铁基粉末的多场耦合成形与烧结一体化技术研究

摘要

以放电等离子烧结为代表的电场、温度场和应力场耦合粉末成形与烧结一体化技术作为一项制备高密度、高性能粉末冶金材料和纳米块状材料的新兴技术已引起了国内外学者的广泛关注。然而，相关研究表明放电等离子烧结过程中存在较大的径向烧结温度差，从而影响了烧结材料的组织和性能均匀性。有研究者提出并通过数值模拟证实在放电等离子烧结过程中施加轴向交变磁场与脉冲电场耦合可改善烧结体径向温度场的方法。不过要在如此高的烧结温度下耦合一个较强的交变磁场是非常困难的，对磁场系统的耐热性能要求极为苛刻，以致迄今尚未见在采用放电等离子烧结过程中耦合交变磁场烧结粉末的研究和应用。为此，本文提出了在电场、温度场和应力场基础上耦合外加脉冲磁场的方法，并对Fe-2Cu-2Ni-1Mo-0．8C（wt．％）铁基混合粉末的电、磁、应力和温度四场耦合成形与烧结一体化技术着重进行以下几方面的研究。
　　 研究了铁基粉末的电、磁、应力和温度四场耦合烧结工艺。结果表明，在电场、温度场和应力场基础上耦合外加脉冲磁场，能显著促进铁基粉末的烧结，促进碳及其它合金元素向铁中的扩散，提高烧结材料的密度、硬度；同时能提高铁基合金材料的抗弯强度，但耦合强度过大的脉冲磁场反而使材料的抗弯强度降低。当脉冲电流的峰值为2700A，基值电流为360A，频率为50Hz，占空比为50％，烧结时间为3min时，通过耦合2．36MA/m的脉冲磁场，烧结材料的断口形貌呈现韧性断裂特征，此时烧结材料的抗弯强度最高，达1234．86MPa。
　　 通过对铁基粉末的电、磁、温度、应力四场耦合成形与烧结一体化过程的分析，发现在电场、温度场和应力场基础上进一步耦合外加脉冲磁场，能改善烧结温度场的均匀性，促进碳及其它合金元素向铁中的扩散，同时促进烧结颈的长大和新的烧结颈的形成。揭示出电场和磁场间的电磁力对烧结过程的促进作用，是多场耦合粉末成形与烧结一体技术所特有的一种烧结机制。
　　 对电、磁、应力和温度四场耦合烧结（成形）铁基合金的摩擦磨损性能进行了研究。研究表明，在电场、温度场和应力场基础上进一步耦合适当的脉冲磁场，能改善铁基合金材料的耐磨性，当脉冲峰值电流为2700A，基值电流为360A，频率为50Hz，占空比为50％，烧结时间为3min时，耦合的脉冲磁场强度为2．36MA/m时，铁基合金的耐磨性能最佳，此时磨损表面的磨损机制主要为氧化磨损和磨粒磨损。
　　 最后，采用数值模拟和试验相结合的方法，分析了电场、温度场和应力场三场耦的放电等离子烧结过程中温度场的不均匀性。为进一步减小烧结温度场的不均匀性，提出在粉末试样与模具之间加入石墨纸改善温度场的方法。此外，还利用ANSYS软件的二次开发功能，初步开发出粉末多场耦合烧结（成形）专用模拟系统。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 粉末固结技术研究进展

1.2.1 热压烧结技术

1.2.2 微波烧结技术

1.2.3 激光烧结技术

1.2.4 放电等离子体活化烧结技术

1.2.5 多场耦合作用下的烧结技术

1.3 粉末冶金材料的摩擦磨损性能研究

1.4 本课题的研究的目的、意义和主要内容

第二章 铁基粉末的多场耦合成形与烧结一体化工艺研究

2.1 引言

2.2 实验设备、材料及方法

2.2.1 实验设备

2.2.2 实验材料

2.2.3 实验方法

2.3 多场耦合成形与烧结一体化工艺

2.3.1 脉冲磁场的影响

2.3.2 脉冲电场的影响

2.3.3 烧结时间的影响

2.4 本章小结

第三章 多场耦合成形与烧结铁基合金的力学及摩擦磨损性能研究

3.1 引言

3.2 试验材料、设备及方法

3.2.1 实验材料

3.2.2 实验设备及方法

3.3 多场耦合成形与烧结铁基合金的抗弯强度研究

3.3.1 脉冲磁场的影响

3.3.2 脉冲电流占空比的影响

3.3.3 烧结时间的影响

3.4 多场耦合成形与烧结铁基合金的摩擦磨损性能研究

3.4.1 脉冲磁场的影响

3.4.2 试验载荷的影响

3.4.3 影响铁基粉末冶金材料摩擦磨损的主要因素

3.4.4 多场耦合铁基粉末冶金材料的摩擦磨损机理

3.5 本章小结

第四章 多场耦合烧结过程温度场的数值模拟

4.1 引言

4.2 基于ANSYS二次开发的粉末SPS专用模拟系统

4.2.1 试验设备及试验条件

4.2.2 SPS烧结过程中粉末体中温度场模型的建立

4.2.3 边界条件及参数设定

4.2.4 基于APDL的粉末SPS专用分析程序二次开发

4.3 模具材料对SPS烧结制备铁基合金温度场的影响

4.3.1 电流密度分布

4.3.2 温度分布

4.3.3 热流密度分布

4.4 模具改进后对SPS烧结制备铁基合金温度场的影响

4.4.1 电流密度分布

4.4.2 温度分布

4.4.3 实验验证

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