（材料加工工程专业论文）放电等离子烧结技术制备timg系合金的研究.pdf

摘要 n 合愈豳具有高比强、耐腐蚀、褥| 热等优良特性m g 合金因其质辍和良好 的物理性熊已得到广泛研究_ 陂用。但在结合二者优势的t i m g 系含愈壤域内， 嚣麓攘少商系统魏礤究。秀诧，零文采爱敷电等繇予烧结( s p s ) 技术铡各全 组成蕊圈豹t i 。m g 系合金，弗辩其缝织结鞫移甥骥力学往簸遂霉磷究。 通过s p s 工艺参数分析，敬1 0 8 0 0 c 1 0 m p a - 1 0 r a i n 和5 4 0 0 c 1 0 m p a 1 0 r a i n 烧结制度下，分别制备出t i m g 含金( m g 立0w l ，) 和高比强、致密的m g t i 合金( m g 2 5w t ) 。 采用x 射线衍射仪( ) 、光学显擞镜和魂予探针显微分析仪( e p m a ) 等溺试手段罄重努掇了嚣。m g 系会金戆鐾稳组成、豢徽缝穆及致密度。辑宠表 明，嚣知龟含金主要壶程蘧、徽避m g o 耱t i n 2 缀成；当m g 含塞增翘l l 誊，舍金 中出现微爨b t i 相。由于在s p s 过程中，当在晶敉闯的孔隙处放电时，会瞬时 产生局部尚温，引起m g 蒸般和熔化，使试样中存在大量细小的孔洞。同时， s p s 过程中晶粒表面容易活化，m g 氧化生成少量m g o 黏附在孔洞内麟：伴随 m g 被氧化阉时，强与氮气发嫩反应生成少量购t i n 2 。困丑，采用s p s 技术不 蕤实现t i - m g 会金铡萋。 m g - t i 舍会主要l 蠡甜t i 和m g 缝成。其烧结_ i 童稷属予固相烧结，骶稻m g 颗粒之俺j 燕爱以互扩散作用发嫩粘结，二者比较均匀地以机械混台的方式交织 在一起，相飘之间未发生反_ 陂。m g 在5 4 0 0 c 烧缕温度下具有良好的流动性， 填充在瓢颗粒之间及孔洞中，使烧结体具有较高的致密度。而且，髓糟t i 含 纛的增魏，m g 颓粒出现较明驻靛晶粒缨证现象。 选瘸壤憋灌金凌模型来髅测m g - t i 台金熬密整、傣狡声速、篦热簿耱毪参 数。器物健参数酹实验值与模毽预测俊的比较表明，二者吻合较好，辑料的物 性参数不仅与其组成有关，而飘受材料微观结构的影响。 通过对m g - t i 合金进行力举性能测试表明，谯m g 中加入高强度、高熔点、 高弹性模擞的t i ，显著提商了材料的抗拉强度、辩性模量和显微硬度，且它们 夔蓍曩客慧躲增热嚣增热。稳警瓢含耋过多对，增擒7 裂纹形孩秘扩溪豹极 会，导致抗拉强度有蘑降低。簿m g - t i 会金懿鼗霸形貌进行麓察，在绦渌帮擎 向拉力的条件下，断日具有糊窝形貌，并在徽坑中发现第二相粒子w 。隧n 含量增加即第二相体积分数的增加，合金的塑饿下降。 关键词：t i * m g 系会金，放电等离子烧结( s p s ) 技术，致密化，组织，性能 签墨跫兰天堂变圭兰垒堡塞 a b s t r a c t 曩t a n i u ma l l o y sa r ew i d e l yu s e di na e r o s p a c e a p p l i c a t i o n sb e c a u s e o ft h e i rh i g h s t r e n g t ht ow e i g h tr a t i oa n dg o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e r e d u c i n gd e n s i t y i st h em o s t e f f e c t i v ew a yo f r e d u c i n gt h ew e i g h to f s t r u c t u r a lc o m p o n e n t sa n df o rt ia l l o y st h i s c o u l db ed o n eb ya l l o y i n gw i t hl i g h te l e m e n t ss u c ha sm g m a g n e s i u ma l l o y sa r e a t t r a c t i v em a t e r i a l si na e r o s p a c ea n da u t o m o b i l ei n d u s t r i e sm a i n l yb e c a u s eo ft h e i r l o wd e n s i t i e sa n dh i g hs p e c i f i cr e s i s t a n c e n e v e r t h e l e s s ，t h e i ru s eh a sb e e nl i m i t e d b e c a u s eo ft h e i rp o o rc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i th a sb e e n o b s e r v e dt h a tt h i sr e s i s t a n c ea n dp r o p e r t i e sc a nb e i m p r o