（材料加工工程专业论文）喷射沉积材料压缩和轧制变形规律研究.pdf

博十学位论文 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。然而喷射沉积材料通常存在定量的孔隙，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刊能获得理想的组织和性能。本文对喷射沉积多孔 材料的致密化和塑性变形规律及机理进行了深入的研究。通过对喷射沉积材料 的压缩和轧制变形规律及断裂行为的研究，揭示了变形工艺条件对多孔材料变 形行为和断裂行为的影响规律。采用两种新型的轧制工艺，有效地提高了多孔 材料的轧制成形性能，避免了喷射沉积材料轧制过程中裂纹的形成和扩展，这 对喷射沉积多孔材料的致密化和塑性变形的研究具有重要的指导意义，有利于 喷射沉积材料的产业化和推广应用。本论文的主要研究内容和研究结论如下： ( 1 ) 对喷射沉积f v s 0 8 1 2 耐热铝合金材料的室温和高温压缩变形和断裂 行为进行了研究。 在不同摩擦条件下对喷射沉积材料进行了室温压缩实验，通过测量圆柱体 试样表面网格变形前后尺寸的变化，确定了高向与径向应变。实验结果表明， 喷射沉积材料的室温压缩变形具有以下特点：材料的相对密度在压缩变形初期 增加很快，此后随着压缩应变的增加，密度变化趋于平缓；在轴向应变相同时， 喷射沉积材料的径向应变比致密材料的小，侧面鼓形现象不明显，因鼓形而造 成的周向拉应力也较小；显微组织观察结果表明，喷射沉积材料压缩致密化过 程中孔洞的变形经历了如下过程：孔洞塌陷变形；大尺寸孔洞变形为分散分布 的小孔洞；孔洞延伸并压缩变形为线状：孔洞消失。 在o l e e b l e ，l5 0 0 热模拟试验机上对喷射沉积材料热压缩流变行为进行了系 统的研究。实验结果表明，与致密金属相比，在高温压缩变形过程中喷射沉积 材料的应交硬化现象突出，在本实验条件下没有出现明显的应变软化现象；多 孔材料流变应力呈稳念特征的临界变形温度和应变速率比致密材料大：当应变 速率较小时，变形温度对径向应变的影响较明显，径向应变随变形温度的升高 丽增加。 喷射沉积材料压缩断裂行为的研究结果表明：接触表嚣的摩擦系数越大， 圆柱形试样由于变形不均匀而造成的鼓形越明显，出现周向裂纹的应变也越小； 接触表露的摩擦系数越小，上下表露越容易形成裂纹。多孔材料压缩变形的断 裂应变随着变形温度的升高而增大。 ( 2 ) 对喷射沉积多孔材料的轧制变形规律和断裂行为进行了研究。 根据轧制j ；i 后轧件尺寸、轧件表面网格尺寸的变化特点，研究了喷射沉积 喷射沉积材料压缩和轧制变形规律研究 材料的轧制变形规律。多孔材料的轧制变形行为具有如下特点：当高向变形量 相同时，多孔材料的宽展和延伸比敏密材利的小：多孔材料轧制变形时的高向 变形不均匀，即使当轧制道次变形量达到4 0 ，轧件的表面变形仍然大于中间 部位的变形；喷射沉积多孔材料的轧制塑性泊松比正比于材料的相对密度，当 坯料的初始孔隙度为15 6 时，轧制塑性泊松比约为o 2 5 左右。在喷射沉积材 料轧制变形过程中，应力状态对致密化速度有明显影响，增加静水压力川以加 快材料的致密化速度，改善材料的成形性能。 山于存在孔洞以及材料内部颗粒未达到良好的冶金结合状态，喷射沉积材 料在轧制过程中容易形成层裂和表面横向裂纹。当坯料的初始孔隙度为15 1 8 时，表面横向裂纹往往出现在轧制变形量达到1 5 2 5 时，而不是在轧制 起始阶段。 ( 3 ) 喷射沉积多孔材料变形和断裂规律的研究结果表明，在喷射沉积材料 致密化变形阶段，适当减小拉应变，提高其致密化速度，可以改善其变形性能。 据此提出了喷射沉积多孔材料的包套轧制变形工艺，研究了不同包套材料对多 孔材料轧制变形和致密化规律的影响。实验结果表明，复合包套轧制工艺可以 明显减少变形过程中裂纹的形成和扩展，提高喷射沉积多孔材料的轧制成形性 能。采用喷射沉积多孔材料“内铝外不锈钢”复合包套轧制工艺，成功制备了 厚度为o 6 m m 的喷射沉积f v s 0 8 1 2 耐热铝合金薄板。薄板组织细小均匀，晶 粒尺寸为3 0 0 5 0 0 n m ，a 1 1 3 ( f e ，v ) 3 s i 第二相尺寸为3 0 7 0 n m 左右；室温及 高温力学性能优良，室温时o ；3 5 7 m p a ，ob = 4 1 5 m p a ，6 = 1 4 4 ：3 0 0 时o 。= 1 6 2 m p a ，ob = 2 1 3m p a ，6 = 5 4 。f v s 0 8 1 2 轧制薄板具有优良的室 温及高温力学性能，可归因于弥散分布在基体上、高温稳定性好的a i l 3 ( f e ，v ) 3 s i 第二相，该相在5 8 0o c 保温2 h 、5 4 0 。c 保温l o o h 、6 0 0 保温1 5 h 退火后，均 没有明显粗化。 ( 4 ) 论文研究了了两种全新的喷射沉积多孔材料轧制工艺，即“外框限制 轧制”和“陶瓷颗粒包覆轧制”，并成功地应用于喷射沉积多孔材科的轧制变 形，明显改善了多孔材料的轧制成形性能，避免了轧制过程中裂纹的形成和扩 展。 