（材料加工工程专业论文）粉末磁脉冲致密工艺试验研究.pdf

堕堡堡三些奎耋三耋塑圭兰堡篁圣 摘要 粉术压实技术汲取了传统塑性加工和粉末冶金的优点，具有提高产品的 力学性能、制品的精度、减少工序和节省材料等优点。作为一种高能率粉末 成形工艺，粉末磁脉冲致密工艺在能量控制和成形效率方面，具有显著的优 势。该工艺在迅速提高粉末压坯致密度的同时，又能减小晶粒的长大，提高 压坯的力学性能。 本文分别利用螺线管线圈和平板线圈对紫铜粉末和t c 4 粉末进行了磁 脉冲致密。分析放电电压、放电次数、加热温度、粉未种类、致密方向、粉 末体径高比等参数对压坯致密度的影响。试验结果表明，提高放电电压、增 加放电次数、致密前对粉末进行预热、双向致密、较高的粉末体径高比均能 促进粉末的致密，提高压坯的致密度。铜粉比t c 4 粉末的塑性好，可压缩 性好，在磁脉冲致密后，能得到较高的致密度。 对致密后的压坯进行了显微观察和硬度测试，压坯显微形貌和显微硬度 的分布规律进一步验证了各工艺参数对粉末压实致密度的影响规律。 根据两种不同线圈加工制得的粉末压坯，分析比较了螺线管线圈和平板 线圈的优缺点，为制各不同质量要求制品提供了在线圈选择上的指导。 研究结果表明，利用磁脉冲致密工艺制备高密度粉末压坯制品是可行 的。优化磁脉冲致密工艺参数对提高压坯的质量具有重要意义。 关键词粉末；致密度；磁脉冲；电磁成形 a b s t r a c t p o w d e rc o m p a c t i o nt e c h n o l o g ya b s o r b st h ea d v a n t a g e s o ft h et r a d i t i o n a l p l a s t i cw o r k i n ga n dp o w d e r m e t a l l u r g yp r o c e s s i tc a ni m p r o v e t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dt h ep r e c i s i o no f t h ep r o d u c t s ，a l s oi tc a nr e d u c ep r o c e d u r e sa n d s a v em a t e r i a l s a sa h i g h e n e r g yp o w d e rc o m p a c t i o n t e c h n o l o g y ，p o w d e r m a g n e t i cp u l s ec o m p a c t i o n t e c h n o l o g y h a so b v i o u s s u p e r i o r i t y i n e n e r g y c o n t r o l l i n ga n dw o r k i n ge f f i c i e n c y ，w h i c hc a n r e s t r a i nt h eg r o w t ho fg r a i n sa n d i m p r o v e t h e r e l a t i v ed e n s i t ya n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ep r o d u c t s i nt h i s t h e s i s ，c up o w d e ra n dt c 4p o w d e rw e r ec o m p a c t e db ym a g n e t i c p u l s ew i t ht h e s o l e n o i dc o i la n dt h ef l a tc o i l t h ei n f l u e n c eo ft h ed i s c h a r g e v o l t a g e ，c o m p a c t i n gt i m e s ，t e m p e r a t u r e ，p o w d e r sc a t e g o r y , c o m p a c t i n g d i r e c t i o n a n da s p e c tr a d i oo f p o w d e rb o d y o nt h er e l a t i v ed e n s i t yo f c o m p a c t e ds p e c i m e n s w a s a n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h er e l a t i v e d e n s i t y o f c o m p a c t e ds p e c i m e n s i n c r e a s e sw h e n i m p r o v i n g t h e d i s c h a r g ev o l t a g e ， i n c r e a s i n g t h e d i s c h a r g et i m e s ，h e a t i n gu p t h e p o w d e r b e f o r e c o m p a c t i o n ， c o m p a c t e d i nb