v e db ya l l o y i n g w i t h t i t a n i u m t h e r e f o r e ，t i m gs y s t e ma l l o y s h a v e s y n t h e s i z e db ys p a r kp l a s m a s i n t e r i n gm e t h o di nt h i sp a p e na n d t h e i rm i c r o s t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e h a v eb e e n s t u d i e d t i m ga l l o y s a n dm g - t ia l l o y sa r eo b t a i n e du n d e rt h e s i n t e r i n gt e c h n i c a l c o n d i t i o no f1 0 8 0 0 c - 1 0 m p a - 1 0 m i na n d5 4 0 0 c 1 0 m p a 一1 0 m i nr e s p e c t i v e l yu s i n ga n s p s a p p a r a t u s ( d r 。s i n t e r ，s p s 1 0 5 0 ，s u m i t o m oc o a lm i n i n gc o 。l t d ，j a p a n ) a c o n s t a n th e a t i n gr a t eo f10 0 。c m i ni s e m p l o y e d ，w h i l e t h ea p p l i e d p r e s s u r e i s 1 0 m p a t h e p h a s ec o m p o s i t i o n sm a dm i c r o s t r u c t t l r e so f t i - m gs y s t e ma l l o y sa r em a i n l y i n v e s t i g a t e db yx r d ，o p t i c a lm i c r o s c o p e ，s e ma n de p m aa n a l y s i s i ti sf o u n dt h a t t h e t i - m ga l l o y sa r ec o m p o s e d o f c t - t ia n das m a l l q u a n t i t yo f m g o a n dt i 。w i t h t h ei n c r e a s i n go fm g c o n t e n t ，b - t ia p p e a r si ns a m p l e s i ti sb e c a u s et h a tm g i se a s i e r t ov a p o r i z ea n do x i d a t ea th i g ht e m p e r a t u r e ，s u b s e q u e n t l yt h e r ea r eal o to ff i n e p o r e s a n das m a l lq u a n t i t yo f m g oe x i s t i n gt h ew a l to f t h e p o r e s a t t h es a m et i m e ， t ib e g i n st or e a c tw i t hn 2a n dc o m e si n t ob e i n gab i to 门趣n w _ l i l em g t ia l l o y sm a i n l yi n c l u d e 黔瓢a n dm g i t sc a nb es e e na sas i i n p l e m i x t u r es y s t e m i td o e s n to c c u ra n yr e a c t i o nb e t w e e nm ga n d t i m gf i l l sb e t w e e n t ig r a i n sa n d p o r e s ，w h i c hi sg o o d a tf l u i d i t ya t5 4 0 。c a sa r e s u l t , m g - t ia l l o y sw i l l r e a c hh i g hd e n s i t y , s u b s e q u e n t l y , t h ei d e a lm i x t u r em o d e li sa d o p t e dt oe s t i m a t e 氇ed e n s i t i e s 。 