外框限制轧制工艺实际上是在轧机上实现的多孔材料的连续的模压过程， 通过外框限制了轧件的纵向和横向流动，增强了多孔材料所处的静水压力状态， 并且外框对轧件起到了良好的保温效果，有效地提商了材料的s l n 成形性能和 致密化速度，避免了轧制过程中裂纹的形成。实验结果表明，采用外框限制轧 制时，喷射沉积材料在变形量达到4 9 5 时仍不会形成表面裂纹，而在常规轧 割变形中，当轧制变形量为2 6 ，5 时轧件表面就已经出现较多细密的横向裂纹。 陶瓷颗粒包覆轧制工艺中采用陶瓷颗粒作为压力传递介质，陶瓷颗粒介质 博士学位论文 被压缩的过程中会在各个方向上把压应力均匀地传递给多孔材料轧件，使材料 发生致密化变形。在陶瓷颗粒包覆轧制过程中，当变形量达到一定程度以后， 颗粒介质对金属流动的阻碍作用大大增强，使陶瓷颗粒包覆轧制时多孔材料的 纵向变形明显小于常规轧制，这一工艺特点在改善多孔材料轧制成形性能、减 小和防止裂纹形成方面具有重要作用。实验结果表明，采用陶瓷颗粒包覆轧制 时，喷射沉积材料在变形量达到6 0 时仍不会形成表面裂纹，而在常规轧制变 形中，当轧制变形量为2 6 5 时轧件表面就己经出现较多细密的横向裂纹。陶 瓷颗粒在轧制过程中对多孔材料的保温作用，也是提高多j l 材料轧制性能的因 素之一。颗粒介质的特性将直接影响喷射沉积多孔材料的轧制变形行为。通过 选择合适的颗粒介质，优化轧制工艺，可以对喷射沉积多孔材料直接进行陶瓷 颗粒包覆轧制，成功制备薄板。 关键词：喷射沉积；铝合金；致密化；塑性变形；断裂；压缩；轧制 喷射沉积材料压缩和轧制变形规律研究 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 h o w e v e r ，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 yc o n t a i nm o r et h a nl0 v 0 1 p o r o s i t yt h a ti sag r e a t d i s a d v a n t a g ef o rt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i no r d e rt op r e p a r ef u l l yd e n s ep r o d u c t s o fh i g hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h ep o r o u sp r e f o r m sm u s tb ef u r t h e rd e n s i f i e da n d d e f o r m e dp l a s t i c a l l y t h ed e n s i f i c a t i o na 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 d f r a c t u r eb e h a v i o r so fs p r a yd e p o s i t e dp o r o u sp r e f o r m sw e r ei n v e s t i g a t e di nt h i s d i s s e r t a t i o n 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 s e sa r ec o m p r e s s i o na n dr o l l i n g ，t w o n o v e lr o i l i n gm e t h o d sn a m e da s “f r a m e c o n f i n e dr o l l i n g a n d c e r a m i cr o l l i n g w e r ea p p l i 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 tt h e s et w om e t h o d sc a ng r e a t l y i m p r o v et h ew o r k a b i l i t yo ft h es p r a yd e p o s i t e dp r e f o r m sw i t h o u ta r m i n gc r a c k s d u r i n gr o l l i n g t h em a i nc o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e f o r m a t i o na n df r a c t u r eb e h a v i o r so f s p r a yd e p o s i t e dp r e f o r m s d u r i n gc o m p r e s s i o nw e