不锈钢金属粉末零部件烧结过程的热力耦合有限元分析

论文摘要

烧结工艺对烧结零部件的安全性和寿命评价非常重要,已引起国内外学者的广泛重视。为达到所需的最佳力学性能,一些高性能的粉末材料广泛应用于烧结过程,如牌号为304L,316L,430L,440A,440C,17-4PH的不锈钢粉末。这些高性能材料通常价格高昂,为避免在试错阶段的时间和精力的浪费,有必要利用数值模拟来设计和规划材料的烧结过程。随着对金属粉末烧结过程研究的不断深入,已有的文献得到了部分金属材料烧结过程的物理模型以及控制粘塑性行为及致密化进程的本构方程,但是17-4PH不锈钢粉末的烧结过程在已有的研究中却不多见。作为当下越来越广泛应用于PIM行业的原料粉末,有必要对17-4PH试件的烧结过程行为做进一步的研究。本文开展了如下研究工作：（1）基于宋久鹏编写的适用于316L不锈钢粉末的粘-弹塑性本构关系,修改了程序中的平均粒度、单轴粘度、粘性泊松比等参数的数值大小,得到能够合理描述17-4PH粉末及410L不锈钢粉末的UMAT子程序。首先对17-4PH不锈钢粉末的拉伸烧结件进行了有限元模拟,讨论了烧结温度、保温时间等对粉末烧结过程的影响。与已有文献试验结果进行对比,确定复杂零部件成型模拟过程中的工艺参数。（2）在MSC.Patran中建立了复杂形状的17-4PH不锈钢粉末烧结试件模型,对模型的热-粘弹塑性烧结过程进行了分析,讨论了烧结应力、相对密度、伸长率等随时间和温度的变化特征及演变规律。通过与试验数据进行比较讨论了分析方法的合理性。结果表明：烧结应力的大小主要取决于晶粒和孔隙的形状及尺寸等因素；相对密度随温度的升高而增大,在1360℃时致密化程度最高,1340℃及1380℃时分别出现欠烧结和过烧结现象。适当的延长保温时间可加速试件的致密化,当过分延长反而导致晶粒的二次增长。（3）建立了蜂窝金属载体模型,调用UMAT对其烧结过程进行了分析,并与也有文献中的体积收缩率进行了比较。（4）通过与试验数据进行比较讨论了分析方法的合理性。烧结工艺参数为烧结温度1360℃,保温时间90min,升温速率为10℃／min时,复杂零部件的模拟结果更接近试验值。蜂窝金属载体模拟所用的工艺参数为烧结温度1120℃,保温时间90min,升温速率10℃／min。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 烧结理论及模拟过程的研究现状
• 1.2.1 烧结理论研究的三次飞跃
• 1.2.2 烧结过程模拟的研究现状
• 1.2.3 烧结设备的现状与发展目标
• 1.3 论文选题及主要工作
• 第2章 粉末烧结的热力学机理
• 2.1 烧结的热力学解释
• 2.2 烧结的基本过程
• 2.3 烧结扩散的基本条件
• 2.4 烧结扩散的物质迁移
• 第3章 UMAT子程序及烧结本构模型
• 3.1 UMAT用户材料子程序概况与接口
• 3.2 本构关系及烧结模型
• 3.2.1 本构关系
• 3.2.2 粘度模量
• 3.2.3 烧结应力
• 3.3 控制方程
• 3.3.1 动量守恒
• 3.3.2 能量守恒
• 3.3.3 质量守恒
• 3.4 本章小结
• 第4章 拉伸试件烧结过程数值模拟
• 4.1 有限元模拟总述
• 4.1.1 原料说明
• 4.1.2 计算模型规划
• 4.1.3 数值模拟假设
• 4.1.4 前处理及加载计算
• 4.2 有限元模型及模拟方案
• 4.3 烧结温度对试件性能的影响
• 4.3.1 烧结温度对烧结应力的影响
• 4.3.2 烧结温度对相对密度的影响
• 4.3.3 烧结温度对伸长率的影响
• 4.4 保温时间对试件性能的影响
• 4.4.1 保温时间对烧结应力的影响
• 4.4.2 保温时间对相对密度的影响
• 4.4.3 保温时间对伸长率的影响
• 4.5 本章小节
• 第五章 17-4PH复杂烧结件及金属蜂窝载体试件的数值模拟
• 5.1 模拟总述及UMAT变量说明
• 5.2 复杂形状烧结试件数值模拟结果分析
• 5.2.1 烧结前后收缩变形对比
• 5.2.2 烧结应力变化曲线
• 5.2.3 相对密度变化曲线
• 5.2.4 伸长率变化曲线
• 5.3 复杂形状烧结件的试验数据验证
• 5.3.1 模拟结果与前人文献结果对比
• 5.3.2 模拟结果与工厂试验数据对比
• 5.4 金属蜂窝载体烧结件的数值模拟分析
• 5.4.1 金属蜂窝载体简介
• 5.4.2 金属蜂窝载体烧结过程分析
• 5.5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目