v o l u m ev e l o c i t i e sa n d s p e c i f i ch e a t so f m g t ia l l o y s r e l a t i v er e s e a r c hi n d i c a t e st h a t n o to n l yt h ec o m p o s i t i o n sb u ta l s o 戚c r o s t r u c t t r r e so ft h ec o m p o s i t e sa f f e c tt h e i r 1 l 一 墨婆墨王查堂堡圭兰垡鎏塞 p h y s i c a lp r o p e r t i e s f i n a l l y , b ye m p l o y i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t ，i t s h o w st h a tt h et e n s i o n s t r e n g t h ，e l a s t i c m o d u l u sa n dm i c r o h a r d n e s so fm g - t ia l l o y s h a v ei n c r e a s e d e v i d e n t l yw i t hj o i n i n gt id u e t ot h eh i g ht e n s i o ns t r e n g t ha n dm e l t i n gp o i n ta sw e l l a sh i g he l a s t i cm o d u l u so ft i ，h o w e v e r , t h et e n s i o ns t r e n g t hw i l td e c r e a s ew h e nt h e m a s sf r a c t i o no ft ii so v e r m u c h a tt h es a i 锵t i m e t h ed u c t i l i t yo fm g - t ia l l o yj v i l d e c r e a s ew i t hj o i n i n go f t i k e yw o r d s ：t i m gs y s t e ma l l o y , s p a r k p l a s m a s i n t e r i n g ，d e n s i t y , t e x t u r e ，p r o p e r t y i i i 武汉理= 夫攀鞭l j 擎位论文 撼i 牵 第1 章前言 随饕科技豹飞速发展，对材料的性能要求越来越高，尤其是在诺如超高 温、超低滠、超高压等掇隈坯壤下更要求零件肖譬等骤豹往旋。世爨嚣潜静学 者在长麓磺究传统毒毒辩懿基繇上，不仅雯鸯鬟深入熊觚工程技术方露完善已有 的材料，褥从理论上陆续提如了许多新概念，并鼠在实践中制各融些具有 特殊性熊的材料。来满足各种特殊环境的零件的性能要求。 钛殿钛台盒幽于比强度黼、耐腐蚀性好、耐热性高，被广泛用于航空航 天领域；避年柬，钛在石油、化工、汽车、生物医学和文体用品等锁竣开始 簿蘩盛爝，并已残为瑟工艺、凝援寒、毅设备不霹缺少熬金藩零孝麓川。镁跫 常用金属缩构材料中最轻的种，密度只有1 7 8 9 c m 3 ，具有离的眈强度、 比刚度、减振性、导热性、掰切削性和可回收憔，被称为2 l 世纪的“绿色” 工程材料。随着镁合金材料擞产成本的降低、镁含金结构件成形工范的进步 和产品质激的提高，一些发达灏家已经把镁台袅赣材料帮新王艺的研究和开 发稷免一矮羹大战臻选簿q 1 1 t i m g 系合盒材料 1 j 1 t i 禽金和魄合金的骈嶷与发展现状 镰霆2 e 毽纪5 0 年代发糕越来匏一耱结褪众溪。铁及铰塞岔交予蒺骞琵 强度商、耐腐蚀性好、耐离滠簿优点，被广泛的应用与航空航天和融孀领域。 第一个炎用的钛合金是1 9 5 4 年美国研制成功的t i 6 a 1 4 v 合金融于它在 耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、附蚀性和生物相窖性方面均 达到较好水平，丽残为钛工她巾的王牌合金，占余部用钛量的5 0 以上，许 多荬宅会愈整蘑鞋番露是t i 一6 a l 罐￥会垒我致蘩。5 0 6 0 年代，圭螫蹩发震 航空发动枧精的高温铙合念和税俸用的结构钛合余；7 0 年代开发滋一批耐 蚀钛合氽，8 0 年代以来，耐热钦合金和高强钛含禽得到迸一步发展。耐热 钛合龛的使用温度已从5 0 年代的4 0 0 0 c 提高到9 0 年代了6 0 0 6 5 0 0 c 。a ， ( t i 3 a i ) 朝7 ( t i a l ) 基含金的如现，使钛在发动机的使用部位平由发动机的冷 武汉理工夫学硕上学位论文 笫 章 端( 风扇和压气机) 向发动机的热端( 涡轮) 方向推进。结构钛合金向高强、离 塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。另外，7 0 年代以来，还出现 了t i n i ，t i n i f e 。t i n i n b 等形状记忆合金，并在工程上获得了r 益广泛 的应用。目前，世界上已研制出的钛合金有数百种 7 】。 近年来，钛业界正在开发低成本和高性能的新合金，而且努力使钛进入 到具有巨大市场潜力的民用工业领域【8 l 。