r ei n v e s t i g a t e d 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 r so fp o r o u s p r e f o r ma tr o o mt e m p e r a t u r ea r ec h a r a c t e r i z e db yal o w e rc i r c u m f e r e n t i a ls t r a i na t t h es a m ea x i a ls t r a i n w h i c hc a nb ec o n t r i b u t e dt ot h em i c r o p o r e si nt h em a t r i x t h et e n s i l es t r e s si nt h ec i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o no ft h es p r a yd e p o s i t e dp r e f o r m r e s u l t i n gf r o mt h eb u l g es u r f a c ei ss m a l l e rt h a nt h a to ft h ef u l l yd e n s em a t e r i a l t h e r e f o r e ，ar e l a t i v e l ys t a b l ed e f o r m a t i o nc a nb em a i n t a i n e dd u r i n gc o m p r e s s i o no f s p r a yd e p o s i t e dp r e f o r m s r a p i dd e n s i f i c a t i o nw a so b s e r v e du n t i lt h ea x i a ls t r a i n w a su pt oa p p r o x i m a t e l y5 0 w h e nt h er e l a t i v ed e n s i t yw a sa b o u t9 8 h o w e v e r ， s l o wa n ds m a l li n c r e a s eo ft h er e l a t i v ed e n s i t yo c c u r r e da f t e rt h e n t h ee v o l u t i o no f p o r e sd u r i n gc o m p r e s s i o ni sc h a r a c t e r i z e db yd e f o r m a t i o n ，c o l l a p s e ，e l o n g a t i o na n d d i s a p p e a r a n c e t h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o r so fp o r o u sp r e f o r md u r i n gh o tc o m p r e s s i o na r e c h a r a c t e r i z e db yas t r a i nh a r d e n i n gp h e n o m e n o na ta l ls t r a i n s t h ec r i t i c a ls t r a i nf o r t h eo c c u r r e n c eo fs t r a i ns o f t e n i n gi np o r o u sa l l o y si sm u c hh i g h e rt h a nt h a ti nt h e f u l l yd e n s ea l l o y s t h ei n f l u e n c e so fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h es t r a i nr a t eo n t h ef l o ws t r e s so fs p r a yd e p o s i t e df v s 0 8l2a l l o ya r et h es a m ea st h o s eo nt h ef u l l y d e n s ea s e x t r u d e dm a t e r i a l s t h ef l o ws t r e s si n c r e a s e sw i t ht h es t r a i nr a t ea n d d e c r e a s e sw i t ht h et e m p e r a t u r e t h ec i r c u m f e r e n t i a ls t r a i ni n c r e a s