纯铝粉末烧结材料多道次等通道转角挤压的实验研究

摘要

本文结合粉末材料塑性加工和等通道转角挤压的变形特点，提出粉末包套-等通道转角挤压工艺(powder in tubes-eq-ual channel angular pressing，PITS-ECAP)。以纯铝烧结材料为对象，实现了多道次挤压。研究了其变形前后组织和性能的变化。重点考察了不同挤压路径下材料微观组织结构的演化和性能的变化，分析探讨了粉末烧结材料在挤压过程中的细化、致密过程。在此基础上，通过实验的方法利用PITS-ECAP工艺成功将纯铝粉末颗粒直接固结成高致密度高性能的块体细晶材料。 实验表明：具有粗大近等轴晶组织的初始试样相对密度为0.88、平均晶粒尺寸46.8μm左右，经过路径Bc四道次挤压后达到了完全致密、平均晶粒尺寸约为1.5μm，显微硬度由初始的24.5 kg/mm2升至50.9 kg/mm2，屈服强度由初始的41 MPa提高到了120MPa左右。路径A和Bc的细化效果明显由于路径C。 通过光学显微镜观察了不同路径下各道次挤压后X面和Y面上显微组织的演化规律。根据立方体元素扭转模型，分析了三种不同挤压路径剪切方式的特征，解释了不同路径挤压下材料显微组织的演化规律。通过对各道次挤压件横截面硬度分布进行测试表明：单道次挤压后硬度分布不均匀，随着挤压道次的增加，分布趋于均匀。经过不同路径挤压后获得的硬度分布均匀程度比较可知，路径Bc优于路径C，优于路径A。 通过透射电镜观察了Bc路径挤压下各道次微观结构的变化。分析认为静水压力、剪切特征和应变累积等因素的共同作用是烧结材料在ECAP过程中晶粒细化的主要因素。在三者共同的作用下，细化经历孔隙闭合，基体组织发生交互作用、原始粗晶粒发生剪切变形，产生高密度位错、位错发展为位错胞、位错墙、形成大量的接近微米尺度的亚晶这一过程。通过孔隙变形闭合模拟实验的研究，本文认为PITS-ECAP过程中，高静水压力和大剪切变形是材料能够得以有效致密的关键所在。在多道次的挤压中，挤压路径对孔隙的变形、致密效果有着重要的影响。 在上述实验研究的基础上，本文在较低的150℃下，采用PITS-ECAP工艺，成功将纯铝粉末颗粒直接固结成相对密度94.5％、平均晶粒尺寸为12.3μm的块体细晶材料，变形温度远远低于传统烧结温度。挤压后材料的硬度、屈服强度分别达到了45.7 kg/mm2、74.9 MPa，明显高于变形工业纯铝和纯铝烧结材料。

目录

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论文说明：图表目录

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致谢

第一章 绪 论

1.1大塑性变形法简介

1.2等通道转角挤压工艺的研究进展概述

1.2.1 ECAP工艺原理

1.2.2 ECAP工艺参数

1.3 ECAP在粉末冶金材料中的研究现状及存在问题

1.4本课题的提出和主要研究内容

1.4.1课题来源

1.4.2课题研究的目的和意义

1.4.3研究内容

1.5本章小结

第二章 等通道转角挤压工艺的实验方案制订

2.1粉末包套-等通道转角挤压工艺

2.1.1粉末包套-等通道转角挤压的工艺原理

2.1.2包套的设计

2.2模具的设计

2.2.1凸模部分的设计

2.2.2凹模部分的设计

2.2.3加热温控装置的设计

2.3实验材料的制备及实验方法

2.3.1实验材料

2.3.2坯料的制备

2.3.3实验设备

3.3.4纯铝烧结材料PITS-ECAP实验

2.4测试方法

2.4.1相对密度的测定

2.4.2力学性能测试

2.4.3组织形貌观察

2.5本章小结

第三章 组织演化规律及性能研究

3.1不同道次挤压路径下试样的显微组织

3.1.1挤压前试样的显微组织

3.1.2一道次挤压

3.1.3两道次挤压

3.1.4四道次挤压

3.2挤压路径对晶粒形态、大小的影响

3.2.1挤压路径对晶粒形态的影响

3.2.3挤压路径对晶粒大小的影响

3.3不同道次挤压路径下试样的力学性能

3.3.1硬度的分析

3.3.2力学性能的分析

3.4本章小结

第四章 纯铝烧结材料PITS-ECAP中的致密、细化机理的研究

4.1透射电镜组织

4.1.1一次挤压后的微观结构

4.1.2两次挤压后的微观结构

4.1.3四次挤压后的微观结构

4.2晶粒细化机理分析

4.2.1小角度晶界的形成

4.2.2大角度晶界的形成

4.3致密机理的研究

4.3.1排水法测定相对密度

4.3.2应力状态对烧结材料致密效果的影响

4.3.3孔隙闭合致密机理

4.3本章小结

第五章 纯铝粉末颗粒的包套-等通道转角挤压

5.1纯铝粉末颗粒PITS-ECAP实验

5.2实验结果与分析

5.2.1显微组织结果及分析

5.2.2相对密度的测定

5.2.3强度的测试

5.3本章小结

第六章 全文总结

参考文献

硕士期间发表论文和参与科研项目情况