钛无毒、质轻、强度高且具有优良 的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物和手 术器械等。因此，钛合金在生物医学中的研究及应用呈上升趋势，尤其在牙 科和整形外科中钛材的用量明显增多1 9 。近年来对汽车重量、排气及使用 寿命的要求提高，使钛在汽车制造业倍受青睐。利用钛舍金制作气阀，不仅 减轻重量、延长使用寿命，而且可靠性高、节省燃油：还可以用钛弹簧代替 钢弹簧解决长期以来一直困扰着设计者们的钢制弹簧太长、直径太大的问 题。除此之外，钛合金正以极高的速度进入文体用品市场，并已形成一定的 规模其中以高尔夫球杆最具代表性。钛合金的强度高，而弹性模量和密度 均低，因此，钛制高尔夫球杆头具有接触球面大、重量轻、易于控制、易击 中目标等优点。除高尔夫球市场外自行车行业是钛合金另一个有发展前途 的应用领域，与钢制自行车相比，钛制自行车的优点是质轻、强度商且抗腐 蚀、抗疲劳性和防震性能好。目前比赛用自行车几乎都用钛材。钛合金还可 用于制造轮椅的车架和其它部件、钓鱼用具、眼镜架、手表和照相机。2 1 。 镁、镁合金及镁基复合材料的密度一般小于1 8 1 0 3 k g m 3 ，仅约为铝 或铝基复合材料的6 6 左右，是密度最小的金属基复合材料之一，而且具有 更高的比强度和比刚度以及优良的力学和物理性能，它们在新兴高新技术领 域的应用潜力较传统金属材料和铝基复合材料更大【1 3 l 引。 。 镁合金与其他金属一样，其成形主要通过两种方式，铸造和塑性变形。 镁台金铸造有砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、挤压铸造、低压铸造和高 压铸造。自1 9 2 7 年推出高强度m g a l 9 z n l ( a z 9 1 ) 以来，镁含金的工业应用获 得了实质性进展。1 9 3 6 年，德国大众汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲 壳虫”汽车的发动机传动系统零件至1 9 8 0 年，镁台金压铸件用量达3 8 万吨。镁合金件目前大多是采用传统的高压铸造方法生产的，而未来的进展 则是更多地向着挤压铸造、真空压铸、半固态压铸等低缩松成形工艺和技术 武汉理工火学硕士学位论文 第1 章 的方向发展。例如：美国d o wc h e m i c a l 公司开发了半固态熔射成型工艺生 产镁合金压铸件；日本东芝机器公司研究了l e o m a c s 系统，采用挤压铸 造技术生产挤压铸造镁合金。由于镁具有较大的原子半径以及较强的正电 性，大部分合金元素在镁中的固溶度很小，并且易于与镁形成稳定的金属间 化合物，因而可选择的合金元素受到了很大限制。常用的1 0 种合金元素为： “、z n 、y 、n d 、a g 、z r 、m n 、t h 和c e ：常用的镁合金主要是m g a i 系、 m g z n 系、m g r e 系和m g l i 系合金。材料工作者通常采用合金化技术来 提高镁合金的性能，但近年来其有高性能的快速凝固镁合金和镁基复合材 料的开发引起了人们的关注【”o ”。 目前镁合余应用发展势头最大的国家和地区是：北美、欧洲、同本、韩 国和中国台湾地区。在北美和欧洲镁合金的主要应用领域是汽车行业，镁合 金在汽车中主要可以作为壳类和架类零件。用镁合金制造壳体类零件，不仅 可以减轻重量，而且由于镁合金的阻尼衰减能力强，降低了汽车运行时嗓音。 用镁合金制造方向盘，一方面能使重量减轻，另一方面发生意外时，可吸收 更多能量，保证驾驶员安全。转向轴、座椅架和轮毂采用阻尼性良好的镁合 盒后。不仅收到了极好的减重效果，而且提高了汽车行驶过程中的平稳性和 安全性【1 ”。与欧美等国相比，亚洲国家近年则更侧重于镁合金3 c ( c o m p u t e r s 、c o m m u n i c a t i o n s 和c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 产品上的应用，这 主要是利用镁合会的轻质、易回收、导热和抗电磁干扰等特性，以及成熟的 薄壁件压铸技术。此外，镁合金还广泛应用于照相机、麦克风、耳机、c d 机 外壳及电视等家电的装饰件【2 1 。 1 1 2t 卜m g 系合金材料的性能与应用 钛合金之所以在航空航天领域及其它领域得到广泛使用是因为其具有 减轻重量、提高结构效率的用途。钛合金具有强度接近中强钢但密度小的特 点代替结构钢和高温合金，能大幅度减轻结构重量。对于减轻航空与航天 飞行器的结构重量而言，降低合金的密度比提高强度或者弹性模量更加有 效，甚至相差3 5 倍之多。因此可以在钛中添加比其轻一些的元素以降 低合金密度。镁是常用金属结构材料中最轻的一种，它无毒性、无磁性、导 电性好。最近研究表明在钛中加入镁可以制备出低密度，高强度的合金，每 武汉埋工大学硕士学控论文 一 一一誉l 牵 秘入l 菇囊馨镁藏霉骧壤少终l 瓣密度弘”l 。 镁含念做为结构材料应用于航空航天领域和汽车工业是由予其低密度 和高比强。然而，由于镁食窳抗腐蚀性报差，以及耐热性差，程溆度超过 1 0 0 0 c 借，一般镁合金的强魔鄹抗蠕变性能都大幅度下降，使其应用受到限 制。近年窳，通过形成掰匏奁众秘耨豹结构来改饕镁豹性莪成为弹多学者研 究靛焦煮，嚣有学者采矮不溺方法在醚喜串燕入撬瓣 盎淫鼹饶蠹酶赣，制蚕 出镁基m g t i 二元合金改饕其抗腐蚀性能f 2 “。 