粉末冶金成形技術(shù)論文(2)
粉末冶金成形技術(shù)論文
粉末冶金成形技術(shù)論文篇二
熱等靜壓技術(shù)在粉末冶金領(lǐng)域中的應(yīng)用
[摘 要]本文介紹了熱等靜壓燒結(jié)致密化機(jī)理，同時(shí)描述了熱等靜壓技術(shù)在制備高性能粉末冶金制件的應(yīng)用及研究。展望了熱等靜壓技術(shù)在粉末冶金領(lǐng)域中的發(fā)展。
[關(guān)鍵詞]粉末冶金 熱等靜壓
中圖分類號(hào)：TF124.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X(2015)47-0054-02
1、概述
粉末冶金(Powder Metallurgy)是采用金屬、金屬間化合物、金屬-非金屬粉末通過成形-燒結(jié)制造工程材料、功能材料及其異型制件的工藝技術(shù)，粉末冶金能制造出傳統(tǒng)熔鑄和其它加工方法所不能制備的具有獨(dú)特性能的材料和制件。而采用傳統(tǒng)粉末冶金工藝生產(chǎn)的制件中存在大量的孔隙和缺陷，密度低，制件的強(qiáng)度比相同材料的鑄件或鍛件要低約20%-30%，極大限制了大規(guī)模推廣和使用。熱等靜壓是在高溫高壓下同時(shí)實(shí)現(xiàn)粉末的成型和燒結(jié)，一次制備成品。用熱等靜壓制得的制件晶粒細(xì)小均勻，密度接近理論密度，并且組織分布均勻，且具有優(yōu)異的機(jī)械性能和物理性能;克服了傳統(tǒng)粉末冶金制件由于致密性低而導(dǎo)致使用上的技術(shù)障礙，使粉末冶金技術(shù)得以更加廣泛的推廣和應(yīng)用。
2、熱等靜壓技術(shù)及燒結(jié)致密化機(jī)理
熱等靜壓技術(shù)是將封裝包套放置到密閉的高壓容器中，向包套施加各向均等靜壓力的同時(shí)施以高溫，在高溫高壓作用下，使得包套軟化并收縮，擠壓內(nèi)部粉末使其經(jīng)歷粒子靠近及重排、塑性變形、擴(kuò)散蠕變?nèi)齻€(gè)階段后，實(shí)現(xiàn)粉末體的燒結(jié)致密。
(1)粒子靠近及重排階段
處理前，包套中粉末隨機(jī)堆疊，存在大量孔隙，密度低。在處理時(shí)，包套在高溫高壓下軟化收縮，粉末粒子受壓力作用下發(fā)生平移或轉(zhuǎn)動(dòng)而相互靠近，同時(shí)某些粉末粒子被擠進(jìn)臨近空隙之中，而且一些較大的搭橋孔洞出現(xiàn)坍塌;這樣一來(lái)，粒子的臨近配位數(shù)明顯增大，從而使得粉末體的空隙大大減少，相對(duì)密度迅速提高。
(2)塑性變形階段
當(dāng)?shù)谝浑A段結(jié)束后，在高溫高壓繼續(xù)作用下，粉末粒子接觸面上的壓應(yīng)力增加、塑性流動(dòng)的臨界切應(yīng)力降低，當(dāng)粉末體承受的壓應(yīng)力超過其屈服切應(yīng)力時(shí)，將以滑移方式產(chǎn)生塑性變形;粉末粒子發(fā)生大量塑性流動(dòng)后，粉末體的相對(duì)密度迅速接近理論密度值，粉末粒子基本上連成一片整體，殘留的氣孔已經(jīng)不再連通，而是彌散分布在粉末基體之中。
(3)擴(kuò)散蠕變階段
當(dāng)塑性變形的機(jī)制不再起主要作用時(shí)，殘存不規(guī)則的狹長(zhǎng)氣孔在高溫高壓繼續(xù)作用下，將其球化成圓形，所占體積分?jǐn)?shù)也將不斷減小，直至消除;同時(shí)彌合界面存在著濃度梯度、溫度梯度、高壓所產(chǎn)生的壓力梯度，致使在彌合界面處會(huì)進(jìn)行擴(kuò)散蠕變，粉末體最終得以燒結(jié)致密。
3、熱等靜壓技術(shù)在粉末冶金領(lǐng)域中的應(yīng)用及研究
