噴射沉積材料壓縮和軋制變形規(guī)律研究.pdf

1、噴射沉積技術(shù)作為一種先進的材料制備新技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于制備合金及金屬基復(fù)合材料。然而噴射沉積材料通常存在一定量的孔隙，顆粒表面存在一定厚度的氧化膜，顆粒之間未能完全達到良好的冶金結(jié)合狀態(tài)，因此需要進行后續(xù)致密化和塑性變形才能獲得理想的組織和性能。本文對噴射沉積多孔材料的致密化和塑性變形規(guī)律及機理進行了深入的研究。通過對噴射沉積材料的壓縮和軋制變形規(guī)律及斷裂行為的研究，揭示了變形工藝條件對多孔材料變形行為和斷裂行為的影響規(guī)律。采用兩種

2、新型的軋制工藝，有效地提高了多孔材料的軋制成形性能，避免了噴射沉積材料軋制過程中裂紋的形成和擴展，這對噴射沉積多孔材料的致密化和塑性變形的研究具有重要的指導(dǎo)意義，有利于噴射沉積材料的產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用。本論文的主要研究內(nèi)容和研究結(jié)論如下： (1)對噴射沉積FVS0812耐熱鋁合金材料的室溫和高溫壓縮變形和斷裂行為進行了研究。 在不同摩擦條件下對噴射沉積材料進行了室溫壓縮實驗，通過測量圓柱體試樣表面網(wǎng)格變形前后尺寸的變化，確

3、定了高向與徑向應(yīng)變。實驗結(jié)果表明，噴射沉積材料的室溫壓縮變形具有以下特點：材料的相對密度在壓縮變形初期增加很快，此后隨著壓縮應(yīng)變的增加，密度變化趨于平緩；在軸向應(yīng)變相同時，噴射沉積材料的徑向應(yīng)變比致密材料的小，側(cè)面鼓形現(xiàn)象不明顯，因鼓形而造成的周向拉應(yīng)力也較??；顯微組織觀察結(jié)果表明，噴射沉積材料壓縮致密化過程中孔洞的變形經(jīng)歷了如下過程：孔洞塌陷變形；大尺寸孔洞變形為分散分布的小孔洞；孔洞延伸并壓縮變形為線狀；孔洞消失。 在Gle

4、eble-1500熱模擬試驗機上對噴射沉積材料熱壓縮流變行為進行了系統(tǒng)的研究。實驗結(jié)果表明，與致密金屬相比，在高溫壓縮變形過程中噴射沉積材料的應(yīng)變硬化現(xiàn)象突出，在本實驗條件下沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象；多孔材料流變應(yīng)力呈穩(wěn)態(tài)特征的臨界變形溫度和應(yīng)變速率比致密材料大；當應(yīng)變速率較小時，變形溫度對徑向應(yīng)變的影響較明顯，徑向應(yīng)變隨變形溫度的升高而增加。 噴射沉積材料壓縮斷裂行為的研究結(jié)果表明：接觸表面的摩擦系數(shù)越大，圓柱形試樣由于變形

5、不均勻而造成的鼓形越明顯，出現(xiàn)周向裂紋的應(yīng)變也越??；接觸表面的摩擦系數(shù)越小，上下表面越容易形成裂紋。多孔材料壓縮變形的斷裂應(yīng)變隨著變形溫度的升高而增大。 (2)對噴射沉積多孔材料的軋制變形規(guī)律和斷裂行為進行了研究。根據(jù)軋制前后軋件尺寸、軋件表面網(wǎng)格尺寸的變化特點，研究了噴射沉積材料的軋制變形規(guī)律。多孔材料的軋制變形行為具有如下特點：當高向變形量相同時，多孔材料的寬展和延伸比致密材料的小；多孔材料軋制變形時的高向變形不均勻，即使當