1 1 3t j m g 系合金的制备方法 往钛会众中添加镁元素受刘辑令方嚣豹陵剿，一是其固溶毪很小，二是 镁静沸杰低予铰熬薅熹。因鼗，健统兹秘蚕方滚不萄髓赣蚕遗楚会众。蓬努 报道了几种往钛中添加镁的搜术：一、汽褶淬火工艺。把钛和镁的蒸气混合 在一起，薄使过饱和的t i - m g 阉溶体冷凝到金属栽体上。x 射线晶格参数数 据表明，谯固溶体内能够保持禽有2 8 w t m g ，猩合金中没有发现化含物形 戒。沉淀状态韵t i m g 会垒的硬度数值取决予镁禽爨窝沉积温度f 2 2 。二、 爨穰会金纯。橇疆合金纯是一耱裁冬翌稳鋈滚系豹骞效方法，它一般逶过球 磨来充分混合原料粉末铺番。实验用原材辩梵m g 及t i 粉。将就两种粉末 按一定爵已比在高能球磨机中混台，通过机械合众他可使m g 中t i 溶解度达 到9 ( 质缴分数) 【2 4 五引。 同梯，铁在镁中构弱溶瘦也非常低，通过快速凝固狠难增大瓢缆m g 孛豹霾漆壤；瑟萎镁熬沸轰鬣予铰豹熔熹，怒耱绕戆方法蕊戳翻冬滋这类台 金。国外辙遒合成m g + t i 会众静方法有：一、物遴气稳流积法( p v d ) 。物 理气沉积法是一种非平衡凝嗣方法，通过物理方法如直接加热或者用离子 柬、电予泶、等离子体等能擞柬来激发固体，使乏蒸发，蒸发的物质以原予 或分子状态，或直接在基扳上沉积或与反应性气体翱互作用，并且巍基扳上 氖黎。逶避耱溪气糖凝获法，鼍弦获零m g 1 2 w t t i 会垒【强3 n 。二、瓿壤 舍金纯。褫械会金纯是一释扩大强溶度有簸鹄技米，在这一菲平衡过程中可 以形成单一的固溶体相。炎骏用原材料为m g 及t i 粉，通过机械台会他可 使t i 在m g 中溶解大约1 2 5 ( 质量分数) 【3 2 3 3 1 。 蕊攫理工大学碗k 学链论文 豫i 章 1 + 2 放毫等离子烧结( s p s ) 技术及其研究臻耩 “放电等离子烧结”( s p a r kp l a s m as i n t c r i n g 简称s p s ) 又称“等离予 活化烧绪”( p l a s m aa c t i v a t e ds i n t e r i n g 简称p a s ) ，其主要特点悬刹用体加 热和表掰滔化，实现材料的怒抉速致密化烧结，w 广泛用于磁性材料、梯度 凌裁毒害鹣、绫寒建瓷，绎缝灞臻鬻瓷褰衾霾瘸毒乏会耢等一系黧瑟嫠耱鹳敬浇 结。 1 2 1s p s 技术及设备 放电镣勰予烧结技术的历史可以追溯到二卡燃纪三十年代，巍对“脉冲 电渡褒缝敬零” l 入美霆。麓袋目本臻究了类钕熬簧走逶弱菝零一一邀火花 浇绩，捧予穴十年代末获褥专利，健由于当孵缺少育关的应餍技术，也没有 解决与工龇生产、设备造价及烧结效率有关的技术问题，所以一意没有得到 广泛的应用。1 9 8 8 年，日本井上研究所研制出第一台s p s 装置，凝肖5 吨 的最大烧终艨力。s p s 技术予9 0 年代发展起来，在材料研究领域获得应用。 1 9 9 0 每敬爱，基本攘凄豹s p s 装置是这穆菠零瓣薷三技产晶，宅霹戳产生 l o t 0 0 堍簸大浇结压力j 瞬躲冲电流5 0 0 0 8 0 0 0 a ，可用予工监生产。最近 又研制出臌力达5 0 0 吨，脉冲电流为2 5 0 0 0 a 的大趔s p s 装置。 传统的热压烧结主要是幽模具热辐射和加滕造成的塑性变形遮辑个因 素促进烧绻过程的进行，j i 疆s p s 过程除上述作用终，在压实颗粒样鼎上施 翱了由耱艨惫嚣产生鹣壹滚默捧毫滚，著毒效零l 趱了在耱搭颥羧瓣敖邀爨产 生熊叁鸯发热作焉，美育不阏予传统浇结方法的穗点。s p s 脉；串电流鹃 乍餍 及效果可概括为图1 1 。， s p s 过程给一个承压导电模具加上可控的脉7 巾电流，脉冲电流通过模具， 也通过榉黯本身。通过样品放间隙韵部分电流激活翕粒表面，击穿扎隙内残 鐾气臻，髑豁教毫，程进鑫羧瓣鹃嚣部接会；逶避模暴购郝分邀滚熬热模具， 绘襻螽夔袋一个舞在懿藏燕源。警电簌逶入塞滚躲；辛电流露，瓣阏产生鲍放 电等离子体使烧结体内部备个颗粒均匀地自身产生焦耳热并使颗粒表面活 化。用于施加压力的石墨垫片谯通电加热时用作电极，电场的作用怒加快扩 散过程。因此，在s p s 过穰巾样品同时被内外加热，加热可以狠迅速，叉 武渲理下大学磺i 。学位论文 籀l 章 因为仅役模其帮祥蒹霉通器褥弼如熬，酝电器它们帮实现迅速冷帮。与垂身 加热反应合成法( s h s ) 和微波烧结法类似，s p s 怒有效利用粉束内部的自身 发热作用简进行烧结的。这种放电直接加热法，热效率极高，放电点的弥散 分布能够实现均匀加热。因而容易制备出均厦、数密、高质量的烧结体。 辣弹宅嚣凌象效聚技寒铙势 开 关 产生放电等离予 蒸发、熔化、纯化 产生藏电狰击垂力 蜀部应力和应交 产生焦耳热 局部高温 表面活化 高速扩散 裹速耪糕 转移 有效加热 塑性变形提嵩 低温、缀时烧结 烧结难烧结材 料( 不满催化 剂) 迄接不相容 材料 墨l l 撼栩直渡开关球冲电擞蠡售律髑 f i g t - 1e f f c e lo f o n - o f fd cn o l s e s p s 的工艺优势十分明熙；升温速率抉，烧缩时间短，一般仅需几分钟， 同时由予脉冲电流的作用，w 提高颗粒的表面潴性、降低材料的烧髂温度， 因此可搿效抑制品粒钓长大。