o t hd i r e c t i o n sa n d h e i g h t e n i n g t h ea s p e c tr a t i oo f t h e p o w d e rb o d y c u p o w d e r h a sb e t t e rp l a s t i c i t yt h a nt c 4 p o w d e r i tw a s e a s i e rt ob ec o m p a c t e d a n d h i g h e rd e n s i t y w a sa c h i e v e da f t e rt h em a g n e t i cp u l s ec o m p a c t i o n t h es p e c i m e n sw e r eo b s e r v e du n d e rm i c r o s c o p ea n dt h e i r h a r d n e s sw a s t e s t e d t h ee f f e c to ft h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e ro nt h er e l a t i v ed e n s i t y o ft h e c o m p a c t e ds p e c i m e n s i sv e r i f i e d b y t h e d i s t r i b u t i n g r u l e so ft h e s p e c i m e n s m i c r o c o s m i ct i s s u ea n dh a r d n e s s a c c o r d i n gt ot h es p e c i m e n sc o m p a c t e d w i t ht h es o l e n o i dc o i la n df l a tc o i l ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et w oc o i l sw e r ec o m p a r e d w h i c hc o u l di n s t r u c tt h ec o i l c h o i c ef o rt h ec o m p a c t e d s p e c i m e n s w i t hd i f f e r e n tq u a l i t yr e q u i r e m e n t t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a ti ti sf e a s i b l et ou s ep o w d e rm a g n e t i cp u l s e c o m p a c t i o nt e c h n o l o g y t om a n u f a c t u r e p o w d e rp r o d u c t s i t h a s i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e t o o p t i m i z e t h e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r o fp o w d e rm a g n e t i cp u l s e c o m p a c t i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d sp o w d e r ；r e l a t i v ed e n s i t y ；m a g n e t i cp u l s e ；e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g 喻尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 - 1 引言 第1 章绪论 电磁成形( e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ) ，又称磁脉冲成形，是上世纪六十年代 发展起来的用于零件加工和装配的方法，是目前应用最广泛的高速率成形方法 ( h i 曲v e l o c i t yr a t ef o r m i n g ) 2 - - 。在加工成形过程中，电能通过磁场向载流导 体一加工体施加电磁力而转化成为机械能1 “。 早在二十世纪年代初，物理学家rk a p t i l a 在脉冲磁场中做试验时发现， 形成脉冲磁场的金属线圈容易被胀大、胀破口1 。这一现象启发了人们对有关电 磁成形基本原理的思考，但却没有马上得到应用。直至1 9 5 8 年，美国通用电 力公司研制出世界上第一台电磁成形机p l 。1 9 6 2 年，美国的b r o w e r 和h a r v e y 经过改进和完善，发明了用于工业生产的电磁成形机【4 l 。此后，电磁成形技术 引起各工业国的重视。6 0 年代中期，出现了储能为4 0 0 k j 的电磁成形机。7 0 年代中期已有4 0 0 多台电磁成形机用于生产【5 】。