫描电镜上进行,同时利用能谱分析 来分析各个组成相的成分。更为微观的显微观察在透射电镜上进行。首中南 工业大学博士学位论文 先从样品上线切割出×.的薄片,然后经机械减薄至.厚度以 下,最后在离子减薄仪上进行减薄。 .. 射线衍射技术及定量分析方法 衍射仪上采用进行。对于作定性分析的样 本工作在 品,以/的速度扫描,对于作定量分析的样品则以.~/的速度扫 描。提出了一套有用的射线定量相分析方法??基本冲洗法? 。当研究二元系时,可采用:公式计算各相含量 ? 置讯一川’ 为相的重量百分比;,分别为,物质的选定衍射峰的衍射强度: .,分别为, 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 物质的选定衍射蜂牟与的最强嶂瑶相比的参考 强度,砰/驾,即,,及~/对于相同的两种物质均为常数。 因为的最强峰与的峰重叠,因此选定其次强峰, 而对灿则选定其最强峰。当第三相含量较高时,则必须添加冲洗剂 如来测定各相含量。 由于对及,均无现成的参考强度值,需要自行测定。 将海绵和颗粒,按一%及一%配比,在自耗电 弧熔炼炉中的反复熔炼遍。经过小时的均匀化退火后,将这两种合金 及破碎成粉末。然后分别与.一粉末按:卅%均匀混合。 混合好的样品经过射线衍射,来测定越及的参考强度值。 及与一仙的相应衍射峰如图.所示。经测定,可以得到 的参考强度值为.,而,的为.。 ..示差分析及差热分析 及主要是用来研究样品在连续加热过程中的相转变行为,该试验第二章基本 工艺路线 在?热分析系统上进行。通过试验,还可测定出样品在反应过 程中的一些重要热力学数据。 在很多情况下,反应速度常数随温度的变化可由方程表示: 衍射角, 衍射角, 图. 及鸭与?的衍射峰对比 ;强 ?齑 为频率因子,为反应活化能,为气体常数,.??‘,为绝对 温度。 其中最重要的数据为反应活化能,它表示使寻常分子能量为平均值的分 子变为活化态的分子在能量上具有发生有效碰撞的分子所需要的最小能量。 从式可以看出,反应活化能越小,反应进行的速度就越大。从曲线或 曲线上计算反应活化能,可以采用方法嘞,根据公式求出,即 对同一试样在不同的升温速率口下进行试验,得到若干条曲线,然后中南工 业大学博士学位论文 确定出与各值相对应的峰顶温度,并计算得佴,/各数值,绘制 ‖~/关系图,求出曲线的斜率,根据式求出。 【辱】 可一百 ..力学性能测试 室温拉伸及室温压缩力学性能均在力学性能测试机上进行。室温 拉伸采用圆形试样,其标距为×,而室温压缩试样尺寸为× 。加载速率为/。高温压缩性能测试则在一型热模拟 机上进行,测试温度为?,应变速率为 ~。 ?第三章热压反应合成制备一合金 第三章 热压反应合成制备一合金 ?.热压过程致密化工艺 ..试验过程 将原料粉和越粉,按~灿原子百分数配比,在球磨筒中混合,转速为。在普通压 机下,将混合好的原料单向压制成约 的圆柱样,压制压力分别采用及。压制密度分别为.~. /,约%理论密度称为 和.~./,约%理论密 。将压坯置于石墨模中,压坯致密度高的一端冷压时靠上 度称为 模冲部分向下放置。在压坯与石墨模具模壁之间用少量粉末隔开,以防 止压坯与模具之间的反应。采用血气气氛,流量为/,升温速度约/ ,分别在?,?,?温度下热压,?,?,?温度 下热压,均从?开始加压,压力为。这主要是因为在熔化时加 压,将有大量的越从模具中溢出。因此在灿熔化温度~?以上,使液相 的与反应完全,再施加压力。此时由于液相的已被完全消耗掉,就不 会发生溢出。