粉末冷靜液機(jī)械壓制成形工藝與致密化行為研究.pdf

1、本文針對傳統(tǒng)粉末冶金固結(jié)成形過程中存在的粉末致密度低，高溫?zé)Y(jié)引起粉末的快速凝固組織被破壞的問題，根據(jù)粉末三軸壓制原理，結(jié)合靜態(tài)高壓技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造了一種用于制備高致密度與高性能塊體細(xì)晶及亞穩(wěn)粉末材料的粉末冷靜液機(jī)械壓制固結(jié)成形裝置，并對粉末壓制過程中的致密化行為與致密化機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　粉末冷靜液機(jī)械壓制固結(jié)成形裝置主要由315噸液壓機(jī)、冷靜液機(jī)械壓制成形模具、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等組成。冷靜液機(jī)械壓制成形模具使用活塞-圓

2、筒式液體靜態(tài)高壓產(chǎn)生裝置，高壓容器的階梯結(jié)構(gòu)內(nèi)腔能使工作液體從容器上半腔流入橫截面積更大的下半腔中，壓頭柱塞采用改進(jìn)的Bridgman密封結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)加載過程，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。粉末冷靜液機(jī)械壓制成形過程根據(jù)軸向壓制應(yīng)力和徑向液體靜壓的關(guān)系可以分為冷等靜壓和冷靜液機(jī)械壓制兩個(gè)階段，在冷等靜壓階段，粉末所受的軸向壓制應(yīng)力σ1等于徑向液體靜壓σ2，在冷靜液機(jī)械壓制階段，軸向壓制應(yīng)力σ1大于徑向液體靜壓σ2，粉末

3、顆粒發(fā)生劇烈塑性變形。
　　對氣霧化純Al粉末的冷靜液機(jī)械壓制成形過程進(jìn)行了研究，在冷等靜壓條件下，即使在很高的等靜壓下也不能完全消除殘余孔隙，顆粒邊界結(jié)合強(qiáng)度很弱。冷靜液機(jī)械壓制成形過程中對粉末的軸向塑性變形可以消除純Al粉末中的殘余孔隙。當(dāng)軸向壓應(yīng)力σ1和徑向液體靜壓σ2分別為720MPa和300MPa時(shí)，試樣的相對致密度達(dá)到99.3％，但粉末邊界氧化膜的存在嚴(yán)重阻礙了原子擴(kuò)散與致密化過程，粉末顆粒邊界依然存在。在軸向壓應(yīng)力2

4、480MPa和徑向液體靜壓力420MPa條件下，壓制過程中粉末受到的剪切應(yīng)力增加，純Al粉末顆粒邊界產(chǎn)生了劇烈塑性變形，純Al粉末達(dá)到完全致密化，試樣具有很高的壓縮屈服強(qiáng)度(158.7 MPa)，壓制成形過程中顆粒邊界的劇烈塑性變形誘發(fā)晶粒細(xì)化，粉末材料的平均晶粒尺寸由5μm降低至1μm。晶粒細(xì)化和緊密結(jié)合界面的獲得是純Al試樣具有良好力學(xué)性能的主要原因。在完全致密化的試樣中觀察到層錯(cuò)的存在，主要?dú)w因于顆粒界面處高的剪應(yīng)力誘發(fā)層錯(cuò)形核和

5、粉末顆粒晶體學(xué)位向的調(diào)整。冷等靜壓階段純Al粉末的致密化機(jī)理主要是粉末顆粒重排，而冷靜液機(jī)械壓制階段則是粉末顆粒發(fā)生屈服與劇烈塑性變形。
　　對氣霧化Al-Ni-Ce部分非晶合金粉末的致密化行為進(jìn)行了研究，非晶合金粉末的致密化過程取決于軸向壓應(yīng)力與徑向液體靜壓力的匹配，如果軸向壓制應(yīng)力過高，在壓制過程中非晶合金粉末發(fā)生剪切失穩(wěn)，粉末顆粒的變形主要集中在剪切帶內(nèi)。當(dāng)軸向壓應(yīng)力與徑向液體靜壓力分別為5600MPa和950MPa時(shí)，粉末

6、顆粒發(fā)生局部劇烈塑性變形，試樣的相對致密度達(dá)到99.4%，得到了近似完全致密化的塊體Al基非晶合金材料。其室溫壓縮斷裂強(qiáng)度高達(dá)1.1GPa，具有優(yōu)異力學(xué)性能的主要原因是致密化過程中獲得了緊密的顆粒界面結(jié)合與晶體粉末顆粒中針狀晶體相的破碎。在等靜壓階段，Al-Ni-Ce非晶態(tài)合金粉末的致密化機(jī)理主要是非晶合金粉末顆粒的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行重排，小尺寸的完全非晶態(tài)與部分非晶態(tài)的顆粒將占據(jù)大尺寸晶體顆粒之間的間隙。在冷靜液機(jī)械壓制階段，內(nèi)摩擦力誘發(fā)

7、非晶顆粒局域升溫，非晶顆粒的局域粘滯性流變與晶體顆粒的塑性變形作用共同促進(jìn)Al-Ni-Ce非晶合金粉末的致密化。
　　對球磨態(tài)Al-Ni-Ce非晶合金粉末與水霧化態(tài)的M3:2高速鋼合金粉末進(jìn)行冷靜液機(jī)械壓制，可獲得相對較高致密度的試樣。與氣霧化合金粉末相比，球磨態(tài)與水霧化態(tài)的合金粉末由于形狀的不規(guī)則和高氧含量使其致密化過程相對于氣霧化粉末困難。對于高玻璃轉(zhuǎn)變溫度的非晶粉末材料，壓制過程中的局域溫升不能夠使粉末顆粒發(fā)生粘滯性流變，接