现代材料成型新技术.doc.doc

《现代材料成型新技术》讲 义 重庆大学 机械工程学院材料加工工程 2004．5．26 课 程 主 要 内 容 1．粉 末 冶 金 技 术 2．金 属 多 孔 材 料 3．定向凝固和单晶铸造 4．金 属 超 塑 性 5．连续铸造技术 6．快速凝固技术和材料 7．金属半固态成形技术 第一章 粉 末 冶 金 1．概 述 1.1粉末冶金的工艺：制粉， 成型， 烧结 （发展到两者合一,HIP，或者三者合 一，Osprey,以及烧结后的锻造） 1.2优点： 近终成型（用于高硬度材料，不利于机械加工零件） 合金成分设计，可在宽范围控制成分（提高固溶度） 可以得到复杂零件（锻造得不到） 组织可控（铸造组织粗大） 可制备人工复合材料 1.3 缺点： 粉末和模具成本高 不适合大零件成型 存在孔隙 1.4发展方向 简化制粉工艺，提高产出率 全致密工艺（热等静压） 2制粉 1传统制粉：电解，球磨，气体雾化， 水雾化 （粒径大：≥200μm；粒径分散度大；产出率低） 2．2离心雾化和快速凝固制粉 2.2.1旋转电极法（见图1.1、图1.2） 图1.1 旋转电极法原理图 图1.2 旋转电极过程中液膜破碎、球形粉形成原理图 250转/秒 ≥150μm 2.2.2离心雾化法 图1.3 不同形式的离心雾化 250转/秒 2.2.3高速转轮快速凝固法(RST)(图1.3C) 改进的离心雾化法： 提高冷却速度 (水冷旋转轮) （≥106 ℃ /秒）； 高速转轮（400-600转/秒） 优点： 微晶或非晶粉末；成分偏析小； 合金元素固溶度提高： 表1.1 通过RST提高合金元素在铝中的溶解度 合金 最大平衡溶解度 (at.%) RST得到的最大溶解度 (at.%) Cu 2.5(821 K) 18 Mn 0.7(923 K) 9 Si 1.6(850 K) 16 力学性能提高： 表1.2 用RST加入Li后，2024Al合金性能的改善 性 能 锻造态 加1%Li 加3%Li 屈服强度(MPa) 290 445 500 极限强度(MPa) 470 540 590 延伸率(%) 24 8 5 弹性模量(GPa) 72 78 86 107疲劳应力(MPa) 175 225 295 标准比强度 1.0 1.6 2.2 ( 在T4和T6热处理状态下。 可消除有害相（高温合金的σ相），材料韧性提高 得到亚稳组织，改变了合金共晶温度，共晶成分，扩大了合金成分范围，可以重新设计合金成分。 2.2.4超声波雾化 60000-80000Hz 速度：2马赫 ≤50μm 2.2.5真空雾化 图1.4 真空雾化原理图 2.2.6超细粉制备技术 气相沉积法： 激光-蒸发-沉积（1公斤装置） 产出率低； 粒径小； 0.1μm （SiC粉）(HIP)。 工艺过程： ——包套—抽真空—密封—加热（1000℃左右）—加压 ——最好的最昂贵的粉末冶金方法，可得接近理论致密度的材料； ——多向受力； ——集成型，烧结为一体。 (见图1.5, 陶瓷模成形原理) 图1.5 陶瓷模成形原理 烧结技术的进展 4.1 传统烧结： ——常压 ——固相烧结（粒子间原子固相扩散） 4.2技术进展 ——烧结与成型结合（热等静压），实现高压烧结； ——瞬时液相烧结：添加某元素在粒子边界形成少量液相，加速扩散，短期液相消失，提高烧结速度和烧结强度。 粉末冶金新材料 5.1工具材料 5.1.1硬质合金：（传统的粉末冶金材料） 1）镍基（Ni:10%-52%,Cr:10%-20%, W, C, Ti, Al, Fe）， 钴基（Co:10%-18%, Cr:10%-20%, C, W, Ti, Al, Fe）， 2）用途：高温工模具，(300℃-500℃)刀具 3） 粉末冶金材料进展 ——TiC,TiN涂层改善了硬质合金刀具硬度，可以调整(降低)合金元素用量，提高粉末冶金硬质合金的韧性； ——提高致密度 通过HIP致密度达99。99% ——寻求新的硬质点物质（除WC, TiC） 5.1.2粉末冶金高速钢和工具钢 1）高速钢：W(18%), Cr(4%), C(0.7%), Fe 高速车削刀具 工具钢:Mo(1%-8%),Cr(0.5%-12%), C(0.35%-1.0%), Fe 冷作和热作模具 2）粉末冶金进展 RSP:消除了偏析（WC成网状，铸造时），韧性，红硬性提高。 5.2粉末高温合金 1)合金特点 NiFe, TiFe, TiNi,TiAl为金属间化合