热压机带有高度仪,能测量压机冲头的下降高度。本文采用?/ 【%?:为冲头压下距离,为压坯原始高度来表征压坯的线性收缩率变化, 即致密化过程。压制后的样品略经砂纸打磨,去除表面物,用阿基米德法测密 度。’灿基合金的密度为./左右。本工作采用试样的绝对密度来判断 试样的致密化程度。 ..试验结果 ...热压过程的变形行为 ?中南工业大学博士学位论文 热压后的样品外形规整,无膨胀现象,经砂纸打磨后显示明显的金属光泽 如图.所示。 图. 合金冷压坯与热压坯照片 左:冷压坯;右:热压坯 在不同温度下,随着时间延长的 图.显示的是高密度压坯 线性收缩变形行为。从图中可以看出,大量的变形主要是在到达。进行加 压后的短时间内完成的,随着温度的提高,变形量越大。图.显示的是低 在不同温度下随着时间延长的线性收缩变形行为。其变化 密度压坯 趋势基本上与图.相同。但是,就同一温度的形变量面言,图。要远 远高于图.,这是因为低密度压坯达到终级密度所需的变形量大的缘故。 同时还发现?时的线性收缩略低于,这主要是因为的冷压坯 密度要略高于的冷压坯密度,所需的变形量相应降低。 ...热压后的密度 图.为不同热压工艺下,不同冷压坯密度的基合金的热压坯密度。 从图中可以看出,随着温度升高,热压后材料的密度不断上升,但到达。 时,致密度反而下降;另外,在相同温度下,高冷压密度的坯料经过热压后的 第三章热压反应合成制备一台金 密度较低冷压密度压坯的略高。 热压时问, 热压时间, 图. 基台金在热压工艺中的线收缩曲线 高密度压坯;低密度压坯 热压温度, 图.不同热压工艺下的铷基台金的密度 ...孔隙分布 图.为经各个温度热压后的样品纵截面上的孔隙分布。图中黑色颗粒状 物为孔隙,灰色细小链状物为被抛光出来的部分组织。由此图可见,随着温度 的升高,样品截面上的孔隙数目明显降低,在~%时截面上的孔隙数中南工业 大学博士学位论文 已经很少。 此外还发现,热压后样品的上表面出现较明显的孔隙增多且不均匀分布现 象,如图.所示。 图.不同热压温度下材料纵截面上孔隙分布 ;;;; ..讨论 ...致密化基本过程第三章热压反应合成制备一台金 ,混合元素粉末的热压是一个非常复杂的过程,集化学反应和力学变 ‖;。。: .,二.一 :,,,‘ ’;』 赫沁。; 图.热压后材料表面孔隙分布不均匀现象 形于一体。当混合粉末加热到灿的熔点附近时,会发生剧烈的放热反应。反 应后由于灿的偏扩散造成的效应及消耗后的残留孔隙,使压坯的 孔隙度迅速上升.“。在外压持续作用下,由颗粒及反应物形成的骨架发 生破碎及孔隙塌陷,使压坯的密度迅速上升。随后的致密化与压坯的屈服强 度 有关。随着温度升高,压坯屈服强度下降,通过塑性变形,使密度提高。但是, 由于热压的压力并不大加,而且压坯随着致密度的提高抗变形能力增加, 因此在热压后期,致密化过程进入蠕变变形阶段,这一阶段致密化过程很缓 慢。随着温度的升高,材料的粘度系数和』临界剪切应力降低,扩散蠕变过程 易 于进行,有利于孔隙的进一步消除。然而过高的温度易造成热压后期材料的晶 粒粗大,对由扩散控制的致密化过程不利。,元素混合粉末在?的热 压后期时进入了单相区,晶粒发生迅速长大,阻碍了致密度的进一步提高; 因而密度反而比?和的低。 ...孔隙分布的不均匀性 热压坯中孔隙分布的不均匀性与单向压制时压坯的密度分布有关。该端面 在单向压制时是靠近下模冲的,压坯的高径比约为.。由于粉末与阴模在压 制过程中产生的摩擦力导致压力在高度方向的损耗,使下模冲端的压坯密度大中南工业大学博士学位论文 大低于靠近上模冲端,而孔隙较多。