粉末熱機械固結法制備塊體金屬材料（鈦、鋁、銅）的顯微結構和力學性能研究.pdf

1、粉末熱機械固結工藝制備金屬型材和零部件，可以實現(xiàn)少切削或無切削加工，是一種高性能、低成本、凈近成形的成型工藝。粉末熱機械固結法制備的鈦、鋁、銅及其合金的塊體材料和零部件能應用于航空航天、汽車制造等領域，因其成本低且性能優(yōu)良具有較好的市場競爭力而備受關注。然而在粉末熱機械固結過程中，比較不同的粉末固結工藝制備的同種金屬塊體樣品的顯微結構和力學性能，以及如何表征氧化膜、溫度對顆粒界面轉化的影響還未見較為全面、系統(tǒng)的研究報道。本文采用粉末壓坯

2、鍛造(Powder compact forging,PCF)、粉末壓坯擠壓(Powder compact extrusion,PCE)和放電等離子燒結(Spark plasmasintering,SPS)三種熱機械固結方法制備鈦、Ti-6Al-4V、鋁、銅塊體材料及發(fā)動機的零件搖臂橋，研究制備工藝對材料組織結構和力學性能的影響；基于對材料的顯微結構和拉伸斷裂行為的分析，深入揭示固結工藝參數(shù)對顆粒界面轉化的影響；研究了材料氧化膜的存在狀態(tài)

3、對材料成形特征、組織變化規(guī)律及力學性能的影響。本文的研究成果對進一步理解不同的固結工藝及工藝參數(shù)對顆粒界面轉化的影響具有重要的意義，對粉末熱機械固結工藝優(yōu)化具有工程指導價值。
　　首先，采用粉末壓坯鍛造和粉末壓坯擠壓工藝分別制備了鈦、Ti-6Al-4V餅狀試樣和鈦、Ti-6Al-4V棒狀試樣，論文研究了在中等應變速率10-4-10-1 s-1范圍內，上述四種樣品的顯微結構、力學性能和固結過程中顆粒界面轉化的問題。結果表明鍛餅和擠壓

4、棒樣品都具有層片狀結構，四種樣品固結狀態(tài)良好，這取決于氧化膜在加熱過程中的快速消融以及新的界面間的焊合。鍛造Ti、Ti-6Al-4V試樣和擠壓Ti、Ti-6Al-4V試樣都對中等應變速率變化較為敏感，隨著應變速率的提高，拉伸試樣斷口處及其附近出現(xiàn)的孔洞數(shù)量和體積分數(shù)隨之增加。
　　其次，本章探索了鈦和Ti-6Al-4V搖臂橋的硬度、強度等性能，分析了樣品的固結狀態(tài)，研究采用粉末壓坯鍛造法近凈成形制備汽車或飛機發(fā)動機零件的可行性。結

5、果表明：Ti及Ti-6Al-4V搖臂橋的固結水平很高，具有較高的抗拉強度、硬度及較好的塑性，在較高的中等應變速率下進行拉伸試驗，試樣中出現(xiàn)的孔洞等缺陷較少；在垂直于鍛造力方向的截面上，織構的分散分布在一定程度上降低了材料的延展性。
　　再次，選用與氧親和力不同的鋁和銅粉末以SPS工藝固結成塊體樣品，研究二者的組織結構、力學性能以及斷裂行為等的差異，探索氧化膜在鋁粉和銅粉熱固結過程中對晶粒生長、顆粒界面轉化、力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)

6、與氧親和力強的鋁樣品，在SPS制備過程中的氧化膜并沒有被破壞，氧化膜依然包裹在粉末顆粒表面，影響了樣品的固結質量，使燒結材料的力學性能較差；與氧結合力弱的銅，經過SPS燒結后原本存在于銅粉顆粒表面的氧化膜在固結中溶解，樣品力學性能較好。為了解決由氧化膜所引起粉末顆粒固結狀態(tài)差的問題，在上述工藝的基礎上分別加入后處理工藝（大變形的擠壓工藝）、預處理工藝（粉末原料的高能球磨工藝）和預處理與后處理相結合的工藝，并分別討論研究各個工藝對氧化膜與