八十年代中期以来，电磁成形 已在美国、前苏联、日本等国家得到广泛应用。特别是美国和前苏联，生产设 备已实现系列化和标准化p 8 1 。 我国的电磁成形技术在国防工业和民用领域都得到了应用【9 j 。成形设备基 本从美国和前苏联进口，但也有国内的研究机构研制出成形设备。如哈尔滨工 业大学已研制出储能为1 4 4j ( j 和3 6k j 的设备归j 。 今天，电磁成形技术经过四十年的发展，其应用和研究愈加深入和广泛。 由于其独特的优势而受到各工业国的高度重视，目前已在航空、航天、兵器、 汽车、能源、仪表、电子、医学、电器、原子核、计算机等领域获得了广泛的 应用。 1 2 电磁成形的原理和特点 1 2 1 电磁成形的原理 电磁成形技术是利用电容放电在线圈和坯料之间产生磁场力而使坯料发生 变形h 0 1 。电磁成形装置如图l l 所示。 喻尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 一整流组件；2 一限流电阻；3 一高压开关；4 一金属坯料：5 一成形线圈 6 一脉冲电容器组：7 一升压变压器 图卜i 电磁成形装置示意图【1 0 1 吨l 一1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g 【嘲 就设备而言电磁成形机是一个冲击大电流发生器，因此电磁成形技术就 是冲击大电流技术在金属加工领域的应用1 。来自网络的交流电经变压器及整 流器后变为高压直流并向电容器充电。当电容器储能达到预定值后，导通辅助 间隙，强脉冲电流通过工作线圈瞬时释放。 电磁成形原理如图卜2 所示。 a ) 线圈内放绝缘体b ) 线圈内放金属坯料 1 一脉冲电容器；2 一螺线管线圈：高压开关；3 、4 一磁力线； 5 一绝缘体：6 一管坯 图卜2 电磁成形原理圈0 1 2 1 f i g 1 2p r i n c i p l eo f e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g 1 2 】 、 图卜2 ( a ) 中螺线管3 内所置为绝缘体5 ，出于绝缘体没有电磁感应现象， 线圈周围的强脉冲磁场不发生变化。当螺线管线圈3 内放置金属工件6 时，如 图卜2 ( b ) 所示，由于电磁感应现象，工件6 上将会产生感生电流，其方向与 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 螺线管线圈3 中的电流方向相反。这一感生电流所产生的反向磁通穿过工件 6 ，迫使磁力线4 密集于螺线管线圈3 和工件6 间的间隙内。密集的磁力线4 具有扩张的特性，因而工件外表面各部分都受到一个沿径向向内的冲击压力。 当冲击压力值达到工件材料的屈服强度时，工件6 便产生压缩变形。电磁成形 原理也可以用磁场中的电流受到洛仑兹力这一物理现象来加以解释。若将线圈 3 置于工件6 的内部，则工件将由于受内压而产生膨胀变形。 1 2 2 电磁成形的特点 电磁成形与其它加工方法的主要区别是：能量在瞬间作用于毛坯上且无机 械接触，所以是一种高速度、高质量的加工方法l l ”。它具有如下突出的优点 1 0 1 4 ”j ：( 1 ) 与其它高速高能加工方法相比，容易实现能量控制和生产自动 化；( 2 ) 可通过非导体，把力施加于被加工材料上；( 3 ) 工装简单，只需一个 凸模或凹模即可实现加工；( 4 ) 可对复杂零件进行高精度加工；( 5 ) 可进行复 合及混合加工，因而缩短加工周期；( 6 ) 毛坯受到的单位压力较高，变形速度 快，可以提高某些材料的塑性，且残余应力低；( 7 ) 具有很大的工艺灵活性， 同一感应线圈可以进行多种加工：( 8 ) 工艺适应性强，电磁变形中不存在高 温，保证了材料的物理、机械和化学性能；( 9 ) 可以在空气、真空或高温等特 殊环境下进行。 1 3 高能率粉末成形技术 随着现代工业的迅速发展，超高硬度和强度的材料的需求越来越大，粉末 冶金便是制取这种新型高性能材料的主要方法之一。但是通过普通的压实方法 很难获得期望性能的制品，于是一些高能率、强冲击载荷的成形方法应运而 生。高能率成形能够成形纳米晶、微树枝晶粉末材料，或者合成玻璃结构还有 相似结构的高硬度陶瓷材料( 例如会刚石、氮化硼、碳化硅等) 。 1 3 1 爆炸粉末烧结技术 爆炸粉末烧结是利用炸药爆轰产生的能量，以冲击波的形式作用于金属 或非金属粉末，在瞬态、高温、高压下发生烧结的一种材料加工或合成技术。 作为一种高能率加工的新技术，爆炸粉末烧结具有烧结时间短( 一般为几 十微妙左右) 、作用压力大( 可达o 1g p a 1 0 0g p a ) 的特征。与常规烧结方法 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 相比，具有其独特的优点：( 1 ) 具备高压性，可以烧结出近乎密实的材料。 ( 2 ) 具备快熔快冷性，有利于保持粉末的优异性能。( 3 ) 可以使s i 3 n 4 、s i c 等非热熔性陶瓷在无需添加烧结助剂的情况下发生烧结。除上述特点外，与一 般爆炸加工技术一样，爆炸粉末烧结还具备经济、设备简单的特点。正广泛的 运用于精细陶瓷、金属间化合物、金属基复合材料、纳米块体以及微晶、准 晶、非晶等亚稳合金的粉末烧结研究中。 但由于爆炸粉末烧结存在工艺重复性差、自动化程度低和安全性问题，该 工艺的推广应用受到了限制；另一方面，关于爆炸参数及其与所用方法和待压 粉末类型的依存关系，也缺乏实用数据。 