（材料学专业论文）镍合金多孔材料力学性能的研究.pdf

镍合金多孔材料力学性能的研究 摘要 金属多孔材料力学性能的研究成为近些年来研究的热点之一，由于金属 多孔材料中孔隙的大量存在，使其与致密材料相比具有独特的力学性能。镍 合金多孔材料具有优良的高温耐腐蚀性，常被应用于航空、航天、石油、化 工、核工业、机械制造、仪器仪表等诸多领域，在这些领域的实际应用中， 往往遇到一些力学性能不满足工况要求的情况，为了使镍合金多孔材料的功 能性在各个领域得到更好、更充分的发挥，其力学性能的研究显得尤为重要， 本文对镍合金多孔材料的力学性能展开了三部分的研究，包括压缩性能的研 究、剪切性能的研究、环拉强度的研究。 实验选用蒙乃尔( m o n e l ) 合金粉末作为原材料，在还原气氛下采用粉 末冶金的方法制备出力学试件( 柱状压缩试件、管型环拉试件、片状剪切试 件) ，利用m t s 8 1 0 对这些试件进行力学性能测试。 在压缩实验中，采用准静态单一轴向的加载方式对试样进行压缩性能的 测试，并详细分析了孔隙度与粒度对镍合金多孔材料压缩性能的影响，结果 表明，镍合金多孔材料的压缩应力应变曲线有塑性材料的特征；屈服强度 随孔隙度的增加而减小，但弹性模量由于粒度等因素的影响，使得弹性模量 与孔隙度的关系不明显；对于同一孔隙度的试样，弹性模量和屈服强度都随 着粒度的减小而增加，当粒度小于7 5l am 时，屈服强度和弹性模量增加得很 快。本文在剪切实验中选用冲孔式剪切方法，并采用准静态单一轴向施加载 荷的方式对试样进行剪切试验，通过分析孔隙度与粒度对剪切强度的影响得 出以下结论，剪切强度随孔隙度的增加而减小；同种孔隙度的试样，制各所 用粉末粒度越大，则其剪切强度越小。本文还对腐蚀前后试样的环拉强度进 行了研究，在腐蚀前的环拉强度测试结果中发现，无添加剂试样的环拉强度 和添加成型剂试样的环拉强度相差很大，通过分析得出结论，加入添加剂后， 在颗粒间产生新物质，降低了原主相颗粒间的接触面积，从而降低了镍合金 多孔材料的环拉强度；将试样浸泡在浓度为4 0 、水浴温度为8 0 的氢氟 酸溶液中，对腐蚀不同时间的试样进行环拉强度测试并对其结果进行对比及 分析得出结论，随着腐蚀时间的延长，材料内部颗粒间产生的杂质及腐蚀孔 洞越来越多，颗粒越来越小，使得受力时应力相对集中，造成环拉强度的降 低。通过对环拉强度和功能性参数的综合比较及分析，找出综合性能指标最 好的工艺方法为7 5um 1 2 5l am 的粉末加2 无机物添加剂。 关键词：镍合金，多孔材料，力学性能，孔隙度，最大孔径，相对透气系数 r e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f n i c k e la l l o yp o r o u sm a t e i u a l s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s r e s e a r c ho nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f p o r o u sm e t a l m a t e r i a l sh a sb e c o m eo n eo ft h eh o t s p o t s p o r o u sm e t a lm a t e r i a l sh a v eu n i q u e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc o m p a r e dw i t hd e n s em a t e r i a l sb e c a u s et h e r ea r eal o to f p o r o s i t i yi nt h e i ri n n e rs t r u c t u r e n i c k e la l l o yp o r o u sm a t e r i a l sh a v ee x c e l l e n t h i g ht e m p e r a t u r ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，s ot h e ya r eu s u a l l ya p p l i c a t e di na v i a t i o n ， s p a c e f l i g h t ，p e t r o l e u m ，c h e m i c a li n d u s t r y , n u c l e u si n d u s t r y , m e c h a n i s m f a b r i c a t i o n ，a p p a r a t u s i no r d e rt om a k eu s eo fn i c k e la l l o yp o r o u sm a t e r i a l s b e t t e ra n ds u f f i c i e n t l y , r