粉末熱機(jī)械固結(jié)法制備塊體金屬材料（鈦、鋁、銅）的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能研究.pdf

1、粉末熱機(jī)械固結(jié)工藝制備金屬型材和零部件，可以實(shí)現(xiàn)少切削或無(wú)切削加工，是一種高性能、低成本、凈近成形的成型工藝。粉末熱機(jī)械固結(jié)法制備的鈦、鋁、銅及其合金的塊體材料和零部件能應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造等領(lǐng)域，因其成本低且性能優(yōu)良具有較好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力而備受關(guān)注。然而在粉末熱機(jī)械固結(jié)過(guò)程中，比較不同的粉末固結(jié)工藝制備的同種金屬塊體樣品的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，以及如何表征氧化膜、溫度對(duì)顆粒界面轉(zhuǎn)化的影響還未見(jiàn)較為全面、系統(tǒng)的研究報(bào)道。本文采用粉末壓坯

2、鍛造(Powder compact forging,PCF)、粉末壓坯擠壓(Powder compact extrusion,PCE)和放電等離子燒結(jié)(Spark plasmasintering,SPS)三種熱機(jī)械固結(jié)方法制備鈦、Ti-6Al-4V、鋁、銅塊體材料及發(fā)動(dòng)機(jī)的零件搖臂橋，研究制備工藝對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響；基于對(duì)材料的顯微結(jié)構(gòu)和拉伸斷裂行為的分析，深入揭示固結(jié)工藝參數(shù)對(duì)顆粒界面轉(zhuǎn)化的影響；研究了材料氧化膜的存在狀態(tài)

3、對(duì)材料成形特征、組織變化規(guī)律及力學(xué)性能的影響。本文的研究成果對(duì)進(jìn)一步理解不同的固結(jié)工藝及工藝參數(shù)對(duì)顆粒界面轉(zhuǎn)化的影響具有重要的意義，對(duì)粉末熱機(jī)械固結(jié)工藝優(yōu)化具有工程指導(dǎo)價(jià)值。
　　首先，采用粉末壓坯鍛造和粉末壓坯擠壓工藝分別制備了鈦、Ti-6Al-4V餅狀試樣和鈦、Ti-6Al-4V棒狀試樣，論文研究了在中等應(yīng)變速率10-4-10-1 s-1范圍內(nèi)，上述四種樣品的顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和固結(jié)過(guò)程中顆粒界面轉(zhuǎn)化的問(wèn)題。結(jié)果表明鍛餅和擠壓

4、棒樣品都具有層片狀結(jié)構(gòu)，四種樣品固結(jié)狀態(tài)良好，這取決于氧化膜在加熱過(guò)程中的快速消融以及新的界面間的焊合。鍛造Ti、Ti-6Al-4V試樣和擠壓Ti、Ti-6Al-4V試樣都對(duì)中等應(yīng)變速率變化較為敏感，隨著應(yīng)變速率的提高，拉伸試樣斷口處及其附近出現(xiàn)的孔洞數(shù)量和體積分?jǐn)?shù)隨之增加。
　　其次，本章探索了鈦和Ti-6Al-4V搖臂橋的硬度、強(qiáng)度等性能，分析了樣品的固結(jié)狀態(tài)，研究采用粉末壓坯鍛造法近凈成形制備汽車(chē)或飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的可行性。結(jié)

5、果表明：Ti及Ti-6Al-4V搖臂橋的固結(jié)水平很高，具有較高的抗拉強(qiáng)度、硬度及較好的塑性，在較高的中等應(yīng)變速率下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣中出現(xiàn)的孔洞等缺陷較少；在垂直于鍛造力方向的截面上，織構(gòu)的分散分布在一定程度上降低了材料的延展性。
　　再次，選用與氧親和力不同的鋁和銅粉末以SPS工藝固結(jié)成塊體樣品，研究二者的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及斷裂行為等的差異，探索氧化膜在鋁粉和銅粉熱固結(jié)過(guò)程中對(duì)晶粒生長(zhǎng)、顆粒界面轉(zhuǎn)化、力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)

6、與氧親和力強(qiáng)的鋁樣品，在SPS制備過(guò)程中的氧化膜并沒(méi)有被破壞，氧化膜依然包裹在粉末顆粒表面，影響了樣品的固結(jié)質(zhì)量，使燒結(jié)材料的力學(xué)性能較差；與氧結(jié)合力弱的銅，經(jīng)過(guò)SPS燒結(jié)后原本存在于銅粉顆粒表面的氧化膜在固結(jié)中溶解，樣品力學(xué)性能較好。為了解決由氧化膜所引起粉末顆粒固結(jié)狀態(tài)差的問(wèn)題，在上述工藝的基礎(chǔ)上分別加入后處理工藝（大變形的擠壓工藝）、預(yù)處理工藝（粉末原料的高能球磨工藝）和預(yù)處理與后處理相結(jié)合的工藝，并分別討論研究各個(gè)工藝對(duì)氧化膜與