（材料加工工程专业论文）喷射沉积多孔材料陶粒轧制工艺的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 喷射沉积技术作为一种先进的材料制备新技术，已经被广泛应用于制备合金 及金属基复合材料。然而喷射沉积坯料中通常存在一定量的孔隙，颗粒表面存在 一定厚度的氧化膜，颗粒之间未能完全达到良好的冶金结合状态，因此需要进行 后续致密化和塑性变形才能获得理想的组织和性能。本文通过对喷射沉积多孔材 料的致密化和塑性变形规律的研究，以及对现有的喷射沉积多孔材料塑性加工工 艺的分析比较，特别是根据准热等静压工艺特点提出了一种新型的轧制技术一一 陶粒轧制。本论文的主要研究内容和研究结果如下： ( 1 ) 对喷射沉积8 0 0 9 a 1 s i c p 板坯陶粒轧制工艺进行了研究。分析了陶粒轧 制的7 种实验方案，研究了该工艺中的诸如钢压头形状、原始坯件的设计以及轧 制方式等对多孔材料陶粒轧制变形行为的影响，在此基础上对工艺条件进行优化。 在陶粒轧制过程中，钢压头的形状以及轧制方式对喷射沉积多孔材料板坯的 轧制变形行为有很大的影响，特别是采用厚的平压头以及道次间采用l8 0 。转向 轧制工艺，能够满足喷射沉积铝合金板坯轧制成形性能的要求。并且在陶粒轧制 过程中喷射沉积板坯的致密化和轧制变形行为与用于传递压力的陶瓷颗粒介质特 性有关。采用2 0 0 目a 1 2 0 3 进行陶粒轧制时，喷射沉积铝合金板坯的致密化效果 和轧制成形性能最佳。 ( 2 ) 对在陶粒轧制工艺条件下喷射沉积5 a 0 6 和8 0 0 9 s i c p 板坯的致密化规 律和组织演变规律进行了研究。与常规轧制工艺比较，在陶粒轧制工艺中的裂纹 形成阶段，由于陶瓷颗粒对材料纵向和横向变形的阻碍作用使多孔材料的延伸变 形量明显小于常规轧制，从而减小了促使裂纹形成的拉应变，有利于材料的致密 化进程，减小和避免表面裂纹的产生和扩展。并且在陶粒轧制过程中，轧件在三 向大小不等的压应力作用下，轧件内部粉末颗粒表面的氧化膜发生剪切变形，粉 末颗粒和氧化膜很容易破碎，有利于增强粉末颗粒粘结的完整性，获得更良好的 冶金结合，故轧件通过陶粒轧制后的致密度相对通过常规轧制的致密度在同等变 形程度下更高。 ( 3 ) 对在陶粒轧制工艺条件下喷射沉积5 a 0 6 和8 0 0 9 s i c p 板坯的加工性能 进行了研究。采用陶粒轧制工艺对喷射沉积法制备的5 a 0 6 和8 0 0 9 s i c p 板坯进行 轧制加工，板坯在变形量达到6 5 时仍不会形成表面裂纹，轧制后的板坯致密度、 强度、延性均优于常规轧制，并且板坯在先陶粒轧制致密再轧制工艺下通过充分 的变形，其室温力学性能也可超过传统轧制。采用陶粒轧制工艺对喷射沉积法制 备的多孔材料板坯进行轧制加工，改善了喷射沉积5 a 0 6 和8 0 0 9 s i c p 板坯轧制加 i i 喷射沉积铝合金板坏陶粒轧制工艺的研究 工性能，轧制出了组织与性能优良的铝合金薄板。 关键词：喷射沉积；多孔材料；致密化；塑性变形；陶粒轧制 i l l 硕十学位论文 a b s t r a c t a sa na d v a n c e dm a t e r i a lp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y ，s p r a yd e p o s i t i o nh a sb e e n w i d e l yu s e dt op r o d u c ea l l o y sa n dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s i np r i n c i p l e ，t h es p r a y d e p o s i t e dp r e f o r m su s u a l l ye x h i b i tl i m i t e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd u et ot h ep o r o s i t y a n dal a c ko fs o u n dm e t a l l u r g i c a lb o n db e t w e e nt h ep a r t i c l e s h i g h e rp e r f o r m a n c ec a n b ea c h i e v e db yf u r t h e rd e n s i f i c a t i o na n dd e f o r m a t i o n t h ed e n s i f i c a t i o na n dp l a s t i c d e f o r m a t i o nb e h a v i o r sa n df r a c t u r eb e h a v i o r so ft h ea s - s p r a yd e p o s i t e dp o r o u s p e r f o r m sw e r ei n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s