e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn i c k e la l l o y p o r o u sm a t e r i a l si sv e r yi m p o r t a n t ，a n dt h e yw e r ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t si nt h i s p a p e r , i n c l u d i n gr e s e a r c ho nt h ec o m p r e s s i o np r o p e r t i e s ，r e s e a r c ho nt h es h e a r p r o p e r t i e s ，a n dr e s e a r c ho nt h ea n n u l a rt e n s i l es t r e n g t h m o n e la l l o yp o w d e r sw a ss e l e c t e da sr a wm a t e r i a l sf o re x p e r i m e n t s t h e m e c h a n i c a ls a m p l e s ( c o l u m ns a m p l e sf o rc o m p r e s s i o nt e s t s ，p i p es a m p l e sf o r a u u n l a rt e n s i l et e s t sa n dp i e c es a m p l e sf o rs h e a rt e s t s ) w e r ef a b r i c a t e db yp o w d e r m e t a l l u r g ym e t h o di nh y d r o g e na m b i e n c e e x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u tb yu s i n g m t s810 ，i n c l u d i n gc o m p r e s s i o nt e s t s ，a u u n l a rt e n s i l et e s t s ，s h e a rt e s t s i nc o m p r e s s i o nt e s t s ，q u a s i - s t a t i cu n i a x i a ll o a dm e t h o dw a su s e da n dt h e i n f l u e n c eo fp o r o s i t ya n dp a r t i c l es i z eo nc o m p r e s s i o np r o p e r t i e si nd e t a i l s o m e c o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ：t h ec o m p r e s s i v es t r e s s s t r a i nc u r v eo f n i c k e la l l o yp o r o u sm a t e r i a l sh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fp l a s t i cm a t e r i a l s ；y i e l d s t r e n g t h i n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fp o r o s i t y ；t h e r ei sn o ta ne v i d e n t r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne l a s t i cm o d u l u sa n dp o r o s i t yb e c a u s ep a r t i c l e s i z eh a sa g r e a t i n f l u e n c eo ne l a s t i cm o d u l u s ；a sf o r s a m p l e s w i t hs a m e p o r o s i t y , c o m p r e s s i v ee l a s t i cm o d u l u sa n dc o m p r e s s i v ey i e l ds t r e n g t hi n c r e a s ew i t ht h e d e c r e a s i n go fp a r t i c l es i z e ，a n dy i e l ds t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u si n c r e a s ev e r y q u i c k l yw