置氢Ti6Al4V粉末磁脉冲压实—烧结体组织结构与性能

论文摘要

钛及其合金具有优异的力学性能、耐热及耐腐蚀性能好、密度低、良好的生物相容性等综合性能,被广泛应用于航空、化工、生物工程等领域。粉末冶金是制备高性能、低成本钛合金的理想工艺。将钛合金的粉末成形和热氢处理技术相结合,可以降低钛合金粉末成形时的固结温度、缩短成形时间、降低制件的孔隙率、相应地提高制件的力学性能。Ti6Al4V是典型的α+β型的钛合金,具有良好的综合力学性能,是研究和应用最广泛的钛合金。磁脉冲压实使粉末在冲击磁场力作用下高速成形。此方法可以使粉末在加热、真空或保护气氛条件下成形。它能得到完全致密的粉末压坯,广泛应用于黑色金属、有色金属、金属间化合物、陶瓷、复合材料等粉末的压制。本文采用理论分析、数值模拟、工艺试验及微观分析相结合的方法对Ti6Al4V粉末磁脉冲压实的变形行为和机理进行了系统研究。采用工艺试验及微观分析相结合的方法对粉末烧结体的组织结构和性能进行了研究。为了改善其耐磨性,对粉末烧结体进行了热氧化和氧化+氧扩散两种表面处理,并对处理后的试样进行了滑动摩擦试验。利用压电力传感器测量磁脉冲压力,并建立了其与压坯密度的关系通式。研究了磁脉冲压实能量密度与压坯孔隙率的关系。采用松散耦合法对磁脉冲压实过程进行分析。在ANSYS中,将放电回路简化为一个RLC电路。把模拟得到的电流作为边界条件,利用ANSYS/Multiphysics模块建立电流激励的电磁场模型。以电磁场模拟结果为边界条件,在MSC.MARC中,利用powder模块和Shima屈服准则建立粉末压实模型。把模拟得到的速度作为边界条件,在MSC.MARC中,利用Johnson-Cook本构关系建立粉末微观变形模型。模拟结果表明,驱动片主要受轴向磁场力作用,并且其沿驱动片径向分布不均匀,沿驱动片厚度方向呈梯度分布。放电电压、压实温度、摩擦系数对压坯平均相对密度和相对密度的均匀性有明显的影响。放电电压对压实速度有比较大的影响。粉末颗粒的变形和温升主要集中于表面层,并且随放电电压和压实速度的升高而增加。随着磁脉冲压实温度的升高,置氢Ti6Al4V粉末压坯相对密度和硬度不断增加。相同压力下,磁脉冲压实的粉末压坯相对密度比传统静态压实的高12个百分点左右。烧结体真空退火后的相对密度、硬度和抗压强度基本上都是在200℃的压实温度下达到最大值。随着氢含量的增加,烧结体真空退火后的抗压强度先升高后降低。随着放电电压的增加,烧结体真空退火后的相对密度、硬度和抗压强度都不断的升高。烧结体真空退火后显微组织为典型的α+β组织。随着氢含量的增加,等轴的颗粒组织不断增加。试样经热氧化处理后在表面形成一层致密的不导电涂层,且随氧化时间和氧化温度的增加,氧化层逐渐增厚,但氧化层过厚会出现脱落现象。热氧化的产物主要是TiO2和Al2O3,氧化层最外层为一薄层Al2O3,次外层为TiO2。氧化层以内存在厚度为140μm左右的硬化层。试样经氧化+氧扩散处理后氧化层的TiO2分解,形成低价态的氧化物TiO。硬化层的厚度可以达到210μm左右。经两种表面处理工艺处理后的试样磨损率都比未处理的试样低2个数量级。氧化+氧扩散处理后试样的硬化效果和耐磨性都比热氧化的试样好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛合金粉末冶金研究进展
• 1.2.1 钛粉的制备
• 1.2.2 钛合金制品的制备
• 1.3 磁脉冲压实研究进展
• 1.3.1 磁脉冲压实原理
• 1.3.2 磁脉冲压实的应用
• 1.4 Ti6Al4V合金氧化和摩擦磨损行为研究进展
• 1.4.1 Ti6Al4V合金摩擦磨损行为
• 1.4.2 Ti6Al4V合金热氧化行为
• 1.4.3 Ti6Al4V合金热氧化+氧扩散行为
• 1.5 选题意义及主要研究内容