t h ei n v o l v e dd e f o r m a t i o np r o c e s si sr o l l i n g an o v e lr o l l i n gm e t h o d sn a m e da s “c e r a m i cr o l l i n g ”d e v e l o p e db a s e do np s e u d o h i p t e c h n o l o g yi sa p p l i e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee f f e c t so fp r o c e s s i n gc o n d i t i o n sd u r i n g “c e r a m i cr o l l i n g ”t e c h n i q u e w e r e i n v e s t i g a t e d s e v e n k i n d so f “c e r a m i c r o l l i n g e x p e r i m e n t s h a v eb e e n e x p e r i m e n t a l l yv e r i f i e dt oi m p r o v et h ef o r m a b i l i t yo ft h ep o r o u s8 0 0 9 s i c pa l l o y p e r f o r m s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es h a p eo ft h ep r e s s u r et r a n s f e rm e d i u ma n d t h er o l l i n gm e t h o dh a so b v i o u se f f e c to nt h ed e f o r m a t i o no ft h es p r a yd e p o s i t e d p e r f o r m s t h ed e n s i f i c a t i o n a n dp l a s t i cd e f o r m a t i o nb e h a v i o r sa n dt h ef r a c t u r e b e h a v i o r so ft h ea s s p r a yd e p o s i t e dp o r o u sp e r f o r m sa r er e l a t e dw i t ht h ee f f e c t so f p a r t i c u l a t ec h a r a c t e r i s t i c sd u r i n g “c e r a m i cr o l l i n g ”p r o c e s s t h ec e r a m i cp a r t i c u l a t e s ， e s p e c i a l l yt h ea 1 2 0 3p a r t i c l ew i t ht h es i z eo fa b o u t2 0 0m e s h e s ，c a ns e r v ea st h e m e d i u mf o rt r a n s f e r r i n gp r e s s u r e ，t h u st op r o v i d eam o r eh o m o g e n o u ss e v e r e h y d r o s t a t i cs t r e s sf i e l dt oh a n d i c a p et h ef l o w i n go ft h em e t a l si nt h el o n g i t u d i n a la n d t r a n s v e r s ed i r e c t i o n sa n dt oa v o i dc r a c k i n gd u r i n gt h er o l l i n gp r o c e s s 。 ( 2 ) t h ei n f l u e n c e o ft h e p r o c e s s i n g c o n d i t i o n so nt h ed e n s i f i c a t i o na n d d e f o r m a t i o nb e h a v i o r so ft h ep o r o u s5 a 0 6a n d8 0 0 9 s i c pa l l o yp e r f o r md u r i n g “c e r a m i cr o l l i n g ”p r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t c o m p a r i n gw i t ht h ef u l l yd e n s em a t e r i a l s ，t