6、軋制道次變形量達到40％，軋件的表面變形仍然大于中間部位的變形；噴射沉積多孔材料的軋制塑性泊松比正比于材料的相對密度，當坯料的初始孔隙度為15.6％時，軋制塑性泊松比約為0.25左右。在噴射沉積材料軋制變形過程中，應(yīng)力狀態(tài)對致密化速度有明顯影響，增加靜水壓力可以加快材料的致密化速度，改善材料的成形性能。 由于存在孔洞以及材料內(nèi)部顆粒未達到良好的冶金結(jié)合狀態(tài)，噴射沉積材料在軋制過程中容易形成層裂和表面橫向裂紋。當坯料的初始孔隙度為

7、15～18％時，表面橫向裂紋往往出現(xiàn)在軋制變形量達到15～25％時，而不是在軋制起始階段。 (3)噴射沉積多孔材料變形和斷裂規(guī)律的研究結(jié)果表明，在噴射沉積材料致密化變形階段，適當減小拉應(yīng)變，提高其致密化速度，可以改善其變形性能。據(jù)此提出了噴射沉積多孔材料的包套軋制變形工藝，研究了不同包套材料對多孔材料軋制變形和致密化規(guī)律的影響。實驗結(jié)果表明，復(fù)合包套軋制工藝可以明顯減少變形過程中裂紋的形成和擴展，提高噴射沉積多孔材料的軋制成形性

8、能。采用噴射沉積多孔材料“內(nèi)鋁外不銹鋼”復(fù)合包套軋制工藝，成功制備了厚度為0.6mm的噴射沉積FVS0812耐熱鋁合金薄板。薄板組織細小均勻，晶粒尺寸為300～500nm，Al13(Fe,V)3Si第二相尺寸為30～70nm左右；室溫及高溫力學性能優(yōu)良，室溫時σs=357Mpa，σb=415MPa，δ=14.4％;300℃時σs=162MPa，σb=213MPa，δ=5.4％。FVS0812軋制薄板具有優(yōu)良的室溫及高溫力學性能，可歸因于

9、彌散分布在基體上、高溫穩(wěn)定性好的Al13(Fe，V)3Si第二相，該相在580℃保溫2h、540℃保溫100h、600℃保溫1.5h退火后，均沒有明顯粗化。 (4)論文研究了了兩種全新的噴射沉積多孔材料軋制工藝，即“外框限制軋制”和“陶瓷顆粒包覆軋制”，并成功地應(yīng)用于噴射沉積多孔材料的軋制變形，明顯改善了多孔材料的軋制成形性能，避免了軋制過程中裂紋的形成和擴展。 外框限制軋制工藝實際上是在軋機上實現(xiàn)的多孔材料的連續(xù)的模壓

10、過程，通過外框限制了軋件的縱向和橫向流動，增強了多孔材料所處的靜水壓力狀態(tài)，并且外框?qū)埣鸬搅肆己玫谋匦Ч?，有效地提高了材料的軋制成形性能和致密化速度，避免了軋制過程中裂紋的形成。實驗結(jié)果表明，采用外框限制軋制時，噴射沉積材料在變形量達到49.5％時仍不會形成表面裂紋，而在常規(guī)軋制變形中，當軋制變形量為26.5％時軋件表面就已經(jīng)出現(xiàn)較多細密的橫向裂紋。 陶瓷顆粒包覆軋制工藝中采用陶瓷顆粒作為壓力傳遞介質(zhì)，陶瓷顆粒介質(zhì)被壓縮的

11、過程中會在各個方向上把壓應(yīng)力均勻地傳遞給多孔材料軋件，使材料發(fā)生致密化變形。在陶瓷顆粒包覆軋制過程中，當變形量達到一定程度以后，顆粒介質(zhì)對金屬流動的阻礙作用大大增強，使陶瓷顆粒包覆軋制時多孔材料的縱向變形明顯小于常規(guī)軋制，這一工藝特點在改善多孔材料軋制成形性能、減小和防止裂紋形成方面具有重要作用。實驗結(jié)果表明，采用陶瓷顆粒包覆軋制時，噴射沉積材料在變形量達到60％時仍不會形成表面裂紋，而在常規(guī)軋制變形中，當軋制變形量為26.5％時軋件表