1 3 2 放电等离子烧结技术 放电等离子烧结技术( s p a r kp l a s m a ss i n t e r i n g ，简称s p s ) 【1 7j ，是在粉 末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结的一项新技术。烧结过程中，通过粉 末颗粒的脉冲电流瞬间产生放电等离子，它使烧结体内部各个颗粒均匀地自身 产生热量并且使颗粒表面活化。颗粒问的有效放电可产生局部高温，使表面局 部熔化，表面物质剥离；高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面夹 杂物和吸附的气体。电场的作用使加快扩散过程。同时，在烧结时在样品两端 施加压力，可以使烧结体更加致密和降低烧结温度。 s p s 的工艺优势明显：加热均匀，升温快，烧结温度低，时间短，效率 高，组织细小均匀，保护原材料的自然状态，可得到高致密度的材料，可以烧 结梯度材料和复杂工件等。s p s 技术在材料制备领域有广阔的应用前景，不过 目前还存在晶粒易于长大和烧结体中有微孔隙的问题，这是今后的研究中需要 改进和提高的地方。 1 4 粉末磁脉冲致密工艺 1 4 1 磁脉冲致密工艺的原理 粉末磁脉冲致密是一种利用强脉冲电磁力作用于粉末体，使其致密化的高 能率成形新工艺。 螺线管线圈磁脉冲致密工艺原理如图1 3 ：将粉末装入一个导电的容器 ( 包套) 内，置于螺线管线圈中。线圈通入高频脉冲电流，线圈中形成高频磁 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 场，包套上因而产生感生电流，感生电流与施加的磁场相互作用，产生了二维 径向压实力。整个致密过程时间不足lm s 。平板线圈致密工艺原理与螺线管线 圈相似，不同的只是线圈为平板状，磁脉冲力施加在粉末的轴向上，粉末主要 产生轴向位移。 在此过程中，磁场会在粉末体内激发电动势，击穿粉末颗粒之间的氧化物 使粉末体内也产生电流。一方面，电流的热效应和击穿氧化物产生的热量使粉 未颗粒局部熔化，起到了烧结的作用；另一方面，粉末体内也会随之产生电磁 力的作用而使粉末致密 1 ”。 图卜3 螺线管线圈粉末磁脉冲致密原理示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cp l a no f c o m p a c t i o nb ye m f w i t hs p i r a lc o i l 1 4 2 粉末磁脉冲致密工艺的特点 粉末磁脉冲致密工艺的主要特点7 】是：不使用凹模，因而可以达到更高的 压实力，维修与生产成本更低：生产效率高，如果磁脉冲致密成形周期在1m s 以内，则生产率可达每分钟1 0 1 5 个部件；该工艺的重复性很好，施加在部件 上的能量可以通过统计控制测定进行严格控制：在任何温度和气氛中均可施加 压力，适合所有的材料，加工更加柔性化：粉末磁脉冲致密的亚毫秒致密过程 有助于保持材料的显微结构不变，因而也提高了材料的性能；不使用润滑剂与 粘接剂，有利于环境保护。 浚工艺适用于制造拄形对称的部件、薄壁管、高纵横比部件和内部形状复 哈尔滨工业大学工学碗二l 学位论文 杂的部件。现可以生产直径长度= 1 2 7m m 7 6 2n l l t l ，到1 2 7 0m m 2 5 4 m l y l 的部件【1 7 】。粉末磁脉冲致密工艺有可能使电机设计和制造方法产生革命性 的进步，由粉末材料一次性制成近终形定子与转子，从而获得高性能产品，大 大降低生产成本。 适用的材料有：钢、纯铁、工具钢、铜、铝、陶瓷、复台物粉末、纳米材 料等。甚至对于像w 、w c 和陶瓷粉末等难压实材料，磁脉冲致密也可以提高 材料的生坯密度和力学性能，如表1 1 所示。 表卜i 磁脉冲致密工艺压制的不同材料的生坯密度 t a b l e 卜1t h ed e n s i t i e sa c h i e v e d f o r v a r i o u s m a t e r i a l s u s i n g t h e d m cp r o c e s s 受压粉末 粉( 哪j粉l w o j 构压鬻度 特性 软陶瓷h t s c 6 不规则 9 8 高临界电流 钨钢复合材料 4 5 不规则9 9 9高穿透能量 氧化铝 3 0 不规则 7 5 低收缩率 纳米氧化铝 2 0 不规则 7 5 保留纳米级尺寸 7 0 7 5 铝合金 2 0 - 3 0 不规则 1 0 0 高延展性净成形 钨 3 - 5 不规则 8 5 低收缩率和废品率 h 一 一 9 8 易成形 下面列出了粉末磁脉冲致密工艺相对于其他工艺的优势：( 1 ) 相对于机械和 水力挤压，制备的压坯致密度更高：生产更加柔性化：更低的资金投入；能够 生产高纵横比的零件；( 2 ) 相对于冷等静压和热等静压具备更高的生产率：更 小的颗粒组织；( 3 ) 相对于锻造成本更低；( 4 ) 相对于铸造，零件内部没有空 穴；缺陷较少。 1 4 3 粉末磁脉冲致密工艺的发展 1 9 9 5 年1 0 月美国开始研究动磁压实( d y n a m i cm a g n e t i cc o m p a c t i o n ) 。 