h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fs p r a yd e p o s i t e d p r e f o r m si sv e r yc o m p l i c a t e da n dd i f f i c u l tb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fp o r o s i t yi nt h e p r e f o r m sa n do x i d a t i o nf i l mo nt h es u r f a c eo ft h ea l l o yp a r t i c l e si nt h em a t r i t d u r i n g t h ec o n v e n t i o n a lr o l l i n gp r o c e s s ，t h ep o r o u sp r e f o r mi sl i a b l et oc r a c k i n go rt e a r i n g d u r i n gc e r a m i cr o l l i n g ，t h ec e r a m i cp a r t i c u l a t e sm a ys e r v et h ed u a lf u n c t i o n so fa c o m p a c t i b l ep r e s s u r et r a n s f e rm e d i u ma n da l s oa sam e d i u mf o rh e a tp r e s e r v a t i o ni n i v 喷射沉积铝合金板坯陶粒轧制t 艺的研究 1 w o r k p i e c eb o d y ，t h u sh e l p st om a i n t a i nt h en e c e s s a r yt e m p e r a t u r el e v e l s f o rt h e d e f o r m a t i o nd u r i n gr o l l i n g i ti so b v i o u st h a tt h ec e r a m i cp a r t i c l e sc a nr e t a r dt h e f l o w i n go ft h em e t a li nt h el o n g i t u d i n a la n dt h et r a n s v e r s ed u r i n gc e r a m i cr o l l i n g w h e nt h et h i c k n e s sr e d u c t i o ni su pt o2 5 一3 0 ，w h i c hi si m p o r t a n ti na v o i d i n gt h e c r a c k s s i n c es e v e r eh y d r o s t a t i cs t r e s sf i e l db e n e f i t st h ef o r m a b i l i t y , e x t r u s i o ni s w i d e l ya d o p t e d f o rt h ed e n s i f i c a t i o na n dd e f o r m a t i o no ft h ea s s p r a yd e p o s i t e d p r e f o r m s ( 3 ) t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r ss u c ha sp a c k i n gm a t e r i a l s ，c e r a m i cp a r t i c u l a t es i z e a n dk i n ds h o u l db ep a i dm o r ea t t e n t i o ni no r d e rt oi m p r o v et h ed e n s i f i c a t i o ne f f e c tt o s oa st oa n do b t a i nl a r g ed i m e n s i o ns h e e tf r e eo fc r a c k t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c e r a m i cr o l l i n g ”t e c h n i q u ei sa ne f f e c t i v em e t h o dt os p e e du pt h ed e n s i f i c a t i o na n d i m p r o v et h ef o r m a b i l i t yo fp o r o u ss p r a yd e p o s i t i o na l l o yp r e f o r m s ，w h i c hi st h o u