此外.粉末在压制过程中由于颗粒之间的 相互摩擦,相互咬合,使压力沿横向的传递比垂直方向要小得多,因此,压坯 的中心部位比边缘部位的密度要商。这样导致了冷压坯的下端面密度低,孔隙 多且分布不均。这种密度的不均匀分布,未能在热压过程中消除,仍然遗留下 来,因此要获得密度均匀的热压坯,首先要制备密度均匀分布的冷压坯。通常 采用双向压制或冷等静压可以改善压坯密度的均匀性。 ?.相组成及显微组织分析 ..【显微组织 经过。,热压后,材料的显微组织如图.所示。图.表明其 显微组织主要由三部份组成:第一部分为元素,粉末反应后的基体相;第 二部分为散布在基体相中的颗粒状物质,第三部分为孑隙。在颗粒状物质中 有 一些树枝状的组织,这在图.中可以更清楚地显示出来。对其中一个含树 枝状组织的颗粒及周围区域进行成份分析,结果见表.。 图. ?弋.热压后的显微组织 光学显微照片; ??第三章热压反应合成制备一合金 表.图.的结果原子百分比 点位于树枝状组织上,结果表明其中含有,,等杂质,而其 它位置则不含这些杂质。点位于树枝组织之间,点位于该颗粒的边缘, 点位于基体中,而点位于另一个颗粒中心。根据?相图,点和点均 处于?区域;点位于区域;点位于?和灿的交界处;点 位于区域。因此,这些结果表明基体中主要是’相,而这些颗粒状物质 中主要含有?和风相,颗粒中心是富的“一。 在其它温度热压后的材料显微组织分别如图.和图.所示。 在更高温度下热压后,颗粒状物的大小及含量总的来说减少了。在? 和?热压时,可以发现有的颗粒状物联接成岛状,同时在基体相中出现了 一些较为规整的晶粒和孪晶。在更高倍数下观察可以发现这些岛状组织实际 上 由许多晶粒组成,晶粒尺寸仅几个微米,如图.所示。在?热压时,显 ?中南工业大学博士学位论文 圈.经不同温度热压后材料的光学显微组织 ?母?,;一?,;。, 一?,;一?, 微组织与铸态组织较为相似,但比铸态组织细小。此时,显微组织由‖层片 状晶团和晶粒组成,其中/层片状晶团的尺寸在?之间,晶粒 为~,而且层片晶团内板条的厚度较大。第三章热压反应合成制备一合金 图.经不同温度热压后材料的扫描显微组织 ?姗?,;一?,; 一?,;一?, 结果表明在上述样品的显微组织中,基体仍为相,而颗粒及岛 状物质为相,如表.所示。 从表.还可看出,随着热压温度的升高,与之间的成分差异在 不断缩小。中南工业大学博士学位论文 图.岛状组织肉的晶粒 表.在不同热压样品中和相的成份% .. 射线衍射相分析 图.显示的是在%和热压后材料的相组成。结果表明.这两 种材料均由与相组成。虽然成分分析显示。热压后的样品中残 留少量?,但由于含量太少,因此在图.中反应不出来。图.还表 明,。热压后的材料的衍射峰明显比在%热压的要尖锐,表明%热 压后材料的结晶度比。的要好。第三章热压反应合成制备一合金 衍射角, 匿.热压后材料的射线衍射分析 。热压;热压 .. 分析 图.显示的是岛状的舢相,表明其由一些等轴状吨晶粒衍射谱 如图.所示组成,而且晶界很平直。图.显示的是等轴的’灿晶 粒衍射谱如图.所示,其晶粒尺寸为几个微米。图.及显示 的是在热压后得到的层片状组织,在层片界面上可以发现大量的位错。 图.为?热压样品中的一些精细结构。图.显示的是板条 在啦中长大的情况。图.及显示的是样品中出现大量的晶内位错,位 错环及层错偶极子。图。显示的是由于晶界滑移受阻所导致的晶界上的 孪生及大量位错。图.显示的是在层片组织中的界面位错。