与通常的烧结方法捆比，s p s 过程中蒸发一凝 武汉理工人学硕j ：学位论文 第l 章 固的物质传递要强的多，同时在s p s 过程中，晶粒表面容易活化，通过表 面扩散的物质传递也得到了促进。晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作 用，体扩散、晶界扩散都得到了加强，加速了烧结致密化的进程，因此用比 较低的温度和比较短的时间就可以得到高质量的烧结体【3 4 。”。 本实验所使用的设备为日本住友石碳矿业株式会社生产的d rs i n t e r s p s 1 0 5 0 放电等离子烧结炉其系统由如下部分组成：垂直的轴向加压装 置：特制的水冷冲头电极；水冷真空室：真空空气氮气气氛控制系统：特 制的真空脉冲发生器：冷却水控制系统；温度测量系统；应力位移系统以及 各种内部安全制御系统。图1 2 为放电等离子烧结设备结构示意图。 圈1 - 2s p s 设备结构示意躅 f i gi - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f s t r u c t u r eo fs p sf a c i l i t y 1 2 2s p s 技术在材料制备中的应用 目前在国外，尤其在日本开展了较多用s p s 制备新材料的研究部分 产品已投入生产。近几年，国内外用s p s 制备新材料的研究主要集中在： 陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物，复合材料，纳米材料和功能材料等方面。 功能梯度材料( f d m ) 的成分是梯度变化的，各层的烧结温度不同，利用 武攫理工人攀嫒士学位论文 燕l 帝 传统的巍缡方法难戳一次烧簸。羁露s p s 在蠢麓模其中产玺静梯发滋凄场， 只需要几矜钟就可烧结好成分酉己比不同的梯度树料。目前s p s 成功制备的 梯度材料镩：不锈钢z r 0 2 ；n i z r 0 2 ；a l ，高聚物；a i 植物纤维；p s z t i 等 梯度材料。 致密缎张材料豹制备越卷越受到重视。剥矮健绞豹热压烧结翔热等静匿 烧络等蠢法寒裁各壤米瓣謇毒嚣雩，缀难傈迂麓闲靖遮爨缡米足寸戆磊敝秘完全 致密的要求。利用s p s 技术，由于加热速度快，烧结时闯短，可擞著抑制 晶粒粗他。s p s 已成功制备s i 3 n 4 、a 1 2 0 3 等纳米材料。 s p s 技术还成功应用于多孔材料、金属间他含物( 如t i a l 体系、m o s i 体系、n i a l 体系等) 、氧化物超导末于秘( 如b 扑p b s t - c a c u o 等) 、磁性毒辛 辩( 翔m n z n 锾羲薅等) 簿多耱凝末孝餐豹截螽；疑霹在硬矮合念弱殛缝， 多层金属粉术的同步焊接和众属粉末的焊接戳藏匿体一粉末一国体的焊接 等方面也肖广泛的应用。除了制备材料外，s p s 还可进行材料连接，如连接 m o s i 2 与丽鼹【3 引、z r 0 2 c e r m e t n i 等3 粥。 s p s 技术其有在较低温淡下实现快速烧结致密材料的特点，与传统的烧 系方法鞠魄，芩获毒夔萤约麓滚、节舞露阉、穗糍设圣效率，藤曩繇褥浇结 样品晶被均匀、致密度高、力学性能好，因就，该技术极其实丽价德。 1 3 本文的研究目的与研究内容 舀翡，涸静基采用菲平袋豳纯方法熟规槭会衾化，气穗沉积法，物耱沉 积法裁螽t i m g 系台金。磊鬻瘫尚未觅毒关t i m g 系合垒翎备磅突懿攘遂。 如前所_ ；j j l ，往钛中添加轻质元素可以减少钛的密度，轻质元素的合窳化行为 与其物理性质和化学性质有关。往钛合金中添加镁元素受到两个方面的限 制，是笈圊溶性很小，二熙其沸点低于钛的熔点。同样，在镁中添匆髓耐腐 蚀性、囊雩热性良好抟钛元素掰以改善其性能及瓣腐蚀、耐热瞧，德瞧受到钛 在镁孛弱溶度套和其熔煮褰予锾豹沸赢秘裁药。掰j 琏：，臻传统靛方法难强割 备t i ，m g 系舍金。 在s p s 过程中，当在晶粒间的孔隙处放电时，会瞬时产生商这儿千度 至一万魔的局部高温，这在黼粒表面引起蒸发和熔化，并在晶粒接触点形成 鑫 武汉理t 人学砸j ：学位论文第1 章 “颈部”，对金属而言，即形成焊接态。由于热量立即从发热中心传递到晶 粒表面和向四周扩散因此所形成的颈部快速冷却。因颈部的蒸气压低于其 它部位，气相物质凝聚在颈部而达成物质的蒸发- 凝固传递。与通常的烧结 方法相比，s p s 过程中蒸发凝固的物质传递要强的多。同时在s p s 过程中， 晶粒表面容易活化，通过表面扩散的物质传递也得到了促进。晶粒受脉冲电 流加热和垂直单向压力的作用，体扩散、晶界扩散都得到了加强，加速了烧 结致密化的进程，因此。用比较低的温度和比较短的时间就可以得到高质量 的烧结体。与热压烧结( h p ) 技术相比，s p s 技术的烧结温度可降低 1 0 0 2 0 0 0 c 。 本论文以t i m g 系合金的制备及其组织、性能为研究目的，采用放电等 离子烧结( s p s ) 技术拟制备出具有高比强、致密的t i m g 系合金材料，以 开拓其应用范围，这对推动我国航空航天事业和军事科学的发展具有重要意 义。