g h t t ob er e s u l t e df r o mt h es e v e r eh y d r o s t a t i ca n dh o m o g e n o u ss t r e s s a st h ei m m a t u r e m a n u f a c t u r et e c h n i q u et op r o c e s ss p r a yd e p o s i t e da l u m i n u ma l l o y s ，g r e a te f f o r t sw i l l b es t i m u l a t e df o rf u r t h e r i n v e s t i g a t i o n ，a n ds i g n i f i c a n tp r o g r e s s i s e x p e c t e d n e v e r t h e l e s s ，e x t r u s i o nc a nn o tp r o d u c el a r g ed i m e n s i o np l a t e sl i m i t e db yt h ef a c i l i t y k e yw o r d s ：s p r a yd e p o s i t i o n ；p o r o s i t ym a t e r i a l ；d e n s i f i c a t i o n ；p l a s t i cd e f o r m a t i o n ； c e r a m i cr o l l i n g v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名：羹艳砀日期：b 0 1 年5 月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：龚艳历 剔噬辄1 vj 日期：a 伽1 年f 月2 1 日 e t 期：a o q 年萝月之1 日 硕二i ：学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 等静压( i s o s t a t i cp r e s s i n g ) 是在各个方向上对坯件同时施加相等压力的一种工 艺方法。在粉末冶金领域里，等静压技术主要用于粉料的成型和固结，它是伴随 现代粉末冶金技术兴起而发展起来的一种新的成形方法。由于等静压技术在工艺 上有独特的优越性、即能够使粉末冶金制品致密化达到很高的致密度；消除精密 铸件的内孔和疏松等缺陷；异种材料的高温粘结等等。因此，在材料科学领域中 已得到了广泛应用。热等静压产品( 高速工具钢、高温合金、硬质合金、钛合金、 低合金钢和陶瓷材料等) 已应用于航空、石油化工、原子能、人造金刚石、矿山机 械和交通运输等方面【l 以1 1 。等静压技术可以使形状复杂的合金部分直接成形，提 高材料的物理性能和机械性能，并使得一些粉末冶金材料制品能够取代熔铸冶金 产品，还使得有些用常规生产方法所不能制造的材料成为可能。 热等静压( h i p ) 是一种制备高致密化近净形零件的非常有效的粉末冶金技 术，该技术可以在高温高压下将金属粉末或预成形坯料高致密度且近终尺寸成形。 但是传统的h i p 工艺的某些缺点限制了它的通用性【2 - 5 ，如：可达到的最大压力 相对较低( 1 0 0 - - 2 0 0 m p a ) ；h i p 设备需要很长的加热到温和增压、冷却时间，使 工艺的循环周期加长；常常出现的包套泄漏现象，以及与模具设计相关的不确定 因素，使h i p 工艺过程不稳定：h i p 设备昂贵，操作成本高。为了克服热等静压 技术工艺周期长、设备昂贵等缺点，研究者们陆续研究开发出一些相应在工业上 可取代h i p 的工艺，如：大气压力固结工艺，陶粒压制工艺( c e r a e o n ) 、快速多向 成型工艺( r o c ) 等，这些工艺被统一称为准热等静压( p s e u d o h i p ) 工艺【4 q j ，可 以更经济的制备高性能的粉末冶金零部件。 作为一种新型的材料制备技术，喷射沉积技术具有一系列优越性【l 厶1 6 j ，如沉 积坯的冷却速度高，组织细小均匀，合金成分偏析程度小。材料的氧化程度小， 工艺流程短，减轻了材料的污染程度；近净形成形，生产率高，生产成本降低等。 喷射沉积技术尤其适用于制造由于容易产生严重的偏析难以或无法利用通常铸造 技术制造、利用粉末冶金技术制造成本过高、难以制备的大尺寸的零部件。然而 喷射沉积材料通常存在一定量的孔隙，颗粒表面存在一定厚度的氧化膜，颗粒之 间未能完全达到良好的冶金结合状态，需要进行后续致密化和塑性变形才能获得 理想的组织和性能。根据准等静压制工艺的基本原理，特别是陶瓷颗粒压制工艺 ( c e r a c o n ) 的特点，湖南大学材料科学与工程学院陈振华教授提出了一种全新的 喷射沉积铝合会板坏陶粒轧制工艺的研究 喷射沉积多孔材料轧制变形工艺准等静压轧制，具体工艺为陶瓷颗粒包覆轧 制，旨在开发一种操作简便、所需变形力较小、包覆材料可重复利用的提高喷射 沉积多孔材料的轧制成形性能和力学性能的轧制工艺，主要用于采用喷射沉积技 术制备的铝合金多孔材料进行s l n 力n - r ，以满足航天、航空、交通等领域对大量 高性能铝合金薄板材料的需要。 