e sw i t ht h e i v ， 博士学位论文 t e m p e r a t u r ea tar e l a t i v e l yl o ws t r a i nr a t e t h ec o n t a c tf r i c t i o nf o r c eb e t w e e nt h es u r f a c eo ft h ed i ea n dt h es a m p l es h o w s g r e a te f f e c to nt h ef r a c t u r eb e h a v i o r so fp o r o u ss p r a yd e p o s i t e dp e r f o r m s i n a d d i t i o n ，t h ea m o u n to fd e f o r m a t i o nt of r a c t u r ei n c r e a s e sw i t ht h ed e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e ( 2 ) t h ed e f o r m a t i o na n df r a c t u r eb e h a v i o r so fs p r a y d e p o s i t e dp r e f o r m s d u r i n gr o l l i n gw e r ei n v e s t i g a t e d c o m p a r e dw 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 r so fp o r o u s p r e f o r m sd u r i n gr o l l i n ga r ec h a r a c t e r i z e db yas m a l l e re l o n g a t i o na n ds p r e a d i n g w i t ht h es a m et h i c k n e s sr e d u c t i o n t h et h i c k n e s ss t r a i ni sc h a r a c t e r i z e db ya d e c r e a s ef r o mt h es u r f a c et ot h ec e n t e ra c r o s st h es a m p l et h i c k n e s s ，e v e nt h o u g ht h e t h i c k n e s sr e d u c t i o ni no n ep a s si su pt o4 0 t h ep l a s t i cp o i s s o nr a t i oo fas p r a y d e p o s i t e dp r e f o r mw i t ht h er e l a t i v ed e n s i t yo f8 4 4 d u r i n gr o l l i n gi sa b o u to 2 5 t h ep o r o u sp r e f o r mi sl i a b l et o c r a c k i n go rt e a r i n gw h e nt h et h i c k n e s s r e d u c t i o ni su pt oac r i t i c a lv a l u e ，o ra tac e r t a i nr e l a t i v ed e n s i t y ，o t h e rt h a na tt h e i n i t i a ls t a g ed u r i n gc o n v e n t i o n a lr o l l i n g ，d u et ot h ep o r o s i t ya n dal a c ko fs o u n d m e t a l l u r g i c a lb o n db e t w e e nt h ed e p o s i t e dl a y e r sa n dt h ep a r t i c l e s t h eh y d r o s t a t i cs t r e s ss h o w sg r e a te f f e c to nt h ed e n s i f i c a t i o nd e f o r m a t i o no f s p r a yd e p o s i t e dp r e f o r m sd u r i n gr o l l i n g ，t h er o l l i n gw o r k a b i l i t yc a nb ei m p r o v e d b ya ni n t e n s i f i e dh y d r o s t a t i cs t r e s s ( 3 ) a p a