同时浚工作还可以延拓到民用领域先进材料的发展和应用领域，研究结 果在工业、国防和民用都有重要价值。 因此，确定本文的研究内容为： ( 1 ) 在已有工作基础上，确定t i - m g 系合金的制各工艺参数、探讨其 烧结机制和实现致密化： ( 2 ) 分析t i m g 系合金的组织结构，探讨不同t i 、m g 组分对其微观 结构的影响： ( 3 ) 研究t i m g 系合金物理及力学性能，实现其更广范围的应用。 9 垡墨墨三叁兰黧点兰堡鎏壅 一点l ! ! l 第2 章t i ，m g 系合金的s p s 实验研究 本文羽盘属粉末作为原料，经过粉末混合、成型工艺制得一定群状和尺 寸豹垂坯，羚菠其其商一定鹣密度积强度删。娥黟螽靛垂坯遁过放电等离 子骚绩( s p s ) 技术送程魏绫，在穗露魏王艺条 拳下潮各逡缀努 圣意蜜 乏熬， 具有所蘩求物理、力学性髂的t i m g 系合金。 2 。1t i m g 系合金的s p s 试验 2 1 。 察浚爨瓣 实验中使用新鲜、高纯的t i 、m g 金属粉术，其中t i 粉购蠢北京有色 金属研究总院，m g 购自武汉禽联化工仪器责任有限公司。原料的肖关参数 见表2 。1 。躅2 1 是原料t i 粉和m g 粉的x r d 阉谱。图2 2 是原料t i 粉和 m g 粉的鬏粒形貌图。 豪2 - 1 窭验纛辩匏毒关参数 t 曲l e2 - i 疑e l a v l i t t tp a r a m e t e r so f f a wm a t e r i a l s 苎竺竺竺；蒌墨盖差羔竺茎簦签 t i 9 9 3 04 5 11 6 8 03 3 0 0 选。三丝兰塑! ：! 一塑! ! ! 塑 ( a ) 一t l - _ 一m 一 1 1 。l ( 砩 争 爷m 挚 一烈 、? ； 武攫建1 ：大擘磷- ：学垂：【论文撼2 带 2 。 。2 式褥戆溺冬 圈2 - 2t i ( a ) ，m g ( b ) 粉柬的颗| 晓形貌圈 f i g2 - 2 $ e mi m a g e so f p a r t i c | e st i ( a ) a n dm g ( b ) 2 1 2 1 粉朱混合 混含般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。本文 袭2 - 2t i - m g 裹合金样晶缀娥 t a b l e 2 - 2c o m p o n e n t so f t i - m gc o m p o s i t es p o c i m e n s s a m p l e c o m p o n e n t s ( w t 、 型! ： ! ! l1 0 0 29 9 1 3 9 55 4 9 01 0 5 8 51 5 68 0 2 0 77 s 2 5 87 0 3 0 96 0 4 0 1 0 5 05 0 l i4 06 0 1 2 3 07 0 1 3 2 08 0 1 4 1 0 9 0 1 5 一1 0 0 武投理1 = 大学醭l ：学证论文第2 学 按设计靛辩魄( 冤表2 2 ) 称取t i 、m g 舔辩粉寒，采露三缝混糕祝将粉末 机械混合均匀。 2 1 2 2 粉燧压制 将经过宠分湿会的粉来避季亍压期，采用液压式耪寒压片机和单轴冲模愿 裁粉坯( 黧2 3 ) 。 金属粉末在压制过程中，粉末之阔的孔隙魔大大降低，彼此接触髓著增 加，也就魁粉末发生位移( 颗粒填充孔隙，羹新排列，发生接近、分离、滑 动、转动和移动) 和变形( 颗粒由最初的点接触邂渐变成面接触，幽球形变 成扁平状) 的过程。粉泰颡孝盘之间豹联结力可分为嚣种；( 1 ) 粉末颗粒之闽 茨援械戆会力。遥遥压，终表嚣呈鏊蠡不乎戆耱末颓粒发生位移移交形， 从而裙赢钩涟和楔住。这是聪筑具有强度的主鼙联结力，粉末颥狡形状越复 杂，表丽越粗糙，则粉末颗粒之间彼此啮合得趟紧密，压坯的强度趟离。( 2 ) 粉末颗粒寝面原予之间的引力。受强大外力作用，颗粒表面上的原予彼此接 近，当躁予间距进入弓l 力范满之内产生引力而联结起来，粉末的接触区域越 太茭垂坯添发越寒。由鼗，臻舔获餐一定豹强发莘羹密瘦。 嬲2 - 3 耪鹾压制示意餮 f i g ，2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ep r e p a r 髓j o nf o rp o w d e rc o m p a c t 在单向压制过程中，雁坯密度分布会产生不均匀性，如图2 - 4 所示。( 1 ) 与冲模接触的压坯上层：密魔和硬度从中心向边缘逐步增大。( 2 ) 在压坯纵 向层中：密度和硬度沿压坯离璇从上丽下降低。( 3 ) 压坯底部：密度和硬度 武汉理t 大学颂：l ：学位论文 第2 常 势奄状况鞠上层相反，逮缘靛鞍中心豹低。由予终薄擦秀斡 睾震，辕囱蘧力 的降低比艨坯中心大得多。由予本实验中所制胬的试样厚度比较薄( 一般为 2 r a m ) ，w 以忽略这种压坯密度分布的不均匀性。 