1 2 多孔金属材料的定义 多孔材料( p o r o u sm a t e r i a l s ) 可以定义为由大量的几何尺寸基本属于同一量 级颗粒所构成的、存在孔洞或空隙的固体材料，其物理性质介于松散体和致密连 续体之间【 】。采用粉末冶金技术和喷射沉积技术制备的材料，微观上都具有一定 的孔隙度。文献【1 8 1 中把相对密度为4 0 一7 0 的烧结材料称为多孔材料，文献【1 9 。2 2 】 中把相对密度为6 4 8 一8 7 8 的烧结材料称为多孔材料，文献1 2 3 1 中把相对密度 为7 8 一9 2 4 的烧结材料称为多孔材料。喷射沉积态材料的相对密度约为8 2 一 9 0 ，因此在论文中也把喷射沉积材料归类为多孔材料。不论是粉末冶金材料还 是喷射沉积材料，都是介于松散体与连续致密体之间的一类材料，都需要一定量 的后续塑性变形来获得理想的组织与性能。由于孔洞的存在，该类材料的后续塑 性变形完全不同于致密金属材料的后续变形，因此致密材料的塑性变形理论不再 适用于多孔材料的塑性变形。多孔材料的致密化和塑性变形理论是一门前沿科学， 主要包括致密化理论、塑性变形理论、断裂理论及粉末体流变理论等。研究多孔 材料的致密化与塑性变形，更好地认识多孔材料的变形规律，对于粉末冶金和喷 射沉积多孔材料的产业化具有重要的实践指导意义。 1 3 多孑l 金属及其合金成形过程中的致密化与变形理论研究 1 3 1 粉末压制成形中的致密化及变形理论 松散粉末在刚性模中的压制或等静压制过程一般可分为三个阶段：第一阶段， 粉末颗粒重排，使得在松装粉末不规则排列堆积时所发生的拱挤效应部分消除， 同时球形粉末发生塑性流动而致密化，可发生包括围绕颗粒周围相互接触区域的 变形以及通过局部挤压填充剩余的孔洞；第二阶段包括颗粒的弹性和塑性变形， 塑性变形量取决于粉末材料的延性，内含孔隙的粉末颗粒将显示出低的压缩性特 征；第三阶段，本身呈脆性的粉末颗粒，在加载条件下发生破碎。 粉末压制成形理论方面，早在1 9 2 3 年w a l k e r 就在试验的基础上提出了粉末体 相对体积与压制压力的对数呈线性关系的经验公式。此后，许多科学工作者相继 提出了数以百计的理论方程式和经验方程式，其中尤以飞a 且b i h h 方程式和 k o n o p i c k y 方程式被广泛应用于压制领域【2 4 2 9 1 。在随后的理论发展中，有关粉末 2 硕_ ：学位论文 压形理论的研究虽然为数不少，但至今仍存在许多不足之处，如：多数理论都把 粉末体作为弹性体处理并忽略硬化的影响，而粉末体变形时的加工硬化现象比致 密金属严重；有些理论忽略了时间因素的影响，因此这些理论的准确性与应用范 围受到了限制。 近3 0 年来，随着弹性力学、塑性力学、流变学、统计数学等一些理论在粉末 压缩过程中的应用，使得粉末压制理论又有了新的发展，大致可归纳为如下三类 3 0 l ： ( 1 ) 早期的以非线性弹性体为模型的粉末压制理论，认为应力和应变成非线 性关系，如应力的对数与应变的对数成线性关系；应力的对数与应变成线性关系： 应力与应变的对数成线性关系；应力与应变成双曲线关系等。通过对几种主要压 制理论的统计分析结果得出，在多数情况下，中南大学黄培云教授所提出的双对 数方程式【1 7 】 l o gp = m l o g l n d ( d m - d o ) d o ( d m d ) 】+ l o g m ( 1 1 ) 式中：p 一压制压力； d o 一松装密度； m ，m 一常数； d m 一致密密度； d 一压制密度。 不论对软粉末或硬粉末适用效果都比较好。非线性模型的不足之处在于：不考虑 应变历史( 压制方式、压制速度、压制保压时间等) 对应变结果( 压制密度) 的影响， 因此无法解释粉末在压制过程中所表现的流变特性( 应变推迟、应力松弛、压制蠕 变、弹性后效、粉末内耗等) 和塑性行为；另外把粉末体作为弹性体处理也存在 一定的局限性。 ( 2 ) 近3 0 年来，随着致密金属塑性变形理论的发展，以塑性理论为基础的粉 末压制理论也逐步发展起来。这一点将在本文下节中予以详细介绍。 ( 3 ) 粉末体压缩成形时表现出一系列流变特性，如应变推迟、应力松驰、压 制蠕变、弹性后效、粉末内耗等，于是近2 0 年来，各国学者开始考虑时间因素对 压缩过程的影响，提出了许多流变模型，产生了以流变学为基础的粉末压制理论。 粉末体的非线性流变模型可包含非线性弹体、线性弹体、非线性粘体、线性粘体、 塑性体等基本单元【3 卜3 4 】；通过这些基本单元的组合来描述粉末体的压缩流变行 为，并确定应力应变关系。由于非线性流变模型综合考虑了粉末在压缩过程中的 非线性弹性行为、塑性行为和非线性流变行为，因而在理论上具有较大的优越性， 在一定程度上揭示了粉末压缩过程的物理本质。黄培云教授提出的非线性粘弹模 型【1 7 】 o = m m + 1 1 营k ( 1 2 ) 喷射沉积铝含金板坏陶粒轧制t 艺的研究 式中：o 一应力； 一应变； m 一压制模量； m 一硬化指数； 营变形速率； t 1 ，k 一常数。 