c k r o l l i n gm e t h o dw a sd e v e l o p e db a s i n go nt h ee f f e c to fl a t e r a ls t r a i n o nt h ef r a c t u r eb e h a v i o r s t h ee f f e c t so fp a c k i n gm a t e r i a l so nt h ed e n s i f i c a t i o n ，t h e d e f o r m a t i o na n df r a c t u r eb e h a v i o r so fs p r a yd e p o s i t e dp r e f o r m sd u r i n gp a c k r o l l i n g w e r er e s e a r c h e d a “a l u m i n i u m s t a i n l e s ss t e e l d o u b l e l a y e rp a c k ”r o l l i n gp r o c e s sw a s d e v e l o p e dw h i c hh a sb e e nu s e dt op r o d u c ef v s 0 8 12a l u m i n u ma l l o ys h e e tw i t h e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf r o mp o r o u ss p r a yd e p o s i t e dp r e f o r m s ( 4 ) t w on o v e lr o l l i n gm e t h o d sn a m e da s “f r a m e c o n f i n e dr o l l i n g ”a n d c e r a m i cr o l l i n g ”a r ea p p l i e d ，w h i c hh a v eb e e nv e r i f i e dt ob ee f f e c t i v em e t h o d si n i m p r o v i n gt h ew o r k a b i l i t yo ft h es p r a yd e p o s i t e dp r e f o r m sw i t h o u tf o r m i n gs u r f a c e a n de d g et r a c k sd u r i n gr o l l i n g t h ef r a m ed i ei m p o s e sam o r es e v e r eh y d r o s t a t i cs t r e s sf i e l do nt h es p r a y d e p o s i t e dp r e f o r m sd u r i n gr o l l i n ga n dk e e p sam o r eh o m o g e n o u st e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lr o i l i n g ，w h i c hw i l lb eo fg r e a tb e n e f i t t oi m p r o v et h er o l l i n gw o r k a b i l i t yo ft h ep o r o u ss p r a yd e p o s i t e dp r e f o r m s a tt h e s a m et i m e ，t h es t e e l f r a m ed i ep r o v i d e sl i m i t a t i o no nt h el e n g t ha n dw i d t hs t r a i n v 喷射沉积材料压缩和轧制变形规律研究 d u r i n gr o l l i n g ，w h i c hc a ns p e e du pt h ed e n s i f i c a t i o no ft h es p r a yd e p o s i t e d p r e f o r m s 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 s o fac 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 rp r e s e r v a t i o no f h e a ti nt h ew o r k p i e c eb o d y ，t h u st oa s s u r em a i n t e n a n c eo fn e c e s s a r yt e m p e r a t u r e l e v e l sf o