j o h np b a r b e r 等人，利用螺旋管线圈的电磁加工技术制备了高强度的螺旋齿 轮，并通过光学显微镜对齿轮的各种性能做了测试m 1 。用d m c 技术制各的具 备典型形状的零件如图卜4 。j o h neb a r b e r 又试着对多种粉末进行研究，其试 验结果如图1 5 。 ：竺玺鎏三些奎兰三兰堡圭耋堡丝兰 图l 一4 用d m c 工艺加工的具有典型形状的零什【2 0 1 吨l - 4t y p i c a ls h a p e so f p a h sp r o d u c e dw i t ht h ed m cp r o c e s s 驯 图卜5 用d m cr 艺加工的各种铁合金的密度【1 9 】 f i g 卜5t h e d e n s i t i e sa c h i e v e df o rv a r i o u sf e r r o u sa l l o y su s i n gt h ed m cp r o c e s s 【1 9 荷兰的m j gj a k 利用磁脉冲对锂离子电池原料进行致密2 卜。3 1 ，如图卜6 所示。并且将致密效果和爆炸粉末烧结进行了分析和比较，得出磁脉冲致密效 果优于爆炸粉末烧结的结论。 俄罗斯的v i v a n o v 等用磁脉冲对a 1 2 0 3 纳米粉末进行了压实【2 4 l ，压力范 围为1g p a - 5g p a ，持续时间为3 - 3 0 0i t s 。获得的样品致密度达到6 2 8 3 ， 并且保持纳米结构。 日本的一s a n o 等人用电磁力对a l 粉术进行压实1 2 5 ，制造出圆柱形零件。 并且在包套中心安置了心轴，心轴可以是螺纹状的，也可以是锥形的。压实结 果密度一致。 图卜6 采用磁脉冲压实的电池的径向剖面2 1 i 瞻卜6c r o s s s e c t i o no f am a g n e t i c a l l yp u l s e c o m p a c t e db a t t e r y f 2 韩国的g e u nh e el e e 等人也开展了对m a g n e t i cp u l s e dc o m p a c t i o n ( m p c ) 的 研究【2 6 】，并对纳米铜粉进行了致密。得到理论密度为9 5 的致密铜粉。在3 0 0 的致密温度下，压坯保持纳米结构，并且其硬度达到2 6g p a ，为传统微米 级纯铜的硬度的三倍。 韩国的n a n ot e c h n o l o g yi n c 公司研制出了高效率，高精度，低消耗的粉末 磁脉冲成形机，如图卜7 。磁脉冲力能达到1 0 0 0k n ，最高释放能量为3 0 。 图1 7 韩国研制的粉末磁脉冲压实机【3 4 】 f g1 7m p c m a c h i n em a d ei ns o u t hk o r e a t 4 目前，国内研究者们也针对本课题开展了相关的研究工作，武汉理工大学 材料学院将低电压电磁成形方法用于粉末材料压实【2 7 ，采用间接加工方式对 铝、铜、锡粉进行了压实试验，在成功压实出高密度粉末制品的基础上，分析 喻尔滨工业大学工学硕j ：学位论支 了电压、电容、摩擦、压实次数、粉末粒度等因素对制品压实密度的影响；哈 尔滨工业大学材料学院，在低电压粉末压实加工条件下，主要是在平板线圈加 工方法中，通过改变各电磁成形参数，验证其对于粉末压实性能的影响，研究 了电磁成形中电磁脉冲在粉末压实加工工艺中的试验规律【2 8 】。 1 4 4 粉末磁脉冲致密工艺的理论研究情况 同等静压的方法相比，粉末磁脉冲致密工艺的主要特点是：致密并不是同 时在试样的整个容积发生。还有一点是，冲击波通过粉未而使材料随后得到压 紧。磁脉冲的持续时间很短，但是足以产生高的加载速度，这样也会导致温度 升高。在这些情况下，强的冲击波对物体的致密可用公式r a n k i n e h u g o n i o t 2 9 】 所提出的一些公式计算，这些公式是应用质量，动量和能量守恒而推导出来 的： 式中 一冲击速度 u 。一质点速度 ( 一u 。) p = u o 。风 ( i - 1 ) ( 只一昂) = 岛。u o 。u 。 巨一岛= 昙( 暑+ p o ) ( v o k ) 风一冲击波前通道前的密度 p 一冲击波前通道后的密度； 只一压力： 异一冲击波前通道前的压力； e 一内能； 毛一冲击波前通道前的内能； ( 1 2 ) ( 1 3 ) k 一冲击波前通道前的比容 k 一比容。 疏松材料的压力一容积关系式与密实材料的冲击波特性如图1 8 所示： 从比容z 0 开始，粉末致密即已发生，沿着h u g o n i o t 曲线1 或2 至k 弓状态为 止。释放绝热曲线3 说明在环境压力下卸载至最终容积的情况。可用最终容 积来衡量所达到的压实程度。 1 一用于密实材料的h u g o n i o t 曲线：2 一用于疏松材料的h u g o n i o t 曲线 3 一释放绝热曲线 图卜8 用于粉末磁脉冲致密的压力一比容关系曲线【2 9 】 晦1 8r e l a t i o n s h i p so f p r e s s u r ew i t hv o l u m et om a g n e t i cp u l s ec o m p a c t i o no f p o w d e r 。砚 对于密实材料来说，h u g o n i o t 曲线和释放绝热曲线大致相同，给出的压力 不会太高。