定向凝固规则多孔Cu-Cr合金的气孔结构及力学性能研究
发布时间：2019-09-18 21:17
【摘要】：金属-气体共晶定向凝固法,也称为Gasar,是一种利用气体(主要是氢气)在金属固-液两相中的溶解度差制备规则多孔材料的新工艺。所制得的多孔材料具有圆柱状定向排列的孔隙结构使该种材料不仅具有传统多孔材料的轻质、高比强度和比刚度等特点,而且还具有很多特殊的性能,比如：各向异性,小的应力集中效应、独特的声学、热学和电学性能使得该种材料在过滤器、自润滑轴承、气体分散器、热交换器等诸多领域都具有潜在的应用价值。目前采用Gasar工艺能够制备规则多孔纯金属,但是在合金中却难以得到规则的多孔结构。使得Gasar多孔材料在孔隙结构上所具有的特点和优势大打折扣,极大限制了规则多孔材料的使用范围。从应用的角度出发,合金化是提高Gasar多孔金属力学性能的最有效方式。但是目前人们对合金化条件下的Garsar凝固行为了解不多,还不能对其气孔结构进行有效的控制。主要表现在如下几个方面：首先,合金的凝固模式远比纯金属复杂,会对气泡的形核及长大过程产生重要影响；其次目前还缺少合金化条件下,基体组织与气孔生长之间的相互作用方面的研究；此外,气孔合并对于孔隙率和孔径有重要的影响,但是对于合金化条件下的气孔合并行为,国内外尚未见报道。本论文将针对上述二个问题展开研究。在纯氢气氛中,采用模铸法成功制备了多孔单相Cu-xCr(x=0、0.3、0.5wt.%)、亚共晶(x=0.8、1.0wt.%)、共晶Cu-1.3wt.%Cr和过共晶Cu-1.8wt.%Cr合金,实现了对多孔Cu-xCr合金气孔结构的控制。通过对多孔Cu-xCr合金的气孔结构参数(气孔率、气孔直径、气孔分布)的分析,明确了Cr含量、氢气压力和凝同速率对气孔结构的影响规律。结果表明：随Cr含量增加,多孔Cu-xCr合金气孔率变化不大,气孔直径先增大后减小再增大；随氢气压力增大,多孔Cu-xCr合金气孔率、气孔直径减小,气孔尺寸分布更均匀。基于质量守恒定律,建立了氢在合金熔体中溶解度的计算模型,并对多孔Cu-xCr合金的理论气孔率进行了预测,结果表明,理论计算和相应实验结果总体吻合较好。通过对气孔结构随Cr含量、氢气压力的变化规律的深入研究发现：氢在合金固、液相中的溶解度差是决定气孔率的主要因素。而气孔直径则与合金固、液界面前沿糊状区宽度有关,其变化规律与糊状区宽度一致。通过对Cr含量、氢气压力和凝固速率对多孔Cu-xCr合金基体组织影响的研究,获得了多孔Cu-xCr合金基体组织与气孔的相互作用及其对气孔形貌的影响规律。随着凝固速率下降,气孔的定向性变差与合金的凝固模式有关。当凝固模式为平面、胞状和柱状枝晶凝固时,能获得定向生长的气孔结构,当凝固模式由平面、胞状和柱状枝晶转变为等轴枝晶凝固后,气孔的规则性变差。此外,气孔在多孔单相Cu-xCr合金的晶内和晶界均能形核,而多孔亚共晶Cu-xCr合金中气孔主要在共晶前沿形核并长大。通过对定向凝固过程中的气孔合并行为及形貌的3D X射线断层扫描及分析,明确了气孔的合并现象与气孔内的压力密切相关。纯铜中的气孔合并通常都是长、短两个气孔之间进行,气孔合并的尺寸效应明显。多孔Cu-1.3Cr合金中的气孔合并也存在尺寸效应,随着气孔生长,气孔温度的下降会造成气孔压力下降。气孔长度越大,压力下降就越显著,因此较短气孔中的氢会向长的气孔进行传输,并最终促使气孔合并在一起。研究了多孔Cu-xCr合金的压缩性能。结果表明,Cr含量、气孔率、气孔直径及加载方向是影响多孔Cu-xCr合金压缩性能的主要因素。
【图文】：
图１．３邋Ｇａｓａｒ多孔材料应用ｗ逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋Ｇａｓａｒ邋ｐｏｒｏｕｓ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ川逡逑图１．３所示，有宇航工业中使用的超轻Ｍｇ板，水净化中使用的氧气发生器，高逡逑性能的过滤器和流体轴承和人工骨组织，＾＾及用作优良的散热器或运用在火箭和逡逑喷气发动机中承受高温的催化剂陶瓷载体逡逑目前，Ｇａｓａｒ工艺Ｗ及Ｇａｓａｒ多孔材料的研究开发得到了广泛的重视。其中，逡逑日本大阪大学的Ｎ沁ａｊｉｍａ课题组在制备工艺方面走在了世界前列，他们开发了模逡逑２逡逑
Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｒａｗｉｎｇ邋ｏｆ邋ｍｏｕｌｄ邋ｃａｓｔｉｎｇ邋ａｐｐａｒａｔｕｓ［７４１，邋（ａ）邋ｐｏｕｒ邋ｐａｃｋａｇｅ邋ｍｅｔｈｏｄ，邋（ｂ）邋ｄｏｕｂｌｅ逡逑ｐａｃｋａｇｅ邋ｍｅｔｈｏｄ，邋（ｃ）邋ｌｅａｋａｇｅ邋ｐａｃｋａｇｅ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑目前Ｇａｓａｒ研究学者采用模铸定向凝固工艺除了串恪出多孔Ｍｇｔ７５’７６］、Ｃｕ［ｉ９，Ｗ、Ｎｉ【气逡逑Ｆｅ［７８’７９］、ｓｉｆｗ’Ｗ等纯金属之外。在合金领域，，也用该种方法进行了多孔镇合金Ｐｉ］、逡逑镶合金ｔ８２ｌ、不诱钢心’８３’＾和铜钮合金的尝试。日本大阪大学Ｎａｋｊｉｍａ课题组采逡逑用模铸定向凝固法制备多孔不诱钢ｉＷ时发现，随着凝固高度的X椉樱嗫撞挥崭皱义掀卓拙吨鸾ピ龃螅咨け涞貌痪取Ｍ痹诙嗷胶辖鹬票福簦螅病福叮蹋瑁ㄍ迹保担╁义弦部吹嚼嗨葡窒螅咨ぜ痪龋自舱认陆担治龇⑾郑啾儒义希茫幔螅幔蚨嗫状拷鹗舻闹票福茫幔螅幔蚨嗫缀辖鸬闹票富共荒芡黄坪辖鸩牧先鹊悸实偷腻义衔侍狻Ｓ捎诓挥崭郑簦鳎椤⒁辖穑簦螅玻У娜鹊悸试兜陀诖客谀Ｖㄏ蚰谭椒ㄖ校义纤孀拍痰慕校蹋航缑嬖独胨渫蹋饶滩糠值汲龅娜攘恐鸾ケ渎义鲜沟霉蹋航缑媲把啬趟俣冉档停窃斐善捉峁共痪戎饕颉ｅ义献罱馊癫捎媚Ｖㄏ蚰坦ひ粘晒χ票赋隽硕嗫祝茫酰常矗叮鳎簦
本文编号：2537712
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