rd e f o r m a t i o no fr 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 sw i l lr e t a r d t h ef l o wo fm 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 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 t h ee f f e c t so fp a r t i c u l a t ec h a r a c t e r i s t i c so nt h ed e n s i f i c a t i o nb e h a v i o r sa r e o b v i o u s t h ea 1 2 0 3p a r t i c l ew i t ht h es i z ea b o u t4 0m e s hi sf a v o r a b l e t h e s et w o n o v e lr o l l i n gp r o c e s s e sh a v eb e e ne x p e r i m e n t a l l yv e r i f i e dt ob ee f f e c t i v em e t h o d s t os p e e du pd e n s i f i c a t i o na n di m p r o v et h ew o r k a b i l i t yo fs p r a yd e p o s i t e dp r e f o r m s a n da r ec o m p e t i t i v ew i t ho t h e rm e t h o d si np r o d u c i n gf u l l yd e n s i t ys h e e tf r o m p o r o u ss p r a yd e p o s i t e dp r e f o r m s k e yw o r d s ：s p r a yd e p o s i t i o n ；a l u m i n u ma l l o y ；d e n s i f i e a t i o n ；p l a s t i c d e f o r m a t i o n ；f r a c t u r e ；c o m p r e s s i o n ；r o l l i n g v i ， 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驭 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 山本人承担。 作者签名 三茏 腰昊：生 ， 日期：2 0 0 5 年3 月2 5 曰 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都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 、不保密圈。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日剪j ：2 0 0 5 年3 月2 5 目 日期：2 0 0 5 年3 月2 5 扫 博士学位论文 第】章绪论 1 1引言 铝合会具有密度低、比强度高、韧性好、耐腐蚀和塑性成形性能优异等优 j 囊，在航天航空工业中被广泛用作结构材料。但是传统的铸锭冶金技术已经无 法满足航空、航天工艺对铝合金在使用性能方面同益增长的要求，于是各种新 型材料制备技术应运而生。二十世纪五f 。年代出现的快速凝固技术能够显著细 化材料的微观组织、消除成份偏析、形成亚稳相、增加合金元素的固溶度，从 而提高材料的综合性能。快速凝固粉末冶金材料正在越来越广泛地被用作结 构材料，该类材料的一个主要问题在于其微观组织中存在残余的孔隙。当材料 被用作过滤器件或多孔轴承时，内部的孔洞是有利的因素，然而当被用作结构 材料时，孔洞的存在使材料的力学性能下降，因为它们使承载面积下降，并且 孔洞是应力和应变的集中源，是裂纹形核的有利位置，为裂纹的扩展提供有利 的条件。另外，许多裂纹会在扩展裂纹前沿的孔洞边缘形成，这也会加速裂纹 扩展的速度【2j ，这种微裂纹的形成强烈影响了基体的微观组织和力学性能。 快速凝固粉末冶金工艺相对铸造冶金工艺来说具有自身的优越性，然而人 们希望有一种方法能够直接把熔体转变为近净形产品。这就是喷射沉积技术 ( s p r a yd e p o s i t i o n ) 。喷射沉积技术把金属熔体的雾亿和雾化液滴沉积在基底 板上这两个过程结合起来，制备具有等轴晶组织、相对密度较高甚至完全致密 可以直接使用的产晶。喷射沉积技术作为一种先进的材料制备新技术，介于铸 造冶金和粉末冶金技术之间，同时兼备两者的大部分优点。而克服了各自的主 要缺点。