熱等靜壓工藝在粉末冶金成形工藝中占有十分重要的地位，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用?？梢詫?duì)難加工材料(如鈦合金、高溫合金、粉末鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷等材料)成形和致密化;同時(shí)能生產(chǎn)基本不需要機(jī)加工的近終形部件，可提高原材料的使用率和機(jī)加工效率，常用于整體成形許多常規(guī)方法難以成形的零件，特別適合于航空航天、船舶、武器設(shè)備、核設(shè)施、發(fā)電設(shè)備等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大應(yīng)用領(lǐng)域。
3.1在粉末冶金鈦及鈦合金方面的應(yīng)用研究
鈦合金因具有高強(qiáng)度、高韌性、抗氧化及耐腐蝕的特性，廣泛應(yīng)用于航天航空、艦船和化工等領(lǐng)域。用熱等靜壓技術(shù)制備的粉末鈦合金，不僅簡(jiǎn)化了熔煉工藝和切削工序，而且合金組織更趨均勻，性能明顯改善。鈦合金的熱等靜壓粉末冶金技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)與傳統(tǒng)的鍛材加工技術(shù)相比，二者材料性能接近，但粉末冶金技術(shù)易于制備形狀復(fù)雜的部件，且所制備的部件基本為近凈形，可節(jié)省大量原材料，減少機(jī)械加工，降低成本;視形狀復(fù)雜程度，與傳統(tǒng)方法相比，成本可降低20%-50%[1-3]。(2)與鈦合金的鑄造技術(shù)相比，二者都是近凈形工藝，但粉末鈦合金具有更優(yōu)良的性能，熱等靜壓固結(jié)的粉末鈦合金可100 %致密，具有良好的微觀結(jié)構(gòu)，晶粒細(xì)小，組織均勻，無(wú)織構(gòu)、偏析現(xiàn)象，性能可達(dá)到不低于鍛件的水平[1，2]。(3)用鈦合金粉末冶金技術(shù)可制備高性能鈦基復(fù)合材料[3]。
航天材料及工藝研究所王亮等人研究了熱等靜壓技術(shù)制備Ti-6Al-4V 粉末鈦合金材料;溫度為900℃，氬氣壓力大于110MPa，保持時(shí)間為1h的工藝，制備的粉末鈦合金性能已全面超過TC4鍛棒的性能標(biāo)準(zhǔn)?？估瓘?qiáng)度最大為1040MPa，屈服強(qiáng)度最大為981MPa，延伸率最大為15.4%，斷面收縮率最大為39.6%[4]。航天材料及工藝研究所郎澤保等人研究了熱等靜壓技術(shù)制備Ti-Al系金屬間化合物材料;溫度為900-1000℃，氬氣壓力大于100MPa，保持時(shí)間為3-5h，制備的Ti3Al基合金( Ti-23Al-17Nb)具有良好的綜合性能，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到815MPa，并且在900℃具備了良好的力學(xué)性能和出色的高溫抗氧化性能[5]。北京航空材料研究院劉娜等人研究了熱等靜壓技術(shù)制備粉末冶金TiAl合金的熱變形行為;制備的粉末冶金TiAl合金的最終氧含量為720ppm，致密度為99.6%，具有良好的熱加工性，在溫度≥1050℃和應(yīng)變速率≤0.1s-1 的范圍下加工可以保證變形不開裂[6]。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所徐磊等人研究了熱等靜壓技術(shù)制備粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn合金;溫度為940℃，氬氣壓力為150MPa，保持時(shí)間為30min，合金性能已接近鍛造合金的水平，粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn合金晶粒細(xì)小均勻，無(wú)孔隙缺陷[7]。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所王剛等人采用熱等靜壓技術(shù)Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B 合金板材;溫度為1260℃，氬氣壓力為150MPa，保持時(shí)間為4h，獲得顯微組織細(xì)小均勻、無(wú)宏觀偏析和熱加工性能得到改善的軋制坯，細(xì)小均勻的組織有利于降低韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度，從而降低板材的軋制溫度;簡(jiǎn)化了采用鑄態(tài)TiAl 基合金所需要的均勻化和鍛造等加工步驟，節(jié)約成本和能源[8]。 3.2 在粉末高溫合金方面的應(yīng)用研究
