稀土钕对泡沫钛的微观组织及抗压缩性能的影响研究

发布时间：2017-11-02 18:13

  本文关键词：稀土钕对泡沫钛的微观组织及抗压缩性能的影响研究

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【摘要】：多孔材料是当前材料界的一种新型的结构与功能材料,在很多领域都得到了应用。钛及钛合金具有低密度、高比强度、较宽的工作温度范围、良好的耐腐蚀性和生物相容性等优异性能。泡沫钛及其合金融合了钛合金与多孔金属的特性,能够减轻材料的重量而不削弱其强度,同时还有高的韧性、耐腐蚀性。虽然国内已经制备出了不同孔隙率的泡沫钛材料,但是基本都还停留在实验室研究的阶段,距离批量化的工业生产还有较大的一段距离,所以本文通过粉末冶金混合元素法制备造孔剂的体积分数为30%泡沫钛,以期改善泡沫钛烧结状态,从而提高泡沫钛的各种性能,为制备高性能、高孔隙率的泡沫钛材料提供理论依据和基础。针对孔隙率为30%左右的泡沫钛材料,在工艺优化方面,研究了压制压力、烧结温度和烧结时间三个影响因素对泡沫钛的宏观大孔结构、孔壁上的微观组织及抗压缩性能的影响,希望得到最佳的工艺参数。然后在这基础之上,再添加稀土钕作为促进烧结的增强剂,从宏观大孔孔壁的微观组织形貌、孔壁内部微观小孔、孔隙率、初始屈服强度、压缩应变、杨氏模量、物相和金相显微组织这几个方面研究稀土钕的不同添加量对泡沫钛组织性能影响,以期达到改善泡沫钛烧结状态,提高泡沫钛性能的实验目的。主要得出以下结论:(1)压制压力作为对烧结试样的性能影响十分重要的一个因素,适当的提高压制压力可改善金属颗粒之间的接触,可以提高生坯的致密度,提高材料的成型效果,阻碍晶粒的生长,有益于材料提高强度。但是压制压力过高时烧结过程中由于内应力的急剧消失会导致材料内部有裂纹的产生,致使烧结材料的致密度降低,力学性能下降。不同的基体材料及颗粒尺寸,不同的造孔剂及含量多少、颗粒尺寸,最佳的压制压力都有所不同,通过实验检测得知针对于造孔剂体积占30%的泡沫钛,最佳的压制压力为200MPa。(2)烧结温度同样作为对烧结试样性能影响特别重要的一个因素,在一定的温度范围内(基体材料熔点的2/3-3/4之间),随着烧结温度的提高,试样的烧结状态逐渐得到改善,力学性能也有所提高,但是当烧结温度达到一定高度时,烧结材料的力学性能也会达到一定水平,增长的幅度会很小。通过实验研究表明适宜的烧结温度为1250℃,其烧结试样的初始屈服强度高达374.03MPa。(3)烧结时间是指在高温烧结时的保温时间,对烧结试样的性能影响也很重要。烧结温度一定,在一定的时间范围内,随着烧结时间的延长,试样的烧结状态也逐渐得到改善,力学性能也会提高,但是当烧结过程完成时,再继续增长烧结时间,其意义就不大了。通过试验研究,本文实验中2h为最佳的烧结时间。(4)通过实验考察不同稀土钕的添加量对泡沫钛宏观大孔和微观小孔的影响,结果表明:稀土钕的添加对泡沫钛宏观大孔孔壁的微观组织形貌影响不大,但是随着稀土钕元素的添加及其含量的提高,孔壁内部微观小孔的尺寸有明显减小的趋势,且微观小孔的形状逐渐变为球形。(5)通过实验考察不同稀土钕的添加量对泡沫钛试样孔隙率的影响,表明:在一定的范围内(0 wt%-4 wt%),对于造孔剂体积分数占30%设计的泡沫钛试样的孔隙率随着稀土钕含量的增加而降低,主要是通过稀土钕的添加可以改善泡沫钛的烧结状态,致使孔壁内部的致密化程度提高而使得泡沫钛的孔隙率降低。(6)稀土钕的添加对泡沫钛试样的初始屈服强度影响不是很明显。试样的初始屈服强度均值都在374MPa左右。但是稀土钕的添加使得泡沫钛的压缩应变有了显著的提高,当稀土钕的添加量从0 wt%增加到4 wt%时,泡沫钛试样的压缩应变从5.21%增大到了7.15%,改善了泡沫钛材料的塑形。随着稀土钕添加量从0 wt%增加到4 wt%时,泡沫钛试样的杨氏模量从7.19GPa降低到5.24GPa。(7)考察不同稀土钕的添加量对泡沫钛物相和金相的影响:可能是由于添加量过少,或者在检测面上并没有稀土钕的分布而造成在做XRD时,没有检测出关于钕的物相。稀土钕的添加对泡沫钛材料在烧结过程中有细化晶粒的作用,从而也使得泡沫钛的致密程度得到提高,改善其力学性能。