h e n t h ep a r t i c l es i z ei sl e s st h a n7 5um i ns h e a rt e s t s i m p a c th o l e s h e a rm e t h o da n dq u a s i s t a t i cu n i a x i a ll o a d m e t h o dw e r eu s e d s o m ec o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ：s h e a rs t r e n g t h i i i d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp o r o s i t y ；w h e nt h ep o r o s i t yo fs a m p l e si ss a m e ， s h e a rs t r e n g t ho fs a m p l e sd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp o w d e rp a r t i c l es i z e t h ea n n u l a rt e n s i l es t r e n g t ho fs a m p l e sb e f o r ea n da f t e rc o r r o s i o nw a s r e s e a r c h e d b e f o r ec o r r o s i o n ，t h ev a l u eo fa u u n l a rt e n s i l es t r e n g t ho fs a m p l e s w i t hn o na d d i t i v e ，i n n o r g a n i ca d d i t i v e ，a n do r g a n i ca d d i t i v ep r e s e n t sag r e a t d i s c r e p a n c y , b e c a u s et h ea d d i t i v er e d u c et h ec o n t a c ta r e ao fo r i g i n a lm a i np h a s e s o m e s a m p l e s w e r em a r i n a t e di n h y d r o f l u o r i c a c i ds o l u t i o nw i t ht h e c o n c e n t r a t i o no f4 0 a n dt h ew a t e rb a t ht e m p e r a t u r eo f8 0v a n dt h ed a t ao f a n n u l a rt e n s i l e s t r e n g t h f r o mt h e mw a sa n a l y z e d s o m ec o n c l u s i o n sw e r e o b t a i n e da sf o l l o w s ：w i t ht h ec o r r o s i o nt i m ep r o l o n g e d ，t h e r ea r em o r ea n dm o r e i m p u r i t i e sa m o n gt h eg r a i n s ，a n dt h eg r a i n sb e c o m es m a l l e ra n ds m a l l e r t h e n ， s t r e s sw a sr e l a t i v e l yc e n t r a l i z e dw h e nm a t e r i a l sw e r ep u l l e d ，w h i c hr e s u l t e di n t h ed e c r e a s eo fa n n u l a rt e n s i l es t r e n g t hi nt h e o r y t h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v e a n a l y s i sb e t w e e nt h ea n n u l a rt e n s i l es t r e n g t ha n df u n c t i o n a lp a r a m e t e r s ，t h eb e s t t e c h n i c a lm e t h o di n f e r e df r o m c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e i n d i c a t o r si s 7 5g m - 125g mp o w d e ra d d2 i n o r g a n i ca d d i t i v e