大多数喷射沉积技术制备的产品是由基体金属和孔隙、少量颗粒边界 的氧化膜组成的，颗粒之间存在机械搭接，微观组织具有一定的不均匀性，沉 积坯料并非完全的冶金结合。特别是对铝合金来说，由于喷射沉积过程中雾化 颗粒存在轻微氧化( 含氧量一般为0 0 l 0 0 5 蹦) ，这种颗粒问的氧化膜破坏 了喷射沉积坯辩的完全冶金结合p j 。即使沉积坯睾斗密度接近理论密度，这种合 金坯料不经过后续加工，性能也比较低。只有通过后续塑性加工，破坏颗粒间 的氧化膜，使颗粒间获褥良好的冶金结合，喷射沉积材料才能获得高的力学性 能。 多孔材料( p o r o u sm a t e r i a l s ) 可以广义地定义为由大量的几何尺寸基本属于 同一数量级的颗粒所构成的、存在孔洞的固体材料，其物理性质介于固体和液 体的中间状态【3 j 。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【4 ，5 忡把相对密度为4 0 7 0 的烧结材料称为多孔材 喷射沉积材料压缩和轧制变形规律研究 料，文献【6 ，7 】中把相对密度为6 4 8 8 7 8 的烧结材料称为多孔材料，文献 【8 , 9 中把相对密度为7 8 9 2 4 的烧结材料称为多孔材料。本论文中采用喷 射沉积技术制备铝合金材料，喷射沉积态材料的相对密度约为8 2 9 0 ，因 此在论文中作者也把喷射沉积材料归类为多孑l 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问的一类材料，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 塑性变形与断裂规律完全不同于致密金属材料，冈此致密材料的塑性变形理论 不冉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和断裂行为，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 2 多孔金属材料的制备技术 高性能金属结构材料一般要求具有晶粒组织微细、无粗大平衡相颗粒和孔 洞等缺陷。目前比较理想的制备技术包括粉末冶金和喷射沉积。它们克服了传 统铸造冶金的主要缺点，但这些技术难以直接制备完全致密的材料，一般都是 先制备预成型坯料，然后通过后续致密化和塑性变形制备性能优良的结构材料。 l + 2 1 粉末冶金材料的特点 采用粉末冶金技术制备材料的流程般为：先将金属制成粉末，然后将粉 末通过成形、烧结以及烧结后处理等工序制得产品。在特殊情况下( 如粉末松 装烧结) ，成形工序并不需要，但是烧结工序，或者是相当于烧结的高温工序( 如 热压或热锻) 却是不可缺少的。烧结是粉末冶金生产过程的最后一道工序，对 最终产品的性能起决定性作用。 连通孔隙的不断消失和隔离闭孔的收缩是贯穿烧结全过程的组织变化特 征。当烧结体的相对密度达到9 0 以后，多数孔隙被完全分隔，闭孔数量大为 增加，孔隙的形状趋于球形并不断缩小。在这个阶段，整个烧结体仍然可以缓 慢收缩，但主要是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现的。这一阶段可以延 续很长时c 叫，但仍然会残髓少量的隔离的小孔洞，只有借助于塑性流动才能消 除 1 0 i 。为了提高粉末冶金烧缩材料的机械、物理、化学性能和尺寸精度，以及 生产所需的管材、扳材、带材，线材和零部件，对烧结体需要进行烧结后续处 理，包括等静压、锻造、轧制、挤压、拉丝、机加工、热处理、熔浸、化学热 处理等等。然而这些烧结后续处理工艺都受到孔隙度的影响。 此外，粉末冶会技术制备高性能结构件的关键问题在于，采用粉末冶会技 术难以制备大尺寸的坯料，因此应用受到限制。 博士学位论文 1 2 2 喷射沉积材料 1 2 2 1 喷射沉积技术的特点 金属喷射沉积技术( m e t a ls p r a yd e p o s i t i o nt e c h n o l o g y ) 又被称为喷射成 形( s p r a yf o r m i n g ) 】，作为一种近终形材料制备技术。倍受国内外研究者的青 睐 1 2 - 1 5 1 。 喷射沉积的概念和原理最早由英 国s w a n s e a 大学的a r e s i n g e r 教授 于1 9 6 8 年提出| 16 。7 1 。喷射沉积技术 的原理是1 1 6 。2 3 】：将熔融金属或合金在 惰性气氛中雾化，形成颗粒喷射流， 直接喷射在较冷的基体上，经过撞击、 聚结、凝固而形成沉积物。气体雾化 喷射沉积原理如图1 1 所示【24 1 。熔融 过热的金属被惰性气体雾化，在喷射 过程中，尺寸小的颗粒很快发生凝固， 大尺寸的液滴会保持完全的液态，直 到飞行一定的距离之后，这种距离与 颗粒尺寸有关。中等尺寸的颗粒处于 凝固状态中【”】。 图1 1 喷射沉积原理和过程1 2 。 