粉末致密成形需作的功可用三角形k 日一k 表示。它的一部分即 一只一u 在卸载时被释放。这两个面积之差( 图中用点线表示的面积) 表明在一 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 个工作循环中( 巧密蛮，异) 内能的增加。可以看出，粉末材料的内能增加比密实 材料大的多。初始比容k 。越大，内能增加越多。不可转化的内能大多以散热 形式而消失。 显而易见，h u g o n i o t 冲击曲线不仅取决于初始比容，而且取决于一些参数 比如颗粒的大小，形状和粉末的状态( 加工硬化或退火的颗粒) 。 另一方面，冲击波在疏松介质中的传播很难传播成为连续波。在压紧的较 早阶段中，冲击波仅传向单个颗粒的接触点，而且会发生局部压力比h u g o n i o t 所确定的压力大得多的情况。鉴于各颗粒的方向不同及弹性异向、屈服强度及 加工硬化的影响，波前就变成“波动的波前”。 1 5 课题意义 粉末致密成形技术是现代机械零件的先进的制造技术，具有高效，优质， 精密，低耗，节能等优点，尤其适合大批量生产的各种零件。目前在民用及国 防工业中有广泛的应用，优化和发展粉末冶金压实工艺和模具设计已成为粉末 冶金工业发展的研究热点。 用强劲冲击载荷致密粉末材料是获取高密度粉末制品的有效方法。 纳米及超细粉末材料具有许多独特的优异的物理和力学性能，如低密度、 高膨胀系数、低饱和磁化率、低扩散激活能、高扩散系数、高断裂强度和高比 热等优异性能，目前该领域有待研究和攻克的难题之一是如何将粉末制备成 块，并使之保持超细粉末所具有的晶粒尺度和特性。现有的烧结工艺，如常规 烧结，热等静压烧结，等离子体烧结和微波烧结等都存在晶粒长大的问题，一 般在烧结过程中晶粒会长大一、两个数量级，甚至更多。 高速冲击是既能使粉末达到良好致密，又可保持它原有的晶粒度大小和特 性的一种纳米材料成形方法，磁脉冲成形与爆炸成形都属于高速成形，而且磁 脉冲加工工艺克服了爆炸成形安全性差，能量不易控制的缺点，更适合于纳米 材料及超细粉末材料的致密。 本课题的研究目的是，通过试验研究方法，在粉末磁脉冲致密加工情况 下，在螺线管线圈和平板线圈两种加工方法中，通过改变磁脉冲致密参数，研 究其对紫铜粉末、t c 4 粉末致密性能的影响，确定粉末磁脉冲致密工艺的最佳 工艺参数。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 本项目研究对纳米及超细粉末材料的理论研究有重要意义，并将为微细粉 末压坯材料的制备提供新的途径，该项成果可用于航天、航空等高温合金构件 的精密成形，对缩短生产周期，提高使用性能有重要意义。 1 6 课题来源及本文研究内容 本课题来源为国防预研基金项目。 本文对磁脉冲工艺对粉术致密的可行性进行了初步研究，研究的内容有： ( 1 ) 在前期研究基础上，进一步补充和完善粉末磁脉冲致密工艺的机制。 ( 2 ) 根据能量公式以及电磁成形工艺本身的参数，用螺线管线圈加工方式， 对紫铜粉末和t c 4 粉末进行粉末磁脉冲致密试验研究。通过改变电磁成形中 与电磁力相关的影响因素来改变压坯的致密性能，包括密度的变化、密度的分 布和粒度大小的变化情况。 ( 3 ) 采用平板线圈加工方式，对紫铜粉末进行磁脉冲致密试验研究。研究各 种工艺参数对粉末坯体微观组织结构和性能的影响。总结比较螺线管线圈和平 板线圈磁脉冲致密工艺各自的优缺点，分析在不同场合下对两种工艺的合适选 取。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章粉末磁脉冲致密工艺机制的研究 2 1 引言 粉末冶金是制造金属、金属间化合物、金属一非金属化合物粉末，和利用 这些粉末通过成形、烧结制造工程材料、功能材料及其异型制品的技术。粉末 冶金能制造出传统的熔铸和加工方法所不能制成的具有独特性能的材料和制 品；能够使材料高性能化、多功能化、复合化、超精细化、纳米结构化，使制 品高强化、形状复杂化、微型化、精细化；同时，它也是一种高效、节能、节 材、环境友好、低成本、大批量的生产工艺。 粉末磁脉冲致密工艺是一种新兴的粉末冶金技术，它利用磁脉冲产生的瞬 间动量来驱动包套或者冲头，采用间接加工的方式对粉末进行致密。具有压制 力高，维修费用与生产成本低，工作条件灵活，不使用润滑剂和粘结剂，有利 于环保等优点。 本章对磁脉冲致密工艺的致密机制进行了理论分析。 2 2 影晌粉末致密过程和压坯质量的因素 影响粉末致密过程和压坯质量的因素很多，有粉末的硬度、粒度，还有粉 末的形貌和压制方式等3 0 1 。 2 2 1 粉末物理性能的影响 ( 1 ) 粉末硬度的影响 金属粉末的硬度和可塑性对致密过程的影响很大。软金属在压缩时变形 大，粉末颗粒之间的接触面积大，压坯密度易于提高：硬金属相反。 ( 2 ) 粉末摩擦性能的影响 一般来说，压制硬金属粉末压模的寿命短，这是因为硬金属粉末对压模的 磨损非常大。因此为了得到理想的压坯并降低压模的磨损，通常加入润滑剂。 2 2 2 粉末纯度的影响 粉末纯度越高，致密越易进行。由于杂质大多以氧化物形态存在，而金属 氧化物粉末是硬而脆的，而且存在于金属粉末的表面，致密时使得粉末的压制 阻力增加，并且压坯的弹性后效增大。 2 2 3 粉末粒度和粒度组成的影响 粉未的粒度及粒度组成不同时，在压制过程中的行为就不一致。