k e yw o r d s ：n i c k e la l l o y , p o r o u sm a t e r i a l s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，p o r o s i t y , t h em a x i m u mp o r es i z e ，r e l a t i v ep e r m e a b i l i t yc o f f i c i e n t 镍合会多孔材料力学性能的研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趟导师签名：瑾强日期：2 q q2 筮月 镜台$ 扎材# l 山性的目f 宄 l 绪论 1 1 多孔材料简介 多孔材料广泛存在于自然界中，例如植物的根、茎，鸟的羽毛，人体的骨骼、毛发 脑髓等。物理学家近期提出观点认为地球不全由石头构成，而是像一个晕面空心的足球 因此，目 潼i 囤1 l 自然界的多孔材料 f i g u r ei - 1p o r o u sm a t e r i a l si nn a t u r e 众所周知，多孔材料常用于隔声、绝缘、吸能、包装和过滤等方面，但在通常情况 下，孔隙大量的存在往往不能被从事结构材料的科研工作者所接受，大量的科学研究都 试图将承载构件中的孔洞数减到最少，工程师们电在努力消除构件、粉末冶金、焊接件 或涂层中的气孔，并认为无孔洞的构件才是最理想的。基于这种观点，人们普遍认为承 载构件中不能有气孔，更不用| 兑育大的孔洞了。但是由多孔结构构成的大量自然多孔物 质却在自然界中存在了数千年，这个事实告诉我们多孔结构是如何在较轻重量下最有效 地发挥其力学性能和结构功能的。在能源紧缺的现今社会，材料的过度使用必然会加 速资源的匮乏，从而导致人们对自然环境更加疯狂地索取，这种甚性循环破坏了地球资 源的平衡，更可怕的是还会破坏人们的生存环境，人们一直在探索能够节约资源的材料， 比如多孔轻质材料可以在结构材料中节省原材料，过滤材料可以通过处理化工、核工业 废液来提取有用的物质用来再生等c 目来提高能源的利用效率。多孔固体剐性高而密度低 故天然多孔同体往往作为结构材料柬使用，随着人们对多孔材料的认识的增多发现，不 同材质制成的多孔材料具备不同的功能特征和结构特征。人造多孔材料包括会属多孔材 料，无机非金属多孔材料( 多孔陶瓷，玻璃) ，有机多孔材料( 多扎塑料) ，以及多孔复 合材料，其显著特点是具有可调的 l 结构，孔径可从几纳米到几毫米不等，较大的比表面 陕两科技人学硕 j 学位论文 积，良好的透过性等性能，使多孔材料具有其它材料难以取代的优异性质，可以用于冶金、 化工、环保、能源、生物等行业中的气体分离，液体分离，离子选择性电极，放射性废 弃物的处理催化剂与酶的载体，能量吸收、消音降噪，电磁屏蔽，生物替代与再生材料， 组织工程支架等方面。世界各国投入了大量资金和科研人力资源来研究和开发多孔材料， 使其在很短的时间里有了一个长足的进步，所以多孔材料的迅速发展有其必然性随4 1 。 1 2 金属多孔材料的优势 在冶余、化工等部门，为强化某些工艺，往往需要高温和高压，相应地要求有耐高 温、耐高压的过滤与分离材料；在催化反应中，需要有高比表面积的催化剂材料以提供 尽可能大的反应接触面；为保证航空与液压系统安全可靠地工作，各种油类与工作气体 要进行严格地精过滤；航空与火箭的高温部分要求有孔隙结构均匀的耐高温与抗热震多 孔材料做发散冷却的基体等等。常用的多孔材料，如一般的滤纸滤布，由于强度小，过 滤速度慢；通常的塑料多孔材料虽然可以用球形颗粒做成，具有良好的过滤性能，但工 作的温度一般不超过1 0 0 ，而且强度低，只适于低压差的工作条件；多孔陶瓷、玻璃 等材料由于性脆、抗热震和通过性能差且不能焊接等原因也大大限制了它的应用；如果 构件需承受载荷，那么构件材料的选择就更要慎重，聚合物刚度不够，陶瓷太脆，金属 就成了最好的选择。金属多孔材料的一些工程性能优于聚合物、高温时能保持稳定、具 有优良的耐火性能、在受热时不产生毒气等。更重要的是金属材料可以回收，不存在污 染和废弃物问题，这是不容忽视的问题，也应该是倍受重视的问题，因为以往高强度、 高刚度材料在生产和处理时往往会给可持续发展带来消极的环境影响。和实体结构材料 相比，由于气孔的存在，多孔金属具有一系列特殊的性能：良好的可压缩性、压缩平台 应力及在变形过程中的泊松比的改变等。优良的综合力学性能( 主要是强度和刚度) 以 及质量轻等优点。此外，多孔金属可以吸收与冲击方向无关的较高冲击能量，还可有效 地应用于声音吸收、电磁屏蔽和振动阻尼等方面。 1 3 金属多孔材料的发展状况 盒属多孔材料早期的材质主要是铜、镍、青铜、黄铜等，第二次世界大战后开始了 对多孔不锈钢的研究，到上世纪6 0 年代到9 0 年代，多孔不锈钢、多孔镍合金( 包括 h a s t e l l o y 合金、i n c o n e l 合金、m o n e l 合金) 、多孔钛及钛合金，以及特殊用途的多孔银、 多孔钨、多孔钽及难熔金属化合物得到了飞速发展。 