可以较好地定量描述粉末压缩过程。但由于非连续流变模型的设计本身在流变学 理论中尚不成熟，模型与流变方程具有一定的经验性。在国内，中南大学、武汉 工学院等单位曾经进行过有关方面的研究工作，中南大学黄培云教授和湖南大学 陈振华教授等人采用粉末体流变学对粉末和多孔体的变形进行过系统的研究，在 解决粉末压制问题方面取得了令人满意的结果。 1 - 3 2 多孔预成形坯的致密化及变形理论 1 3 2 1 多孔预成形坯及其致密化的几点假设 致密金属的塑性变形理论是建立在连续介质力学基础上的，有关金属压力加 工的塑性理论也只适合于连续介质。多孔坯由基体金属和孔隙组成，而基体金属 又由一些不连接的或弱连接的单独颗粒或团粒所组成，并且颗粒间存在氧化膜， 其变形过程和微观机制与致密体的均有很大不同：多孔金属的成形包含致密化与 塑性变形阶段；致密金属塑性变形的微观机制主要是金属晶体的位错运动，而多 孔预成形坯的变形则是颗粒填充位移、颗粒弹性变形和塑性变形、孔隙变形的综 合结果；多孔坯变形时不仅颗粒形状改变，而且体积变化很大，变形遵循质量不 变条件： d e l + d e 2 + d e 3 + d p p = 0 ( 1 3 ) 泊松比1 ) = o o 5 ，且正比于致密度【3 5 1 。变形初期，1 ) 较小，金属致密化速度很快， 而塑性变形较小等等。因此，致密体的塑性理论不适用于多孔体成形。对于由大 量粉末颗粒组成的体系，可以进行一些合理的假设或模型化，以此作为多孔体致 密化过程的必要前提。 ( 一) 二相混合体系【3 6 】 从宏观上看，多孔体系是由大量颗粒组成的不连续体系，但从微观上分析， 有人认为这一体系是由性质完全不同的二相混合组成【3 7 瑚】。一相是粉末颗粒相， 它是一种不可压缩的实体，具有自身特定的理论密度及变形屈服极限。另一相是 孔隙相，孔隙包括粉末颗粒内部的气孔及其表面的凹坑，但主要是指粉末颗粒之 间的间隙。孔隙相的质量、密度和强度均等于零，因此致密化时孔隙相的变形不 存在任何阻力。多孔体致密化过程实质上就是粉末颗粒相填充孔隙相的结果，多 孔体体积的减小等于孔隙相体积的降低。图1 1 为球形粉末在致密化时逐步填充孔 4 硕 ：学位论文 隙的情况。 国鳃圆 图1 1球形粉末填充气孔时的示意图【3 8 枷1 ( a ) 致密化前；( b ) 致密化中期；( c ) 致密化后期 ( 二) 体系质量不变 致密化过程中粉末体系将发生显著的体积收缩，而质量保持不变。由于致密 粉末颗粒本身不可压缩，故多孔体系整个体积的减小将等于气孔体积的降低。 1 3 2 2多孔预成形坯变形时氧化膜的破碎及孔隙变形 ( 一) 氧化膜及孔隙的形成 通过快速凝固制粉粉末压制成形方法所制备的多孔预成形坯，其氧化物 含量与粉末暴露在氧化性气氛中的时间有关；而孔隙度与压制压力、粉末的流动 性、颗粒形貌等因素有关。 在喷射沉积过程中，液态金属通过惰性气体雾化成细小液滴，液滴沉积在基 体上。这种方法与传统的粉末冶金方法相比，免除了与传统粉末冶金过程相关的 二次加工，如粉末过筛、包套、初次固结等，将粉末体暴露在氧化性气氛中的时 间限制到最小，氧化污染大大减少。低的氧化物含量是有益的，实验表明 4 1 - 4 5 ： 快速凝固合金中的一定体积分数的耐热氧化物使合金塑性降低，刚度受损害，抗 点蚀性能下降，而且氧化物的存在妨碍了颗粒之间良好的冶金结合。而喷射沉积 法生产的合金仅含0 0 1 0 0 2 的氧化物，用惰性气体作为雾化气体生产的颗 粒尺寸为5 0 斗m 的合金，其氧化物质量分数在0 1 5 o 2 0 之间 4 6 - 5 0 1 。 在喷射沉积坯中，多孔性是普遍现象。孔隙的量及形貌依赖于液滴在撞击过 程中的受热条件与凝固条件。喷射沉积材料中孔隙的形成机制被普遍认为是液态 金属重叠时相互撞击所形成的。沉积坯中孔隙度主要由沉积时的固液比和固体颗 粒的堆积状态所决定。喷射体撞击基底时的液相量过多，则大量的雾化气体被卷 入熔体，使凝固后的沉积坯带有大量的孔隙；喷射体撞击基底时的液相量过少， 则合金固体颗粒之间的界面没有充足的合金液相进行填充，从而使孔隙量增加。 此外，撞击时液滴的直径和表面张力、基底的温度、液滴的过冷度等参数，也影 响沉积坯孔隙度。结果表明：通过选择合理的熔体过热度、喷射高度以及金属液 喷射沉积铝合金板坏陶粒轧制丁艺的研究 滴与气体流动速度比等参数，可使喷射坯致密度大大提高。 ( 二) 氧化物及孔隙的变形 多孔材料塑性变形基本上可以分为两个阶段：致密化阶段和塑性变形阶段。 多孔坯的致密化包括：增加颗粒间的接触面积，孔隙压缩变形破裂，材料挤入孔 隙。通常，粉末固结致密化需要在低于粉末熔点的一定温度下通过固相扩散来实 现，铝合金粉末通常被一层1 0n m 左右厚的氧化膜覆盖，除非氧化膜被破碎所形 成的新鲜粉末颗粒表面相互接触，否则颗粒间不可能通过扩散获得良好的结合。 因此，粉末颗粒需要通过粉末压形和其后的锻造、挤压、轧制等过程中颗粒的塑 性变形、氧化膜的破碎来获得良好的冶金结合。与金属基体相比，氧化膜越脆则 越容易破坏，纯洁表面的形成过程加快，有利于金属在后续阶段的结合。