铜粉磁脉冲压实工艺特性与数值模拟研究

摘要

磁脉冲粉末压实技术属于一种高能率粉末压制成形技术，其具有压制力大、适用范围广、生产效率高、安全可靠性高、绿色无污染和易于实现自动化生产等优点。同时，它可以为难成形粉末材料的压实与复杂零部件的制备提供先进的、有效的途径，具有广阔的应用前景。本文对磁脉冲粉末压实工艺进行了初步探索，从相对密度、显微组织、显微硬度和拉伸性能等方面对压坯的性能进行了研究，对压实过程中粉末体致密化行为进行了数值模拟分析，并对压坯进行真空烧结，探究了烧结温度和放电参数对烧结体性能的影响规律。　　首先研究了在不同放电能量下制得的铜粉压坯的力学性能和微观组织，分析了放电能量对压坯相对密度、端面显微形貌、截面金相组织、显微硬度和拉伸性能的影响规律，并建立了相对密度与能量密度的函数模型。结果显示，当放电能量为20kJ时，压坯相对密度达到0.968，并且发现增大放电能量可以达到细化粉末颗粒的效果并且能够提高压坯密度分布的均匀化程度。拉伸断口显微形貌显示失效位置在铜粉颗粒界面结合处，说明压坯中的粉末颗粒在磁脉冲压制力作用下仅仅是机械地结合在一起。　　然后通过DIC技术获得了粉末压实过程中冲头的速度-时间曲线，并在MSC.MARC有限元软件中建立了磁脉冲粉末压实数值模型，主要分析了在磁脉冲压制过程中粉末体的相对密度、等效应力和温度的变化规律。结果显示压坯相对密度和等效应力沿模具壁呈现明显的梯度分布，而压坯中心区域的相对密度和等效应力分布相对均匀。随着放电能量的增加，压坯中心区域相对密度分布愈加均匀，而摩擦效应对压坯边缘处相对密度分布的影响愈加明显。同时发现温升主要集中在压坯与模具壁接触的区域，而压坯中心区域和下端面边缘处温度变化很小。　　最后采用真空烧结工艺对压坯进行烧结处理，主要分析了烧结温度和放电能量对烧结体相对密度、显微硬度以及拉伸性能的影响规律。结果表明铜粉压坯的最佳烧结温度为800℃，发现通过烧结能够增大压坯的致密化程度同时可以有效降低压制过程中加工硬化所产生的残余应力。当放电能量为20kJ，烧结温度为800℃，烧结体的综合性能最好，此时相对密度为0.981，显微硬度为72.4HV0.5，抗拉强度为224.7MPa，断裂吸能为6.81J。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 高能率粉末压制成形技术

1.2.1 爆炸压实法

1.2.2 放电等离子体烧结技术

1.3 磁脉冲粉末压实技术

1.3.1 磁脉冲粉末压实原理和特点

1.3.2 磁脉冲粉末压实研究现状

1.4 粉末压实数值模拟研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 实验方法

2.1 实验材料

2.2 磁脉冲粉末压实试验方法

2.3 性能测试

2.3.1 相对密度测试

2.3.2 显微硬度测试

2.3.3 室温静态拉伸测试

2.3.4 显微组织观察

第3章 铜压坯微观组织和性能

3.1 引言

3.2 相对密度分析

3.3 微观组织分析

3.4 显微硬度分析

3.5 拉伸性能分析

3.6 本章小结

第4章 磁脉冲粉末压实数值模拟

4.1 引言

4.2 磁脉冲粉末压实有限元模型的建立

4.2.1 冲头速度-时间曲线的获得

4.2.2 有限元模型建立

4.2.3 有限元模型验证

4.3 磁脉冲压实模拟结果

4.3.1 相对密度分析

4.3.2 等效应力及温度分析

4.4 磁脉冲压实机理分析

4.5 本章小结

第5章 铜压坯烧结体微观形貌和性能

5.1 引言

5.2 烧结工艺

5.3 烧结体致密度、显微硬度分析

5.3.1 烧结温度对烧结体致密度、显微硬度的影响

5.3.2 放电能量对烧结体致密度、显微硬度的影响

5.4 烧结体拉伸性能分析

5.4.1 烧结温度对烧结体拉伸性能的影响

5.4.2 烧结温度对烧结体拉伸显微断口的影响

5.4.3 放电能量对烧结体拉伸性能的影响

5.4.4 放电能量对烧结体拉伸显微断口的影响

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间取得的研究成果