近年来，随着应用领域的不断拓宽，金属多孔材料的材质向合金化方向发展，不同 性能的多孔金属合金应运而生，以洁净煤技术及高温气体净化用耐高温、抗氧化、抗腐 蚀的f e c r a l 、n i c r 、f e c r 合金，f e a i 、f e 3 a i 、n i 3 a 1 金属间化合物，以及新型不锈钢和 镍合金3 1 0 s 、h a y n e s 合金的研究最为活跃。如美国的p a l l 、m o t t 和u sf i l t e r 公司， 2 镍合金多孔材科力学性能的研究 英国p o v m r 公司，比利时b e k a e r t 公司，日本精线公司等分别开发了h a y n e s 合金、f e c r a i 合金、f e 3 a 1 金属问化合物、h a s t e l l o y 合金、i n c o n e l 合金、3 1 0 s 等一系列新型材质的多 孔材料，文献1 5 】提到煤气化合成气除尘用过滤器因为其工作温度高，腐蚀性严重，逐渐 向镍合金多孔材料方向发展，西北有色金属研究院在这方面有了突出的成绩。从功能应 用的角度来讲，金属多孔材料的最重要的应用之一就是过滤与分离。过滤孔径逐步向微 细化、纳米化发展。随着现代工业技术的发展，过滤行业对材料的过滤精度要求越来越 高，如食品、饮料行业要求过滤精度达到微滤水平，生物、医药用过滤介质达到超滤乃 至纳滤水平，随着核能、燃料电池的发展，纳米金属多孔材料也得到了迅速发展【6 】。 1 4 镍合金多孔材料力学性能的研究现状 镍合金多孔材料常用于制作过滤器，热交换器、电池、电极，种植用生物材料等功 能性材料【刀。在不同的使用条件中，镍合金多孔材料常常遇到其力学性能不能满足工况 要求的情况，致使其功能性受到很大的约束，但是其微观孔结构发生变化时，会使其力 学性能发生变化，如弹性模量，屈服强度，破坏强度等，所以在制备过程中，通过一定 的工艺方法来改变孔结构可以使力学性能满足工况不同程度的要求，所以研究其孔结构 及制备方法对力学性能的影响不仅有理论价值，也有商业价值。 1 4 1 电极用镍合金多孔材料力学性能的研究 泡沫镍及镍合金常用于电池、电极的元件，比如笔记本电脑，手机中的电池元件， 都具有轻质、高电导率、能量密度大等特点，而在生产过程中，往往需要其具有较高的 拉伸强度等力学性能来满足工艺的要求；另外，在作为功能元件使用中，又可能会受到 一定的物理载荷或一定的冲击力，这就对其某些力学性能提出了更高要求。h c h o e 等 f 8 j 在室温下对四种经过热处理的泡沫镍或镍合金叫i ，n i 9 a 1 ，n i a 1 ， n i c v a l ) 的力学 性能进行了研究，纯n i 泡沫遵循典型的韧性泡沫金属力学行为：低应力状态下，呈线性 弹性行为，然后是屈服平台，最后是致密化区间。n i 3 2 c r 泡沫也类似上述行为，但有 更高的屈服应力，主要是因为c r 元素的加入，产生了固溶强化，且密度增加。但n i 9 a 1 和n i 一1 3 6 c r - 8 9 a 1 泡沫展示出了更高的屈服应力，脆性行为更明显。由于n i c r 合会泡 沫抗腐蚀性良好，并且有着优异的力学性能，所以对其压缩力学行为进行了进一步研究， 实验结果显示，弹性应变可达到0 5 m m m m ，屈服应力为3 0 m p a ，比纯镍泡沫力学性能 要好得多。为了更好地对照纯镍与镍合金多孔材料的力学性能，对纯镍多孔材料力学性 能的研究方面，m “等f 9 】做了很多工作，通过烧结方法制得孔隙率大于8 0 的多孔镍， 并对其压缩性能进行研究。在应力应变曲线中，最初出现了一个短的弹性区域，然后是 斜长的屈服应力区域，最后在致密化过程中很狭窄的应变区( 5 0 - - 一5 5 ) 内，应力值 由2 m p a 迅速升高到1 0 m p a 。研究还发现，在屈服平台区与致密区的结合点处，即为多 孔镍材料的塌陷临界点( 1 0 m p a ) 之前会出现较为分散的裂纹，但数量很少；当孔隙率 3 陕两科技人学硕 ：学位论文 大于8 4 9 时，在多孔镍材料的弹性区域中，线性弹性行为越发地不明显，而在塑性变 形区，屈服平台区变长。通过对泡沫镍及镍合金多孔材料力学性能对比的研究发现，c r 元素等的加入，产生一定程度上的固溶强化，从而使得材料在使用过程中结构上得到强 化，而且提高了抗腐蚀性能。由于高孔隙率的材料承受应力时，变形很不均匀，同时应 变过于集中，致使材料破坏，x b a d i c h e 等【，o 】以能量存储元件的相对密度范围( o 0 1 t 0 0 5 ) 为切入点，对符合该相对密度范围的开孔泡沫镍材料的力学性能( 杨氏模量、压缩屈服 强度) 进行了研究，在拉伸试验中，裂纹形成于材料的侧面，并且离端口距离很远，在 压制方向上，弹性模量在应变变化范围( 0 3 - - 一0 5 ) 内，从3 0 0 m p a 升高至3 6 0 m p a ， 在横向方向上，弹性模量在应变变化范围( 0 3 1 0 ) 内，从1 5 0 m p a 升高至2 0 0 m p a ， 其屈服应力很低，大约为0 3 m p a ；在压缩试验中，应力应变曲线显示出一个很短的屈 服平台，与聚合物泡沫压缩行为类似，屈服应力在0 9 m p a 左右，弹性应变达到0 3 ， 实验很好地表达了这一相对密度范围内纯镍多孔材料的力学行为。