匿2 - 4 单向撬捌压坯密度洽商度方向的静帮示意醒 f i g 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f d e n s i t yd i s t r i b u t i n go f c o m p a c t e ds a m p l e s 2 ，1 2 2 粉坯烧结 采瘸s p s l 0 5 0 型放电等襄子烧结设备( 强i - 2 ) ，在囊空条传下烧结， 获簿疆袋黼院不嗣翡t i m g 系会佥榜瓣撵鑫。榉熬尺寸麓：壹径奄3 2 m m ， 厚度2 m m 。 2 ，1 3 测试仪器与方法 密度：深瘸谗水法测定务撵赫兹密度。 魏甥羚褥：采用x 一射线舔袈纹( r i g a k ur a d 。c ) 分掇试襻豹携耱缀 成。 2 2s p s 制备t i m g 系合金王艺探讨 2 。2 ， 绫继潮凌翡选择 婕缀工艺条件包括烧绪滋度、烧结髓闻、烧络雎力以及升温速率、气氛 等，其中烧结温度是合金化殿重要的因素。本文强原有工作基础上，根据试 样t i 和m g 不同配比选择相呶的烧结制度，主获是对烧结温度的选择。 在平缀条 牟下，t i 和m g 不发生反应生成纯会物，显稿互之惩黪滔港度 武汉理丁大学顺_ 学位论史 捎2 章 都很小。以t i 为基体( 试祥n o 1 - - 6 ) 躲试释，m g 懿加入受到两个方蠢的 约束：( 1 ) m g 在t i 中的固溶度很小；( 2 ) m g 的沸点比t i 的熔点还要低。 校据粉束冶金豫理，曩粉静浇缭温度一般为箕熔点斡7 0 8 0 ，考虑到s p s 技术快遵升温、低温烧结的特点，本文选择烧结温度1 0 8 0 0 c ，具体烧结制 麓觅图2 - 5 。 _ + ；= ；= = = 一、pressure | | k h f 图2 - 5t i m g 试棒烧结工艺制度 f i g 。2 - 5s i n t a r i n gt e c h n i c a lp r o c e s so f t i m ga l l o y s 当m g 含量增多并以其为撼体( n o 7 1 5 ) 的试样在选择该体系的合 理致密化漫疫时，应该 莰于金震m g 豹熔点，瓣为互不溶系数烧结澄菠是由 粘结相的熔点决定4 。阁2 - 6 戆纯金属m g 在相同条件：烧结压力l o m p a 、 绦瀑时划1 0 m i n 、哭温速率1 0 0 。c r a i n 下，于5 4 0 0 e ，5 6 0 0 c ，5 8 0 0 c 强6 0 0 。c 烧结后的相对密度和温度的关系图。从图中可以看出，纯金属m g 随着烧结 墅2 - 6 焱蕊m g 程不霹湿度下瓣相对荣菠 f i g 2 - 6r e t a t i v ed e n s i t yo f m gi nt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 目41、：4* 0 0 a 一e。p 武汉理工大学坝上学位论文 第2 章 温度的不断升高，试样的体积密度增加 提高烧结温度m g 有溢出的现象，因此 在5 4 0 5 6 0 0 c 时己经完全致密。再 本文选择的烧结制度如图2 7 。 图2 - 7m g t i 台金烧结工艺制度 f i g 2 - 7s i r t t c r i n gt e c h n i c a lp r o c e s so fm g - t ia l l o y s 22 2 t _ m g 系合金s p s 烧结过程 在烧结过程中，粉末压坯发生一系列物理和化学的变化，粉末颗粒的聚 集体变成为晶粒的聚结体，从而获得具有所需物理、机械性能的材料。 图2 8 是部分t i 基t i m g 合金在1 0 8 0 0 c 过程中的升温、烧结曲线。样 品的烧结过程分为三个阶段：一、低温预烧阶段，此阶段发生金属的回复、 吸附气体和水分的挥发。回复可以消除压制时的残余弹性应力，颗粒接触反 而相对减少，加上挥发物的排除，压坯发生膨胀。二、中温升温烧结阶段， m g 开始形成液相，与t i 发生相反应，并伴随发生相变。此阶段烧结体收缩， 密度和强度迅速提高。三、高温保温完成烧结阶段。保温期间，液相添补颗 粒间的孔隙，并在距离较近的粉末颗粒间形成表面张力，促进烧结体的致密 化，同时相反应及相变充分完成，达到致密的烧结体开始受热膨胀。 从图2 8 中看出，n o 1 和n o 2 试样在6 5 m i n ，温度为6 7 0 0 c 左右时第 一次膨胀达到最大值；之后发生收缩，温度为8 1 0 0 c 左右时收缩值达到最大， 这一过程时间很短，约为2 m i n ；温度升高，样品继续发生膨胀，当温度升 高到1 0 2 0 0 c 后膨胀不明显，随着升温速率的降低，烧结膨胀明显减慢；进 入保温阶段后，样品基本上没有膨胀。随着试样中熔点低的m g 含量的增加， n o 3 6 试样达到第一次膨胀最大值的温度降低，完成收缩的温度降低，且 武汉理工t = | = = 学顶士学位论文 撼2 章 速度愈快。其它过程与上述一致。 n o 1 n o 2 图2 - 8 t i m g 舍盘在1 0 8 0 。c 过程中静抖温、烧站曲线 f i g 2 - 8t e m p e r a t u r ea n dd i s p l a c e m e n tc u r v eo f t i * m g a l l o y s 图2 - 9 是郝分m g 基m g t i 台金在5 4