随后在 压应力的作用下，纯洁表面逐渐靠拢，直到距离小于原子间力的作用半径，结果 产生微小的单个结合区段( 结合桥) 5 1 - 5 s 】；结合桥开始扩展，又产生新的桥，使结 合面不断增加，形成良好的冶金结合。 材料塑性较低时，颗粒的结合质量较高，其原因如下：板坯在塑性变形( 引起 结合) 过程中，不仅具有单个颗粒本身塑性变形的特征，而且还具有颗粒互相迁 移的特性。塑性材料变形时，在颗粒互相迁移不大的情况下，颗粒以塑性流动为 主。氧化膜的破裂主要是因为颗粒变形时膜中出现拉应力的结果。低塑性材料变 形时，除塑性流动外，颗粒间还发生大的迁移，氧化膜的破坏不仅是由于应力超 过其强度所引起，而且还是颗粒间相互迁移时发生摩擦、颗粒表面磨损所造成的 结果。在这种情况下剪切变形所形成的清洁表面的数量因氧化膜被破坏而增多， 从而使颗粒结合得更好。喷射沉积圆锭坯经过挤压可以获得良好的冶金结合，一 个原因是挤压时具有的三向压应力状态；另一原因则为热挤压过程中的摩擦力能 分解出一个剪应力分力，使粉末颗粒发生剪切，破坏颗粒的原始边界，促进粉末 之间的粘结。由此可见，剪应力对于颗粒获得良好冶金结合有着积极作用。 氧化膜的破碎机理、颗粒流动与变形机理均是有待深入研究的课题，如氧化 膜塑性大小、应力状态与破碎程度的关系；材料塑性大小与颗粒结合质量的关系； 颗粒优先变形的机理等等。 多孔预成形坯中有一定的孔隙( 粉末颗粒间的空隙) ，增加了变形的复杂性。 孔隙内表面的氧化物和污染层会减慢内表面相互间的机械结合，变形过程中必须 将孔隙消除，以获得良好的冶金结合。孔隙可以成为裂缝的起始点，并为裂缝的 扩展提供了一条方便的通道。为获得高性能的材料，通过变形来消除预成坯中的 孔隙是必要的。如图1 2 所示，孔隙的变形不但与变形程度有关，而且受变形方式 和应力状态的影响。静水压力可以使多孔坯致密，孔隙体积可以通过弹性变形和 塑性变形方式减小，如附图( a ) 所示。但是通过静水压力完全消除孔隙是困难的， 因为这需要无穷大的压力。另一种孔隙变形方式见附图( c ) ，孔隙同时受到静水压 6 硕士学位论文 力和剪切应力的作用，空隙不仅受到静水压力的压缩，而且剪切变形的作用容易 使孔隙拉长和闭合。实验表明 5 9 - 6 0 】，h t c ( h o tt r i a x i a ic o m p a c t i o n ) 在减少孔隙平 均尺寸和大孔隙数量方面比h i p ( h o ti s o s t a t i cp r e s s i n g ) 有效，即三向不等应力的 热压缩比热等静压更有利于多孔材料的致密化。另外，孔隙不总是柱形或圆形， 有限元模拟表明孔隙的形状对于致密化有很大的影响【60 。三角形孔隙的塌陷速度 是圆形孔隙塌陷速度的4 倍，其原因在于颗粒相接形成的三角形的孔隙处应力集中 比圆形孔隙大得多。有关多孔体孔隙变形机理国内外相关报道很少，而这也是一 个值得深入研究的方向。 图1 2 孔隙变形与应力状态的关系示意图【1 5 1 a 一孔隙只受到静水压力的作用； b 一孔隙同时受到静水压力和剪切应力的作用 相对密度与轴向压缩塑性应变的关系最早由k u h n 提出，相对密度、体积应 变、轴向压缩应变、泊松比之间的关系表述为【6 u 印仞= d e v = ( 1 2 1 ) ) d e l ( 1 4 ) 1 3 2 3多孔预成形坯的塑性变形及塑性屈服模型 多孔材料的变形是由基体材料和孔隙的变形所构成的，即变形和致密化是同 时进行的，力总是通过基体材料来传递。孔隙的变形由孔隙的形状变化和体积变 化两部分组成，是通过基体材料的塑性变形来实现的，也就是说基体材料与孔隙 的变形相互关联。与致密金属塑性变形的微观机制相比，多孔材料的塑性变形具 有不同的特点【5 9 1 ，如：致密金属塑性变形的微观结构主要是位错运动；而多孔预 成型坯致密化与塑性变形的颗粒位移、弹性变形和塑性变形、孔隙变形的综合结 果；多孔坯变形时不仅颗粒形状改变，而且体积变化很大，它是一种变形程度非 常大的变形，变形遵循质量不变条件；多孔金属在塑性变形过程中，不仅会由于 塑性变形而发生加工硬化，而且还会由于体积收缩而产生几何硬化，从而使材料 密度上升【2 0 l ；多孔材料的塑性泊松比小于0 5 ，正比于材料的相对密度【2 1 1 。 多孔材料的变形过程与致密金属有三点主要区别【2 2 枷】：首先，在致密金属变 形过程中，孔洞形核、粗化，最终出现延性断裂；而对于多孔材料，孔洞在变形 之前就存在，孔洞作为应力集中源会大大减小多孔材料断裂以前的变形量；第二， 7 喷射沉积铝合金板坯陶粒轧制工艺的研究 为了获得冶金结合良好的组织及优良的性能，必须用某种方式消除坯料中已经存 在的孔洞；最后，由于孔洞的存在，多孔材料在变形时体积发生变化，这就使得 经典的塑性理论的一个主要的假设“体积不变不成立【2 3 1 ，需要用新的方法来分析 塑性变形机制，即多孔材料变形过程的理论分析必须考虑由于孔洞存在而引起的 体积变化的影响。 因此在多孔( 可压缩) 材料塑性变形理论的发展过程中，有必要建立一种屈服 准则和颗粒流动规律，从而导出应力应变关系。自2 0 世纪6 0 年代开始，国外一 些学者就开始了对多孔材料塑性变形理论的研究。日本学者m o r i 和o s a k a t l a 对 粉末烧结体的正向挤压成形过程进行了稳态和非稳态分析。