在过去的十年里，固 态氧化物燃料电池一直是全世界范围内研究的热点，最近，微管固态氧化物燃料电池引 起了广泛的注意，该材料具有高容积的能量密度、优良的力学强度、优异的热循环行为、 可以承受快速启动和快速关闭。固态氧化物燃料电池有很多优点，例如高能转化效率、 燃料的良好适应性( 氢、天然气、甲烷、汽油、烃都可以用作原料) 、对燃料杂质的容忍 度较高等。微管固态氧化物燃料电池主要用于汽车工业和便携式设备的电源，其中的阳 极空心纤维需要足够的力学强度【i j i2 1 ，所以部分学者对其力学强度进行了研究。n a i t a o y a n g 等f 1 3 】利用相转化烧结技术制得多孔n i y s z 合金，在此工艺中，用聚醚砜作结合剂、 n 甲基2 吡咯啉作溶剂、聚乙烯吡咯烷酮作添加剂，在7 5 06 c 保温5 小时，随着氢的减 少，多孔镍钇锆合金纤维形成，这种材料的结构不均匀，孔结构主要由微孔层和针状孔 层结合而成。实验发现，在1 2 0 04 c - - - , 1 4 0 0 。c 范围内，力学强度随着温度的升高而增加， 抗弯强度从3 5 m p a 增加到1 7 8 m p a ，但孔隙度从6 4 2 降低到3 7 ，最佳烧结温度在1 3 5 0 到1 4 0 0 之间。 1 4 2 种植用镍钛二元合金多孔材料力学性能的研究 骨骼种植材料的应用有着很大的潜力和商业价值，与多孔骨骼力学性能相似的材料 常常被人们青睐，但必须有一些前提，骨骼种植材料首先要有生物适应性和生物活性， 并且要有一个多孔的组织结构来允许新骨骼组织及血管的形成。种植频率较高的人体部 位弹性模量见表1 1 t 1 4 ，1 5 1 ，其它部位骨骼的弹性模量范围大约在1 0 g p a - - 3 0 g p a 范围内。 目前用于骨骼种植的金属材料的弹性模量远远高于存在孔隙的骨骼，例如钛合金弹性模 量为11 0 g p a ，不锈钢的弹性模量为1 9 0 g p a ，钴基合金的弹性模量为2 1 0 g p a ，而人体局 部的松质骨弹性模量小于3 g p a , 密质骨骼的弹性模量为1 2 1 7 g p a t 碱1 7 1 ，如此大的弹性模量 差异使得种植后的会属材料在使用中发生松动。通过引入均匀的孔隙可以降低种植材料 4 镍合合多孔材料力学件能的研究 的弹性模量，因为弹性模量随着孔隙率的增加而降低，化学当量接近的n i t i 合金材料被 认为是种植材料中应用前景非常好的材料之一。 表1 1 人体各部位骨骼的弹性模量 t a b l el - 1e l a s t i cm o d u l u so fv a r i o u sp a r t so fh u m a nb o n e t i n i 合金有着优良的力学性能，可以获得很低密度的制品，并且有着独特的形状记 忆功能，所以t i n i 合金作为种植骨骼材料，有其优越性。很多学者为种植材料如t i n i 等能否适应人体骨骼的弹性模量做了大量研究工作，其中j yx i o n g 等 1 s l 用三维前驱体 烧结法制得孔隙率为7 1 ，8 0 ，8 7 的t i n i 合金泡沫，在压缩性能检测中，该材料随 着孔隙率的增加，弹性模量和压缩强度峰值降低，其中，孔隙率为7 1 的t i n i 合金展示 出最高的弹性模量，其值为8 6 0 m p a ，t i n i 泡沫的力学性能与松质骨骼的力学性能比较 接近，弹性模量的区间为3 0 - - - 8 6 0 m p a , 应力峰值范围为1 9 - - - - 3 8 3 m p a ，同时又展示出优 良的形状记忆功能，可恢复的形状记忆应变范围为0 9 - - 1 5 ，而且通过实验得出结论： 可恢复应变随着孔隙度的增加而减小，如果孔隙度减4 , n 某种程度，其弹性模量从理论 上来看应该可以更接近人体密质骨骼。s l z h u 等【1 9 】在氩气氛下，采用粉木冶金方法制 备出多孔t i n i ，并对其在不同条件下的弹性模量进行了研究。当成型压力，烧结温度， 保温时间这3 个参数中的任意两个参数确定后，弹性模量随着另外一个参数值的增加而 增加，并且基本呈线性关系。当烧结温度为9 8 0 ，保温8 小时，成型压力为2 0 0 m p a 时，t i n i 的弹性模量为1 0 9 8 g p a ，这个值与人体股骨的弹性模量很接近，远远低于传统 的会属生物材料。除此之外，研究还发现：最大压缩强度与抗弯强度都随着烧结温度的 增加而增加，并且烧结温度在9 4 0 - - 9 8 0 洲增加的幅度比较明显。c h r i s t i a ng r e i n e r 等 2 0 】将t i n i 粉木放入钢制容器中并充入氩气，施加压力后，t i n i 基体中形成封闭的氩气 气泡，在1 2 0 0 温度下烧结制得试样。制得试样的闭孔孔隙率可达1 8 ，不过孔隙率在 6 1 6 范围内显示出比较好的弹性性能，弹性模量在1 5 2 5 g p a ，弹性应变为6 ，最大压 应力可达1 7 0 0 m p a ，其中孔隙率为1 6 时，综合力学性能最好。