作為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤、壓氣機(jī)盤、鼓筒軸和環(huán)形件等熱端轉(zhuǎn)動(dòng)部件的材料及其制造技術(shù)始終受到國(guó)內(nèi)外航空工程界的特別關(guān)注。隨著合金化程度的提高，合金的宏觀組織偏析愈加嚴(yán)重，工藝性能惡化，傳統(tǒng)工藝制造的高溫合金在高推比發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用受到制約;一般說來(lái)，當(dāng)合金中A1+Ti≥9%時(shí)是很難進(jìn)行鍛造的，用鍛造方法生產(chǎn)強(qiáng)度更高的高溫合金已不現(xiàn)實(shí)。粉末高溫合金具有組織均勻、晶粒細(xì)小、屈服強(qiáng)度高、疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用。熱等靜壓是粉末高溫合金成形不可缺少的工序，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)用粉末渦輪盤研制中的一道關(guān)鍵工藝，對(duì)盤件最后的組織、性能具有重要的影響。
北京航空材料研究院王旭青等人研究了采用熱等靜壓制備FGH96粉末高溫合金時(shí)，熱等靜壓溫度對(duì)對(duì)其顯微組織的影響;采用了四種溫度分別為1150℃、1170℃、1190℃、1210℃，氬氣壓力為130MPa，保持時(shí)間為3h的工藝，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，提高熱等靜壓溫度可以促進(jìn)FGH96合金消除殘余枝晶，促進(jìn)再結(jié)晶及再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大。到1190℃時(shí)，枝晶完全消除，再結(jié)晶組織較為均勻;可以促進(jìn)一次γ′相溶解和二次γ′相形核和長(zhǎng)大，獲得良好的綜合性能[9]。北京航空材料研究院何峰等人研究了熱等靜壓技術(shù)制備粉末Udimet720合金;溫度為1130℃，氬氣壓力為103MPa，保持時(shí)間為4h，合金的性能與變形(擠壓加鍛造)合金的相當(dāng)，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤[10]。航天材料及工藝研究所常健等人研究了熱等靜壓技術(shù)制備粉末鎳基高溫合FGH4586;溫度為1200℃，氬氣壓力為140MPa，保持時(shí)間為3h，合金完全致密，密度達(dá)到8.38g/cm3，能夠使碳化物在合金晶內(nèi)和晶界均勻析出，獲得均勻的組織和較佳綜合力學(xué)性能[11]。鋼鐵研究總院國(guó)為民等人研究了熱等靜壓技術(shù)制備FGH95合金;溫度為1130℃，氬氣壓力為103MPa，保持時(shí)間為4h的工藝，合金具有良好的綜合力學(xué)性能，其中拉伸、蠕變、持久和疲勞等主要力學(xué)性能指標(biāo)都達(dá)到或超過了A 級(jí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。抗拉強(qiáng)度最大為1673MPa，蠕變最小為0.037%，持久最長(zhǎng)為140h，疲勞大于5000次[12]。
3.3 在粉末鋼方面的應(yīng)用研究