【关键词】：泡沫钛 稀土钕 初始屈服强度 孔隙度 杨氏模量
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.23
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 泡沫钛及稀土添加国内外研究现状11-13
• 1.3 泡沫钛的结构特征13
• 1.4 多孔金属材料制备方法13-15
• 1.4.1 粉末烧结法14
• 1.4.2 中空球烧结法14
• 1.4.3 浆料发泡法14
• 1.4.4 熔体发泡法14
• 1.4.5 粉末冶金法14
• 1.4.6 渗流铸造法14
• 1.4.7 烧结溶解法14-15
• 1.5 泡沫钛的应用15-19
• 1.5.1 吸能缓冲材料15-16
• 1.5.2 吸声隔音材料16-17
• 1.5.3 催化剂载体17
• 1.5.4 电极材料17-18
• 1.5.5 生物医用材料18-19
• 1.6 稀土增强型泡沫钛材料19-20
• 1.6.1 稀土元素以及稀土元素的物理化学性质19
• 1.6.2 稀土元素的用途19-20
• 1.6.3 稀土元素对钛合金的增强作用20
• 1.6.4 稀土元素的添加形态20
• 1.7 本课题的研究意义和研究内容20-22
• 1.7.1 本课题的研究意义20
• 1.7.2 本课题的研究内容20-22
• 2 泡沫钛材料制备及分析方法22-32
• 2.1 引言22
• 2.2 实验方法22
• 2.3 实验材料22-26
• 2.3.1 Ti粉的选择22-23
• 2.3.2 造孔剂的选择23-25
• 2.3.3 稀土的选择25-26
• 2.4 实验室所用仪器设备26-29
• 2.5 试样的制备29-30
• 2.5.1 配粉、混料29
• 2.5.2 压制成型29-30
• 2.5.3 烧结30
• 2.6 检测分析手段30-32
• 3 粉末烧结制备泡沫钛的工艺研究32-46
• 3.1 引言32
• 3.2 压制压力对泡沫钛性能的影响32-36
• 3.2.1 压制压力对泡沫钛材料宏观形貌的影响32-33
• 3.2.2 压制压力对泡沫钛材料抗压缩性能的影响33-36
• 3.3 烧结温度对泡沫钛性能的影响36-40
• 3.3.1 烧结温度对泡沫钛材料微观组织结构的影响37-38
• 3.3.2 烧结温度对泡沫钛材料抗压缩性能的影响38-40
• 3.4 烧结时间对泡沫钛性能的影响40-44
• 3.4.1 烧结时间对泡沫钛材料微观组织结构的影响41-42
• 3.4.2 烧结时间对泡沫钛材料抗压缩性能的影响42-44
• 3.5 本章小结44-46
• 4 稀土钕对泡沫钛的烧结行为及组织性能的研究46-64
• 4.1 引言46
• 4.2 稀土钕添加对泡沫钛组织及性能的影响机理46-47
• 4.3 实验过程及检测分析47-62
• 4.3.1 泡沫钛材料内部的孔结构48-49
• 4.3.2 稀土钕对泡沫钛材料宏观大孔孔壁的微观组织形貌的影响49-50
• 4.3.3 稀土钕对泡沫钛材料孔壁内部微观小孔的影响50-51
• 4.3.4 稀土钕对泡沫钛材料孔隙率的影响51-55
• 4.3.5 稀土钕对泡沫钛材料抗压缩性能的影响55-57
• 4.3.6 稀土钕对泡沫钛材料压缩应变的影响57-58
• 4.3.7 稀土钕对泡沫钛材料杨氏模量的影响58-60
• 4.3.8 稀土钕对泡沫钛材料物相的影响60-61
• 4.3.9 稀土钕对泡沫钛材料金相的影响61-62
• 4.4 本章小结62-64
• 5 结论64-66
• 致谢66-68
• 参考文献68-74
• 附录74
• A. 作者在硕士学位期间发表的论文及专利74
• B. 作者在硕士学位期间参与的科研项目74
• C. 作者在硕士学位期间参与的学术活动74

【参考文献】

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本文编号：1132591