e s e v i l l a 等【2 lj 对t i n i 泡 沫材料的力学性能与钽泡沫材料的力学性能进行了比较，其中钽泡沫材料是用化学气相 沉积法制得的，t i n i 泡沫材料是采用高温自蔓延方法制得的。前者试样的开孔孔隙度在 6 5 7 3 之间，而后者的开孔孔隙度则在6 3 一6 8 之间，钽泡沫材料的孔径在3 7 0t am 4 4 0 l am 之间，t i n i 泡沫材料的孔径范围在3 5 0 l am - - - 3 7 0 l am 之间。在压缩实验中，发 现t i n i 的弹性模量为1 0 g p a 左右，钽泡沫材料在6 g p a 左右，都与人体弹性模量很接近， t i n i 泡沫材料的屈服应力为7 0 m p a ，钽的屈服应力为3 0 m p a 左右。除此之外，还测试 陕两科技人学硕 j 学位论文 了其疲劳强度，循环次数为1 0 8 时，t i n i 的极限强度为7 5 m p a ，钽泡沫材料的极限强度 为1 3 2 m p a 。 随着种植材料的发展，整形外科领域也开始关注种植材料在其领域中能否得到更大 的发挥，用于整形外科方面的传统骨诱导生物材料，如吸收性聚合物，多孔陶瓷和膏体 等材料，只能局限于用短期并且不受力的使用条件，而且随着时间的延长，其强度和可 预测性会降低，但修复骨头缺陷的高孔隙材料需要承受短期和长期的物理载荷，这使得 整形外科技术陷入了僵局，这种生物材料不仅需要与骨头密度相匹配，而且还要抑制免 疫反应、全身或局部的不利反应，t i n i 合金很好地满足了上述要求，除此之外，它还具 有独特的形状记忆功能、极好的弹性性能、优秀的缓冲性能【2 2 氆】。m b a r r a b 6 s 等对泡 沫t i n i 形状记忆合会的压缩应力，弯曲应力和疲劳反应进行了研究，以此来估计其短期 和长期使用的状况。在压缩实验中，试样的孔隙率在6 2 6 5 之间，孔径尺寸范围为2 5 0 um 3 6 0l am 。在此范围，孔径随着孔隙率的增加而增加，孔径大小满足人体骨骼的孔径 需要；弹性应变可达1 0 ，屈服强度在1 0 0 m p a 左右，最大压缩强度达到1 6 0 m p a 。在弯曲 实验中，屈服强度在1 7 1 m p a 左右，最大弯曲强度可达1 9 2 m p a 左右。在压缩疲劳实验 中，循环次数为7 5x1 0 7 的疲劳极限为7 5 m p a ，从此不难看出作为整形使用的这种t i n i 泡沫材料即便长期使用也有可能。 1 4 3 过滤用镍合金多孔材料力学性能的研究 国际上研究镍及镍基合金过滤材料的机构有美国的橡树岭研究所、g k n 公司、m o t t 公司等，在核领域应用的镍及镍基合金过滤材料由于技术保密，报道较少，但在民用领 域其产品已经规格化、系列化。过滤用镍合金多孔材料的孔隙度范围一般为3 0 4 0 ， 而作为过滤功能使用的孔隙部分对力学性能的影响有待于进一步研究，文献 2 s 】提到了粉 末冶金镍过滤管、蒙乃尔合金过滤管的内压破坏压力与粉末粒度和厚度的关系，克努德 森( k n u d s e n ) 整理出强度o 与粒度d 和孔隙度有如下的实验关系式： 口- - k d 。k ( 1 - 1 ) 式中k 、a 、卜经验常数。有此公式总结出的经验规律为：孔隙度一定时强度随着 粒度的增大而降低；当粉末粒度一定时，强度随着孔隙度的增加而下降。另外，多孔材 料与致密材料强度的关系有很多不同的描述。然而这些还只是经验性的粗略地给出这种 定量关系，例如巴尔申( m i o ba j lbi h1 4h ) 公式： t t = g o ( 1 ) m( 1 - 2 ) 式中口一多孔材料的抗拉强度，公斤毫米2 ； 口0 _ 致密材料的抗拉强度，公斤毫米2 ； f 一孔隙度，； m 一取决于生产条件的常数，介于3 - 6 ，对于保证最好性能的烧结制度，其值近似 6 镍合合多孔材料力学性能的研究 为3 。 描述这种关系，值得提出的还有赖斯凯维茨( e r y s h k e w i t s h ) 的经验公式： o = t r o e 挑( 1 3 ) 式中b 一取决于材料的制造和实验条件的系数，为4 7 。 除了上述粉末冶金领域中关于力学强度与孔隙度等工艺参数关系的研究成果以外， 科学家们还对多孔材料的物理性能( 电导率、屈服强度、弹性模量等) 进行了大量的研 究，发现多孔材料的孔隙度与物理性能遵循p o w e r l a w 法则即 m = m o o - p ) m ( 1 - 4 ) 其中m 为多孔材料的物理性能，m o 为致密材料的物理性能，尸为孔隙度，m 为经 验参数 2 9 - 3 1 。p o w e r - l a w 法则完全可以适用于粉末冶金领域，而且它为研究孔隙度与复杂 应力的关系提供了方便。 上述的研究成果具有一定意义，但只能在生产工艺中做一定的参考，比如公式中的 许多经验参数使得计算出的强度与真实强度相差较大，以及材料在真实使用情况中力学 性能的变化等问题都需要进一步来解决。 1 4 4 镍合金多孔轻质结构材料力学性能的研究 除了镍合金多孔材料功能应用的快速发展以外，镍合金多孔材料结构方面的研究也 吸引了大量科学家的眼球。