熱等靜壓制備粉末冶金鋼在國(guó)外已經(jīng)非常廣泛，已經(jīng)有大量專業(yè)制備粉末鋼的國(guó)際知名的企業(yè)，如奧地利的Bohler、美國(guó)的Carpenter、法國(guó)Erasteel以及瑞典的Uddeholm等，產(chǎn)品涉及到工具鋼、模具鋼、雙相不銹鋼等多種牌號(hào)，每年有2萬(wàn)噸左右的產(chǎn)量。而國(guó)內(nèi)發(fā)展較慢，只有少數(shù)專業(yè)機(jī)構(gòu)在對(duì)其進(jìn)行研究和小批量的生產(chǎn)。
鋼鐵研究總院況春江等人研究了熱等靜壓技術(shù)制備粉末高氮無(wú)鎳不銹鋼;溫度為1150℃，氬氣壓力為130MPa，保持時(shí)間為3h的工藝，所得制件抗拉強(qiáng)度高于850 MPa，屈服強(qiáng)度在500到580 MPa之間，延伸率為40%-50%，顯示出優(yōu)異的耐蝕性能，性能遠(yuǎn)高于304和316L不銹鋼[13]。安泰科技股份有限公司盧廣鋒等人研究了熱等靜壓技術(shù)制備粉末高速鋼T15合金材料;溫度為1100-1150℃，壓力為110MPa，保持時(shí)間為3h的工藝，制得無(wú)疏松、孔洞等缺陷，碳化物均勻細(xì)小，致密度達(dá)到100%的坯料;通過有效工藝控制，獲得了氧含量小于150×10-6，晶粒度大于1l級(jí)，碳化物尺寸2-4μm，硬度67 HRC，抗彎強(qiáng)度4400 MPa的性能[14]。安泰科技股份有限公司李小明等人通過氣霧化制粉-熱等靜壓工藝成功制備了含釩9.75%冷作模具鋼;溫度大于1100℃，壓力大于110MPa，保持時(shí)間為3h的工藝，制備的樣品相對(duì)密度達(dá)到100%[15]。上海日硝保溫瓶膽有限公司王恩權(quán)等人研究熱等靜壓技術(shù)制備AISI304不銹鋼;溫度為1100℃，壓力為196MPa，保持時(shí)間為1h的工藝，制備的樣品具備良好塑性，伸長(zhǎng)率達(dá)到了75%-85%[16]。
3.4 在WC-Co硬質(zhì)合金的應(yīng)用研究
硬質(zhì)合金是以高硬度、耐高溫、耐磨的碳化鎢為主要成分，用抗機(jī)械沖擊和熱沖擊好的金屬作粘結(jié)劑，經(jīng)粉末冶金方法燒結(jié)而成的一種多相復(fù)合材料。傳統(tǒng)的制備工藝是低壓燒結(jié)方法，但碳化物顆粒易長(zhǎng)大，且內(nèi)部存在孔隙和缺陷。近年來(lái)熱等靜壓應(yīng)用于WC-Co硬質(zhì)合金的制備中，可有效降低燒結(jié)溫度，致使碳化物顆粒細(xì)小，同時(shí)對(duì)大尺寸硬質(zhì)合金制件的制備中大大降低了制件內(nèi)部缺陷和孔隙，近年來(lái)研究也非?；钴S。
遼寧科技大學(xué)齊志宇等人采用高壓熱等靜壓法對(duì)超細(xì) WC-10Co復(fù)合粉燒結(jié)體進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ，在1360℃的溫度，壓力140MPa，其抗彎強(qiáng)度較真空燒結(jié)的提高19.95 %，致密度最高達(dá)到了97.92% ，同時(shí)細(xì)化了碳化物晶粒，提高了合金的機(jī)械性能[17]。鋼鐵研究總院陳飛雄等人研究了熱等靜壓法制取大尺寸復(fù)合硬質(zhì)合金軋輥，溫度為1200℃， 壓力為100 MPa， 保持時(shí)間為2h的工藝，所制備的復(fù)合輥中硬質(zhì)合金層致密度達(dá)到100%，無(wú)明顯孔洞和缺陷，且硬質(zhì)合金外層與鐵基復(fù)合材料內(nèi)層獲得良好的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)900MPa[18]。安泰科技股份有限公司賈佐誠(chéng)等人研究了熱等靜壓技術(shù)制備WC-15Co、WC-22Co 硬質(zhì)合金;溫度1350℃，保溫30 min ，氬氣氣氛，壓力5MPa ，保壓60min的工藝，所得制品幾乎沒有孔隙，相對(duì)密度接近100%，抗彎強(qiáng)度分別為3200 MPa、3300 MPa，比傳統(tǒng)工藝分別提高了7%、30%[19]。