一般来 说，粉末越细，流动性越差，在填充狭窄而深长的模腔时就越困难，越容易形 成拱桥效应。这样在致密过程中冲模的运动距离与粉末之间的内摩擦力就会增 大，压力损失随之增大，影响了压坯密度的均匀分布。 与粉末形状相同的粗粉术相比，细颗粒粉末的压缩性较差，而成形性较 好。这是由于细粉末颗粒间的接触点较多，接触面积较大。实践表明不同粒度 组成的粉末致密性能较好。这是因为小颗粒容易填充到大颗粒之间的孔隙中 去，因此这种情况下致密的压坯密度和强度会增加。 2 2 4 粉末颗粒形状的影响 粉末颗粒形状对粉末填充模腔的影响很大，表明平滑规则、接近球形的粉 末流动性好，易于填充模腔，使压坯的密度分布均匀；而形状复杂的粉末填充 模腔困难，容易产生拱桥现象，使得压坯会由于装填粉末不均匀而出现密度不 均匀。 粉末颗粒形状对压坯性能也有影响。不规则的粉末在压制过程中，其接触 面积比规则形状粉末大，压坯强度高，所以成形性好。 2 2 5 粉末松装密度的影响 粉末松装密度小时，模具的高度和冲模的长度必须增大。轴向压制高密度 压坯时，如果压坯尺寸长，密度分布就容易不均匀。但是，当松装密度小时， 压制过程中粉末接触面积增大、压坯的密度高却是其优点。松装密度大时，。模 具的高度和冲模的长度可以缩短，并且对于制造高密度压坯，或者长而大的制 品有利。实践中应采用的松装密度大小，需根据实际情况而定。 2 2 6 致密方式的影晌 在致密过程中由于有压力损失，压坯密度会出现不均匀现象。为了减小这 种现象，可以采用双向致密及多向致密( 等静压) ，或者改变压模结构等。某 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 些难熔金属化合物( 如碳化硼) 的致密，有时候为了保证密度要求，还可以采 用换向致密的方法。 2 3 粉末磁脉冲致密工艺机制 2 3 1 粉末颗粒的变形规律 很多学者在用不同的金属粉末进行冲击致密试验后，得到致的结论，认 为金属粉末在冲击波作用下，发生有规律的变形，也就是沿着冲击波传播方向 上的颗粒变为凹面( 颗粒表面外法向为颗粒表面方向) 。逆冲击波传播方向上 的颗粒表面呈光滑的凸表面口9 1 。 2 3 2 粉末磁脉冲致密化过程 粉末磁脉冲致密的压实方向与冷静压加工方向相同，粉末体主要是沿着凸 模的行程方向发生强烈收缩，因此可以简化为平面二维模型来分析，假定待压 实粉末为理想的等径球，粉末体致密理想过程见图2 1 。 a ) 松散堆积b ) 紧密堆积c ) 熔化烧结 图2 - 1 粉末磁脉冲致密中粉末颗粒致密化过程理想示意图f 2 8 】 盹2 - 1s c h e m a t i cp l a no f c o m p a c t i o no f g r a n u l a ri nc o m p a c t i o nb ye m f 【2 8 】 图中2 1 a 1 表示粉术磁脉冲致密初始阶段，松散堆积状态下粉末体受到来 自于凸模的冲击载荷而发生快速收缩，颗粒与颗粒表面间以及边际粉末颗粒与 凹模壁间，发生碰撞，颗粒相互挤紧。这时，压制压力大部分耗费于颗粒间的 摩擦而升温。在此过程中，密度随着致密过程的进行急剧增加，这是由于原始 粉末中存在有5 0 9 0 的孔隙。另外，颗粒间因为搭接往往可以形成“拱 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 桥”现象。这种较大的孔隙，在初始阶段很容易被粉末填充。 粉末颗粒向邻 近的孔隙内充填时，可以作相对滑动和转动等，但是当颗粒间彼此接触后，这 种颗粒的运动也就停止了，充填基本结束。 图中2 - 1 b ) 表示凸模高速行进时，颗粒由松散堆积状态变为最紧密堆积， 粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始有变形，这时，压制压力主要 耗费于颗粒与模壁间的摩擦，但粉末颗粒仍然具有较高的动能，凸模此刻还是 处于高速加载状态。这个过程中密度增加速度较慢。这是由于在粉末致密第一 个过程结束后，粉末颗粒虽然彼此接触，但颗粒之间仍然有很大的孔隙，若要 进一步消除孔隙，必然要通过颗粒的变形充填到孔隙中去。而第二区域的致密 化方式正是以颗粒的变形为主要特征的。显然颗粒变形所需要的外力要比充填 时粉末运动所需的力大得多。更重要的是，在颗粒变形的同时必然又引起颗粒 的加工硬化，而加工硬化后的颗粒又更难以进一步变形，所以这一过程的特征 是密度随压力增加愈来愈慢。 图中2 1 c ) 表示在压制后期，粉末颗粒充分接触，粉末颗粒表面被压紧且 初步啮合成牢固接触状态，形成了土体模型。此时脉冲加载产生了绝热剪切变 形行为，使得粉末颗粒的动能以及凸模的动能全部转化为颗粒紧密堆积的接触 点处的热能，热能使得颗粒接触点升温、熔化和焊接。进一步增大压力时，粉 末颗粒被破坏和结晶细化。这时，压制压力主要耗费于颗粒的变形与破坏。这 一过程中，密度几乎不再变化，这是因为，在颗粒加工硬化严重以及接触区的 面积很大的情况下，外压力被刚性接触面支持，故颗粒表面或内部残存的微小 孔隙很难消除，唯一的方式是颗粒碎裂以便进一步消除残存孔隙，提高密度。 致密过程三个阶段的划分，并没有明显的界限，同时，三种致密的方式 ( 松散堆积、紧密堆积、熔化烧结) 并非各区独有。这是因为粉末内部各个颗粒 所处的受力状态就局部区域来说是不尽相同的。因此不能绝对的排除某一种致 密化方式。 