例如，众多汽车公司正在想办法使车体变得更轻来减少废气 排放，从而增加单位油耗里程，镍铝合金凭借其独特的结构特性有望解决这一问题。 k s 。d u n n e t t 等【3 2 】利用热压烧结的办法制得a i o n i m g c u 多孔材料，并研究其镍铜含量的 不同对其强度性能的影响，实验发现，铜含量的增加引起了大量的时效硬化，但随着镍 含量的增加抵消了这部分时效硬化；通过膨胀测量法显示，随着铜含量的增加，液相量 随之增加；a i - n i m g c u 材料在形成过程中溶解了大量的铜，因此减少了与q a 1 与其相 溶程度和时效硬化。在拉伸行为研究中，随着n i 含量的增加，杨氏模量也随着增加，屈 服强度可达1 7 0 m p a 左右。为了更好地研究轻质结构材料的力学行为，d o u g l a st 等1 3 3 】对 利用过度液相烧结法制得具有大量歼孔孔结构的n i 2 1 c r - 9 m o 4 n b 泡沫并对其力学行为 进行了研究，实验采用轴向压力测试，应变速率为0 0 2 4 m i n ，分别在应变为2 5 ，5 o ， 7 5 ，1 0 时卸载，并利用该卸载曲线计算弹性模量，弹性模量范围在0 7 7 g p a - - 1 8 7 g p a 区间，此压缩应力应变曲线展示出一个典型泡沫会属的特征，有一个应变区域很长的屈 服平台，屈服应力大约为1 5 m p a ，最后是致密化阶段。 利用普通合成技术生成的多孔n i t i 形状记忆合金的颗粒间会生成金属间化合物，使 其脆性变大，为了解决这一问题，s i an e m a t - n a s s e r 等【3 4 l 利用放电等离子烧结技术制作多 孔n i t i 形状记忆合金，制作出的材料韧性好，并且在合适的应变范围内展现出良好的形 状记忆效果，虽然孔隙率仅有1 2 ，但这项技术对于生产更高孔隙度的材料具有很大潜 陕两科技人学硕 ：学位论文 力，而且很有可能产生超级弹性性能。目前的超级弹性性能和应力引起的马氏体相塑性 变形区域的测试方法主要以不同初始温度的准静态和动态力学行为测试的结果来表征， s i an e m a t - n a s s e r 等为此建立了一个三相模型来表征此问题，这三相分别是用奥氏体作基 体、马氏体作生成相、孔隙作为嵌入物，这个模型对多孔n i t i 形状记忆合金可恢复形状 应变的深入研究提供了必要的理论基础。 在对孔结构方面的研究，n c h a w l a 等1 3 5 系统地研究了孔结构对f e 一0 8 5 m o - n i 材料拉 伸和疲劳行为的影响。为了表示孔形，用孔形因子f 表示，f = 4 x 4 p 2 ，a 为孔的面积， p 为孔的周长，f 的值为1 时，此时孔为球形，f 的值越接近0 ，则孔形越不规则。通过 一定的工艺制得试样的密度分别为7 0 9 c m 3 、7 4g c m 3 、7 5g c m 3 ，然后用s e m 观察不 同烧结密度的试样找出这样的规律：烧结密度越大，平均孔径越小，球形孔所占比例越 大。拉伸和疲劳测试显示出下面的规律：拉伸强度和疲劳强度随着烧结密度的增加而增 加；如果整体孔径越小或者孔的集中越少，则应力集中越少，从而使得疲劳强度变得更 大；疲劳强度与条件屈服强度及弹性模量的相关性比疲劳强度与拉伸强度的相关性要大。 除此之外，他们又对应力应变滞后实验做了进一步的研究：应力应变滞后环的宽度随 着循环塑性应变的增加而赠加，材料的刚度随着循环次数的增加而减小，这是由材料中 微裂纹的产生造成的。为了更有效地表征孑l 结构对力学行为的影响，n c h a w l a 等还利用 了有限元模型对微观结构进行模拟分析，结果显示：孔径越大，孔形越不规则，孔簇越 密集，应变集中越容易产生；在密度较高的材料中，球形孔越多，分布越均匀，塑性应 变越均匀；在疲劳行为中，塑性变形的扩大容易在孔的尖角处和孔簇较多的地方发生， 尤其在孔隙率较大的试样中，这种现象更明显。 1 5 本课题研究背景及研究主要内容 镍合金多孔材料的应用范围很广，如航空、航天、石油化工、核工业、机械制造、 仪器仪表等领域。在某些领域中，由于其形状或使用条件等客观因素的存在，使其所受 应力状态有着很大的不同，比如镍合金多孔材料在作为结构材料使用时所受的压应力状 态；镍合金多孔材料在作为过滤器件应用时，常被制作成管体，它受到最多的是液体对 管体的冲击力：当在航空航天应用时，其所应用的状态，常受到剪应力的影响。从材料 功能与结构一体化的角度来看，研究镍合金多孔材料的力学性能有着重要的意义，本实 验根据不同的应用情况来研究镍合金多孔材料力学性能，其主要内容分为三个部分。 ( 1 ) 压缩性能的研究 本部分实验采用双向压制成型，还原气氛下烧结制备出具有不同孔隙度的柱状压缩 试件，并将这些试件进行压缩性能检测，通过压缩应力应变曲线柬分析其粒度、孔隙度 对压缩性能的影响。 ( 2 ) 剪切性能的研究 8 镍合金多孔材科力学性能的研究 本部分实验采用双向压制成型，还原气氛下烧结制备出具有不同孔隙度的片状剪切 试件，并将这些试件进行压缩性能检测，通过剪切应力