3.5 在其它粉末冶金材料方面的應(yīng)用研究
除了上述方面的應(yīng)用，熱等靜壓技術(shù)還在粉末冶金工藝制備的難熔金屬、金屬鈹、高性能陶瓷和金屬陶瓷復(fù)合材料等方面也得到廣泛應(yīng)用。
北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院郎利輝等人研究了熱等靜壓技術(shù)制備高比重合金(93W-4.45Ni-2.2Fe-0.35Co-0.05Mn )合金;溫度為1300℃，壓力為140MPa，保持時(shí)間為4h的工藝，所得的材料力學(xué)性能最優(yōu)， 屈服強(qiáng)度提高16.5%， 抗拉強(qiáng)度提高16.1%， 斷裂應(yīng)力提高85.3%，同時(shí)，延伸率和斷面收縮率分別提高了46.7%和43.7%[20]。熱等靜壓成形法是近年剛新起的一種制備釩及釩合金的粉末冶金方法，制備的產(chǎn)品具有組織成分均勻、性能穩(wěn)定、近凈成形等優(yōu)點(diǎn)，是制備釩的理想工藝之一，中國(guó)工程物理研究院鮮曉斌等人研究了熱等靜壓技術(shù)制備純釩材料;溫度為1100-1350℃，壓力為150±10MPa，保持時(shí)間為2h的工藝，結(jié)果表明：熱等靜壓溫度在1250℃以上可以實(shí)現(xiàn)全致密，采用1250℃溫度處理的材料綜合性能最佳，抗拉、屈服強(qiáng)度為701MPa、634MPa，延伸率為22.4%[21]。H.V.A tkinson利用直接熱等靜壓工藝成功制備出15vol%SiC增強(qiáng)A357鋁合金復(fù)合材料，通過熱等靜壓可以顯著減少該類制品的氣孔率，同時(shí)其彎曲強(qiáng)度也得到提高[22]。熱等靜壓技術(shù)用于陶瓷材料的生產(chǎn)，改善了成型和燒結(jié)條件，使材料的孔隙度明顯降低，從而提高了材料的性能，并為制造陶瓷材料提供了有效方法。如SeanE.Landwehr等人研究熱等靜壓制備的ZrC-Mo金屬陶瓷復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，在1800℃，200MPa和1h的條件下，密度可以達(dá)98%以上，具有較高的硬度、彈性模量、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性[23]。 4 結(jié)語(yǔ)及展望
隨著近年來(lái)熱等靜壓技術(shù)的飛速發(fā)展，熱等靜壓技術(shù)成為高性能粉末冶金材料制備的一項(xiàng)新技術(shù)。但在將來(lái)還亟待對(duì)以下問題進(jìn)行研究和探索：(1)加強(qiáng)對(duì)不同粉末材料熱等靜壓數(shù)據(jù)的積累，建立熱等靜壓粉末冶金材料數(shù)據(jù)庫(kù)。(2)從理論上確定粉體材料性能在熱等靜壓條件下與成分、組織結(jié)構(gòu)的新關(guān)系。這些新關(guān)系的確立具有重大理論價(jià)值與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。(3)加快熱等靜壓近終成形技術(shù)的研究，將計(jì)算機(jī)模擬引入到熱等靜壓粉末冶金材料尺寸的精確控制，真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜材料的熱等靜壓近終成形。(4)將噴射成型、注射成型等其他粉末冶金技術(shù)與熱等靜壓技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)更多高性能、低成本粉末冶金材料及制品。
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