2 3 3 致密和熔化机制 粉末磁脉冲致密的实践表明粉术颗粒升温和熔化首先发生在粉末的颗粒界 面上。粉末磁脉冲烧结的能量不是因为脉冲能量传递给粉末颗粒，而是主要沉 积在粉末颗粒表层。这种热能急剧在粉末界面积聚，并导致表面的熔融和结 合。迄今为止，关于粉末压实机理在学术界仍然是一个争议的问题o ”。l i n s e 认为固结是由于颗粒发生变形、流动充填了粉末的孔隙和缝隙，从而使颗粒i n j 哈尔滨工业太学工学硕上学位论文 结合，因而颗粒变形、发热和软化是主要机制。w i l k i n s 认为在高压状态下， 许多材料均呈现相当高的韧性，从而在动态载荷下发生塑性流动和升温，并使 相邻的颗粒发生局部焊接。l o t d i c h 等人认为空穴活颗粒之间缝隙中的空气绝 热压缩是颗粒发生熔化的根源。 金属粉末磁脉冲致密最显著的特点就是在冲击波作用下，粉末颗粒表面发 生严重的变形。在冲击波瞬间作用下粉末体被绝热压缩，颗粒相互碰撞，摩 擦，以及塑性变形。粉末颗粒表面发生严重的有规律变形。因此，颗粒表面与 心部存在极大的温度梯度。与传统的粉末冶金烧结机制相比，两者截然不同。 在冲击波作用下，粉术体内的内能骤然增加，一方面是因为模具内的粉末 颗粒因为受绝热压缩，颗粒相互碰撞摩擦以及严重的塑性变形；另一方面，粉 末颗粒之间产生感生电流，由于电流的热效应，粉末温度升高。该内能增值可 视为两部分：其一是体系的热能增加，其二是粉末颗粒被压缩所做的功。两者 相比，后者可忽略不计。又因为磁脉冲致密整个过程在几十个微秒之内完成， 来不及进行热交换，所以热能全部沉积在颗粒表面，导致粉末颗粒表面形成极 薄的熔化层。 在磁脉冲致密过程中，粉末吸收能量的多少，主要取决于冲击波压力的大 小和粉末体的孔隙度。在相同的冲击波压力下，小颗粒区孔隙度大，吸收能量 多，内摩擦力大，碰撞频繁。其结果必然导致小颗粒优先于大颗粒熔化。 2 3 4 粉末颗粒在磁脉冲冲击下变形的特点和等级 在磁脉冲发生的瞬间，粉末颗粒的表层处在较高的温度状态，亦即塑性较 好的易变形状态。根据磁脉冲参数不同，粉末摩擦及变形产生的温度也不同。 根据能量在粉末表面的沉积率，粉末的高能成形分为以下几个等级p 2 j ： ( 1 ) 冲击压实：因为冲击波的传递，粉末材料颗粒表面优先沉积了冲击能 量，从而产生固结： ( 2 ) 强化烧结：包含着静态冲击固结和普通的烧结过程，产生最终的产品； f 3 ) 冲击调节：粉末在任何通用几何学条件下被冲击，再冶炼，烧结； ( 4 ) 冲击波引起化学合成：冲击波传递过程中，粉末混合物反应生成化合 物，并且被固结： ( 5 ) 冲击波引起相变：在高压应力状况下，生成一些具有优异性能的新结 构： ( 6 ) 化学辅助的冲击固结：同时包含着冲击波引起的化学合成和冲击固 哈尔滨工业大学t 学? 耐士学位论文 结。嵌入的粉末含有放热元素的混合物。冲击波的传递引起这些元素的反应 促进初始嵌入物与难固结材料的结合。 2 4 磁场和磁场力分析 粉术磁脉冲致密工艺中的磁场与放电电流线圈及线圈一工件系统的结构有 关系。磁场的理论分析是电磁成形的基础。 2 4 1 螺线管线圈磁场和磁场力分析 螺线管线圈粉末磁脉冲致密与管坯电磁缩径磁力线磁场力分布类似，包套 和包套内粉末的变形取决于脉冲磁场的强度及分布。图2 2 、图2 3 是管坯电 磁缩径时的磁力线分布和磁场力等效图。 从两图可推断出，从线圈内部流出的磁力线除包套端部外，大部分被狭迫 在线圈与管坯之间的窄缝内，只含有轴向分量；在包套端部磁力线发散，磁力 线除含有轴向分量外还台有径向分量，端部径向的磁场力最小。 图2 - 2 管坯电磁缩径磁力线分布图田i f i g 2 - 2d i s t r i b u t i o np l a no f t h em a g n e t i cf l o w n l i n ei nt u b ec o m p r e s s i o n l 3 3 1 图2 - 3 管坯缩径磁场力等效图3 4 f i g 2 - 3m a g n e t i cf o r c ep l a ni n t u b ec o m p r e s s i o nb ye m f p 4 1 2 4 2 平板线圈磁场和磁场力分析 平板线圈粉末磁脉冲致密与板材电磁成形脉冲磁场和分布类似。放电时 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 平板线圈和驱动片之间产生互相排斥的磁脉冲力，驱动片驱动冲头运动，对粉 末冲击致密。 从图2 4 与2 - 5 可以看出，在板材电磁胀形中，线圈最外沿与板材接触处 磁力线分布最密集，同时产生的磁场力也最大。但是因为平板线圈粉末磁脉冲 致密采用的是间接加工的方式，线圈产生的磁场力驱动冲头，然后对粉末进行 致密，因此可以忽略磁场力在径向的分布对粉末致密的影响。 图2 4 扳材电磁成形磁力线分布图2 5 板材电磁成形磁场力等效图 f i g 2 4d i s t r i b u t i o np l a no f t h em a g n e t i cf l o w n f i g 2 - 5m a g n e t i c f o r c ep l a ni n l i n ei np l a t ef o r m i n gb ye m f p l a t ef o r m i n gb ye m f 2 5 粉末磁脉