喷射沉积是一种新型的快速凝固技术，与铸锭冶金、粉末冶金工艺相比， 具有以下主要特点1 2 “”1 ：( 1 ) 能够获得细小的等轴晶组织，这种组织的形成， 一方匝是出于高压高速气流与熔体强烈的对流换热而使沉积坯凝固时获得很高 的冷却速度，一般冷速为1 0 3 1 0 4k s 一( 传统铸造工艺的冷却速度约为1 0 d 1 0k s o ) ；另一方面，半固态雾化液渣高速撞击蒸体或沉积体表面时，其冲击 动能产生足够大的剪切应力，将雾化液滴中的枝晶打碎，形成非枝晶组织。( 2 ) 生产工序简单。喷射沉积将熔炼一雾化一成形技术紧密地结合起来，可以明显 省掉粉末冶金工艺中粉末的储存、运输、筛分、压制烧结，甚至轧制、锻造等 工序以完成成型，明显减小了各道工序消耗的能量，缩短了生产周期，提商了 生产效率。( 3 ) 合金元蘩扁溶度显著增加，合金成分偏析程度减小甚至消失， 合金中的氧含量减小，比粉末冶金的低。( 4 ) 可以实现近终形成形，生产效率 高，生产成本降低。合理控制喷射沉积工艺，沉积坯的相对密度可以达到9 5 以上。 传统的喷射沉积工艺在制备板、管坯时，雾化装置一般保持固定不动，沉 积坯是由雾化颗粒一次沉积完成的。在制备大型坯件时采用v 型喷嘴、摇动喷 喷射沉积材料压缩和轧制变形规律研究 嘴或采用多喷嘴同时喷射【3 l 。由于喷射沉积工艺成形条件的限制，一次沉积量 不能过大，否则液相量过大，会使沉积坯组织粗化，甚至恶化成铸造组织，难 以制备大尺寸的厚壁管坯和板坯。湖南大学在研究喷射沉积理论并进行了一系 列的实验工作的基础上，提出了坩锅移动式喷射沉积技术 3 0 l 。所谓坩锅移动式 喷射沉积技术是指在金属液体雾化过程中，坩锅和沉积基体复合运动，雾化液 粒扫描沉积而成形为所需形状坯料的新技术【3 h 3 2 1 。坩锅移动式喷射沉积技术与 传统喷射沉积技术最主要的区别是，前者的沉积基体和雾化器同时移动，而后 者只有沉积基体移动。该技术解决了传统喷射沉积技术难以制备大尺寸厚壁管 坯、厚板坯和大直径圆柱锭坯的难题。 坩锅移动式喷射沉积技术的原理是1 3 , 3 3 1 ：通过雾化器往复扫描运动的引入， 使在沉积管、锭、板坯时以多层方式沉积，从而降低了沉积坯表面单位面积单 位时间的热量输入，可以将沉积坯表面控制在一较低的温度区间。当雾化液滴 高速碰撞铺展在这一沉积坯表面时，不仅可以获得良好的粘结，而且可以实现 瞬问的快速凝固。随扫描器的移开，沉积坯表面又可在较长的扫描周期内冷却 降温到较低的温区，等待下一层液滴在其表面的沉积。这样每一沉积层都可以 获得快速凝固，最终得到三维尺寸很大的快速凝固坯件。 坩锅移动式喷射沉积技术被成功地应用于制备a i 8 f e 1 3 v 1 7 s i 耐热铝合 金管材、板材和铝基复合材料 2 4 , 3 3 , 3 4 】。坩锅移动式喷射沉积制备板坯的设备示 意图觅图1 2 【3 1 ，实物见图1 3 。板坯的喷射沉积工艺参数见表1 1 【3 l 。 a 1 8 f e 1 3 v - i 7 s i 耐热铝合金板坯见图1 4 。 传动盘轮坩鞴 图1 , 2 喷射沉积教材制备装置示意图1 3 1 图1 3 喷射沉积板材制备设备 1 2 2 2 喷射沉积材料的组织 由于雾化液滴雾化气流界面和液滴在沉积层表面的接触热交换速率很高， 博士学位论文 图1 4 喷射沉积板坯照片 ( s o o 6 0 0 2 0 5 0 m m ) 表1 。1喷射沉积的工艺参数3 喷射沉积坯料板坯 雾化渝度( ) 气体压力( m p a ) 液流直径( r a m ) 坩锅移动速度( r a m s ) 喷嘴雾化锥角度( 。) 小乍扫描速度( m m s ) 使得喷射沉积坯料可获得快速凝固组织【3 引，从而显著改善材料的组织和性 能，如持久的使用寿命，强度、韧性及塑性得到提高与改善。另外，细小的晶 粒使裂纹扩展的尺度受到限制，使材料的韧性增加。喷射沉积过程中组织的演 变取决于液滴的动力学及其在沉积层表面的热状态，具体的影响工艺参数包括 熔体过热度、液流直径、雾化气体压力、气体熔体的流量比( g m r ) 、雾化 商度、沉积基体和雾化器的运动参数等。 喷射沉积技术材料通常含有一定量的孔隙，颗粒和沉积层边界也存在一定 量的氧化膜，颗粒之间未达到理想的冶金结合。有时沉积坯中的气孔率甚至可 以达到1 5 至2 0 1 3 6 j 。喷射沉积材料中的孔洞包括球形和椭圆形的颗粒间孔 洞( 尺寸一般为1 5u m 左右) 以及尺寸更小的由于气体的卷入而造成的颗粒 内部孔洞( 尺寸一般为1 5um 左右) 【2 8 1 。喷射沉积材料孔隙的形成原因可归 纳为以下几点1 2 刚：( 】) 在雾化沉积初期，金属液粒在温度较低的沉积基体上沉 积，由于冷速较高，金属液粒在基体上迅速凝固形成孔隙，在后续雾化沉积过 程中难以被填充；( 2 ) 当金属液撞击基体扳或先期沉积层时，沉积层问形成孔 隙，如果会属液滴沉积之前都己部分或全部凝固，则孑l 隙率更高：( 3 ) 控制合 适的液固相比例，对于控制沉积坯的组织和孔隙度很关键m 3 “。液滴达到基 体板时液相含量过高时，沉积坯件的中心部位由于散热较慢而存在明显的“熔 池”现象，大量雾化气体的卷入使得“熔池”内的合金凝固后不可避免地带有 大量的气孔，导致沉积坯件整体致密度下降，而且熔体会