• 第2章 磁脉冲压制方程的建立
• 2.1 引言
• 2.2 磁脉冲压力的测量
• 2.3 磁脉冲压实参数的计算
• 2.4 磁脉冲压实能量密度与压坯孔隙率的关系
• 2.4.1 室温下压实能量密度与压坯孔隙率的关系式
• 2.4.2 松装粉末高径比的影响
• 2.4.3 压实温度的影响
• 2.4.4 压实能量密度与压坯孔隙率关系通式
• 2.5 磁脉冲压力与压坯密度的关系
• 2.5.1 室温下磁脉冲压力与压坯密度的关系式
• 2.5.2 松装粉末高径比的影响
• 2.5.3 压实温度的影响
• 2.5.4 磁脉冲压力与压坯密度的关系通式
• 2.6 本章小结
• 第3章 磁脉冲压实有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 耦合方法选择
• 3.3 放电回路有限元分析
• 3.3.1 放电回路分析
• 3.3.2 电路分析模型
• 3.3.3 电路模拟结果
• 3.4 电磁场有限元分析
• 3.4.1 电磁场分析模型
• 3.4.2 电磁场模拟结果
• 3.5 磁脉冲压实有限元分析
• 3.5.1 有限元软件MSC.MARC及Shima屈服准则简介
• 3.5.2 磁脉冲压实分析模型
• 3.5.3 磁脉冲压实模拟结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 置氢Ti6Al4V粉末磁脉冲压实坯微观结构和性能
• 4.1 引言
• 4.2 试验材料与研究方法
• 4.3 工艺参数对压坯性能的影响
• 4.3.1 压实温度对压坯性能的影响
• 4.3.2 放电电压对压坯性能的影响
• 4.3.3 氢含量对压坯性能的影响
• 4.3.4 压实方式对压坯性能的影响
• 4.4 压坯显微形貌分析
• 4.4.1 不同压实温度下压坯显微形貌
• 4.4.2 压坯不同部位显微形貌
• 4.4.3 不同放电电压下压坯显微形貌
• 4.4.4 不同压实方式下压坯显微形貌
• 4.4.5 压坯断口显微形貌
• 4.5 本章小结
• 第5章 磁脉冲压实机理分析
• 5.1 引言
• 5.2 磁脉冲压实微观模拟分析模型
• 5.3 磁脉冲压实微观模拟结果
• 5.4 Ti6Al4V粉末压坯显微形貌
• 5.5 磁脉冲压实机制
• 5.6 本章小结
• 第6章 置氢Ti6Al4V粉末烧结体微观结构和性能
• 6.1 引言
• 6.2 烧结工艺参数及性能测试
• 6.3 压实工艺参数对烧结体真空退火后性能的影响
• 6.3.1 压实温度和氢含量对烧结体真空退火后性能的影响
• 6.3.2 放电电压对烧结体真空退火后性能的影响
• 6.3.3 压坯密度对烧结体真空退火后性能的影响
• 6.3.4 烧结工艺参数对烧结体性能的影响
• 6.4 烧结体真空退火后的显微组织
• 6.5 物相分析
• 6.6 置氢Ti6Al4V粉末烧结改性机理
• 6.7 本章小结
• 第7章 置氢Ti6Al4V粉末烧结体氧化及摩擦磨损行为研究
• 7.1 引言
• 7.2 试验材料与研究方法
• 7.3 热氧化试验结果分析
• 7.3.1 氧化后试样表面状况的变化
• 7.3.2 氧化试样表面显微形貌
• 7.3.3 氧化试样表面物相分析
• 7.3.4 氧化层截面分析
• 7.3.5 氧化层硬度
• 7.4 TO+OD处理试验结果分析
• 7.4.1 TO+OD处理试样形貌
• 7.4.2 TO+OD处理试样表面物相分析
• 7.4.3 TO+OD处理试样硬度
• 7.5 摩擦磨损试验结果分析
• 7.5.1 摩擦系数和磨损率
• 7.5.2 磨损表面显微形貌
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历