d u s z c z y k 对多孔金属 的屈服准则作了进一步的研究，用上限元法对多孔金属冷等静压压实过程和挤压 过程进行了分析4 2 1 。国外学者还采用不同方法对多孔材料的成形过程进行了理论 分析。多孑l 材料的屈服远比致密铸造合金材料复杂，因为多孔材料的屈服不但受 应力偏量的影响，而且受静水压力的影响，静水压应力( 即球形应力状态：o l = 0 2 = 0 3 ) 在致密金属中不引起塑性变形，而在多孔坯中却引起屈服，因为多孔坯孔隙体积 可压缩，且多孔坯颗粒间的联系强度较小，在静水压应力状态下颗粒间可能引起 移动和转动，因此对于孔隙周边的每个颗粒来说不一定保持静水压力状态。考虑 到多孔材料的屈服不仅与应力偏量有关，而且与静水压力有关，有学者在 v o n m i s e s 致密体屈服函数3 j 2 = y 2 0 的基础上提出多孔体屈服函数的形式为【4 1 】 a j 2 + b j z l = b y z o = y 2 p( 1 5 ) j 2 = 1 6 ( g 1 a 2 ) 2 + ( 0 2 ( 1 3 ) 2 + ( 0 3 0 1 ) 2 】，为偏应力张量第二不变量：j 1 - o l + 0 2 + 6 3 ，为应力张量第一不变量；y 0 为完全致密时的屈服应力；y 。是相对密度为p 时 的屈服应力；a 、b 、6 是相对密度的函数，不同研究者对于a 、b 、6 与相对 密度的关系有不同的假设。s m d o r a i v e l u 等通过实验得出：a = 2 ( 1 + 1 ) ) ，b = ( 1 2 1 ) ) 3 ，6 = 2 p 2 1 ，1 ，为泊松比，1 0 = 0 5 , 0 n ，p 为相对密度，对于烧结坯或粉末热 压坯n = 2 t 4 1 1 。这已在金属成形过程中被许多实验应用并证实。 由于认为多孔材料是应变速率敏感材料，o y a n e 认为屈服应力。是等效应变速 率的函数【4 0 】 ： 孑= a e ( 善) ”( 1 6 ) 仃= ( ) ”( 1 6 ) o 式中；为等效应变速率，磊为材料常数。o y a n e 等提出了以下屈服准则作为多孔体 的屈服准则【4 0 】 3 ( ，i j g i j7 + 2 ( o m 0z 一2p k 仃) z = 0 ( 1 7 ) 其屈服表面的椭圆，内接于v o n m i s e s 圆柱。 式中：o i i l 应力偏量； o m 一静水压力； 8 硕士学位论文 f 一相对密度的函数； k 一常数； 户一相对密度。 多孔体变形的另一种研究模型为离散单元法即d e m ( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ) 4 3 1 ，该方法最早由p a c u n d a l l 于1 9 7 1 年提出，是研究不连续体力学行为的一种 新的数值方法，它可以细致地模拟各单元的相互作用。这种数值方法明显的优点 是适用于模拟离散组合体的接触或碰撞过程。d e m 不同于基于最小势能变分原 理的有限单元法，而是建立在最基本的牛顿第二定律之上，它的基本思想是：将 任何一个物体作为分离体来分析，它总会受到相邻物体的力和力矩的作用，并在 这种合力和合力矩的作用下产生运动和变形。这种思维方式在计算机上很容易实 现，以每个单元为受力体，建立其显示方程组之后，根据牛顿第二定律并结合不 同的本构关系，以差分法进行求解和迭代计算，结合动画技术，可以形象直观地 反映系统中每个单元运动变化的力场、位移场、速度场等力学参量的变化，且这 种方法不受系统中物体个数的限制，但是计算过程很复杂。 由于d e m 的有限元方法具有广泛的应用性及准确的计算，故被用于各种金属 成形工艺，如锻造、挤压、轧制、板金属成形等。然而，绝大多数分析研究都是 针对致密体的塑性变形，其体积在变形时保持不变。在多孔体的成形过程中必须 在塑性理论的基础上，考虑密度的变化，推出方程式。 国内对多孔金属塑性变形过程的理论分析报道很少，且在这方面的研究起步 较晚，华林和赵仲治对烧结铜的屈服理论进行了研究；任学严等人用薄壁管复合 加载的方法研究了粉末体的屈服准则。松散介质的颗粒间有空隙存在，但是这些 空隙的几何尺寸一般不会超过颗粒本身的空间量级，与被研究范围的尺寸相比极 其微小，可以忽略不计，这样就可以认为，松散介质在其整个几何空间内是连续 的。因此，上海交通大学的卫平原、阮雪榆等将多孔体假设为“可压缩连续体”， 并导出了分析其塑性变形和致密化过程的塑性有限元公式 4 3 - 4 5 j 。 1 4 喷射沉积多孔材料的塑性加工工艺及理论 多孔预成形坯的制备方法大致有两类f 6 2 击4 】：( 1 ) 快速凝固制粉一粉末压制成 形，其具体成形方法有冷压、热压( 包括普通压制、等静压制) 、粉末锻造、轧制、 挤压、爆炸成形等；( 2 ) 快速凝固一喷射沉积直接成形制备多孔预成形。为了获 得致密体及所要求的形状和机械性能，必须对多孔预成形坯进行后续塑性加工， 从2 0 世纪6 0 年代开始研究和发展了粉末塑性加工技术。这些技术主要可以分两大 类【6 孓6 6 l ：( 1 ) 无体积变形或体积变形很小的技术，如冷等静压(