半固态粉末轧制7050铝合金带材的工艺及过程原理研究

发布时间：2017-08-05 04:18

  本文关键词：半固态粉末轧制7050铝合金带材的工艺及过程原理研究

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【摘要】：本文提出了一种新型金属带材近净成形技术—半固态粉末轧制(SSPR)。它结合了半固态轧制和粉末轧制的优点,为金属带材提供了一种新的节能节材、短流程、高性能的制备方法。目前国内外还未见关于半固态粉末轧制的研究。本文针对半固态粉末轧制这一技术本身所具有的特点,借鉴半固态轧制、粉末轧制和喷射轧制中较为成熟的理论,采用工艺实验与理论分析相结合的方法,揭示主要工艺参数与带材显微组织特征和力学性能之间的关系,分析轧制过程中带材的显微组织演变规律、结合机制、成形及致密化机理等,旨在为该技术的发展和实现连续、稳定生产提供技术支持和理论依据。本文将半固态粉末轧制分为三个部分:(1)半固态粉末的制备;(2)半固态粉末的轧制;(3)带材的后处理。以7050铝合金为例,研究内容包括粉末的加热温度、保温时间和粉末粒度对带材质量的影响;其次是半固态粉末的轧制过程,涉及到显微组织演变、粉末的结合机制、致密化规律和变形机制、氧化过程和氧化物对带材的影响,以及凝固、变形、致密化的协同关系;最后研究了半固态粉末轧制带材的三种后处理工艺:烧结、 预烧结—冷压变形—再烧结‖和热轧。结果表明;加热温度和粉末平均粒度是影响带材质量的两个重要参数,使用平均粒度为75、104、147、270μm的粉末制备的带材都能达到较高的相对密度(90%)和显微硬度(~170 HV)。粉末越粗,要制备出相对密度大于90%的带材所需的液相就越少,但是显微硬度要比在同等条件下用细粉制备的带材要低且晶粒较粗。对于平均粒度为75μm的粉末而言,最佳的加热温度为625-640°C;而对于平均粒度为270μm的粉末,最佳加热温度是585-625°C。用细粉制备的带材,抗拉强度较低(~400 MPa),延伸率较高(~13%),断裂机制为韧性断裂;而用粗粉制备的带材,抗拉强度最高可达~500 MPa,延伸率较低为~10%,断裂机制为混合断裂。通过分析不同粉末粒度对应的轧制力和计算孔隙的内压,可知粉末平均粒度影响带材相对密度的原因主要有三个:第一,细粉的受力和变形要小于粗粉的;第二,细粉的平均界面数多从而阻碍液相的流动和对孔隙的填充;第三,液相的提前凝固是造成相对密度低的主要原因,而细粉的平均凝固时间要低于粗粉的。采用突然终止轧制法研究了半固态粉末轧制的显微组织演变,可将半固态粉末轧制分为4个区:供料区、咬入区、致密化区、带材区。当液相体积分数低于10%时,液相被封闭并孤立在粉末颗粒内部,当液相体积分数高于10-20%时,液相在颗粒间相互连通形成搭接。根据液相分布的不同,半固态粉末主要通过三种结合机制发生冶金结合:第一种是热轧致密化,它与液相体积分数无关;第二种是再结晶,它只发生在液相体积分数低于10%的情形且满足特殊位相差的粉末颗粒边界处;第三种是液相的流动和填充,它只发生于液相体积分数高于10-20%的情况。由于在半固态温度下轧制有必要分析氧对带材的影响,结果表明氧化物颗粒与基体的结合好且均匀分布时才能对力学性能起到正面作用,反之则会起到不利作用。而热轧不仅是有效的后处理工艺,还能有效强化氧化物颗粒与基体间的结合。借鉴多孔材料热轧的致密化过程得知,半固态粉末轧制的致密化过程也可以根据相对密度变化分为三个阶段且第一阶段和第三阶段的相对密度值要高于热轧的。致密化机制有粉末颗粒的重排与重新堆积、液相的流动与填充、变形。根据溶滴撞击基板的模型,推导出变形应变与相对密度的关系式,此公式不仅适用于液相体积分数低于20%的情况,也适用于液相体积分数高于20%的情况。为了分析凝固、变形和致密化的协同关系,提出了进程显著性因子(F),它的物理意义是变化的显著程度,包含凝固进程显著性因子(Fsolidif)、变形进程显著性因子(Fdefor)和致密化进程显著性因子(Fdensi)。结果显示,在供料区和咬入区的开始阶段主要发生凝固,变形与致密化主要发生在致密化区。由于制备的带材含有1-10%的孔隙,需要进行一定的后处理以提高带材性能,本文研究了三种后处理工艺,经过 预烧结—冷压变形—再烧结‖后,带材的相对密度最高可达92.6%,显微硬度最高可达到300 HV;热轧后带材的相对密度几乎都能达到99%,显微硬度最高可达176 HV。烧结后带材的相对密度会降低,这是因为由固相烧结引起的致密度升高小于因孔隙增大引起的相对密度降低,因此最终带材的相对密度下降。
【关键词】：半固态粉末轧制 7050铝合金带材 工艺参数 组织演变 致密化过程 变形机制
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG339
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 主要符号表10-16
• 第一章 绪论16-30
• 1.1 粉末轧制概述16-19
• 1.1.1 金属粉末轧制的发展历史16-17
• 1.1.2 粉末轧制技术的研究现状17-19
• 1.2 半固态轧制技术概述19-24
• 1.2.1 半固态轧制的理论基础19-22
• 1.2.2 半固态轧制工艺22-24
• 1.3 半固态粉末成形技术的研究现状24-25
• 1.4 本课题研究背景及主要研究内容25-29
• 1.4.1 研究背景25-28
• 1.4.2 主要研究内容28-29
• 1.5 课题来源29-30
• 第二章 半固态粉末轧制7050铝合金的工艺及带材性能研究30-51
• 2.1 实验方法30-32
• 2.2 半固态粉末的制备32-36
• 2.2.1 加热温度32-34
• 2.2.2 保温时间34-36
• 2.3 半固态粉末的轧制36-50
• 2.3.1 带材的相对密度变化37-38
• 2.3.2 带材的力学性能变化38-39
• 2.3.3 粉末粒度对带材质量的影响39-50
• 2.4 本章小结50-51
• 第三章 半固态粉末轧制7050铝合金带材的显微组织演变51-61
• 3.1 引言51
• 3.2 液相体积分数对显微组织的影响51-57
• 3.3 显微组织的演变过程57-59
• 3.4 半固态粉末的结合机制59-60
• 3.5 本章小结60-61
• 第四章 半固态粉末轧制7050铝合金的成形机理研究61-102
• 4.1 引言61
• 4.2 氧对半固态粉末轧制带材的影响61-73
• 4.2.1 加热温度和保温时间对氧化物的影响61-64
• 4.2.2 氧化物的分布与形貌64-67
• 4.2.3 氧化物的形成过程67-68
• 4.2.4 氧化物在热轧和后处理过程的变化68-73
• 4.3 半固态粉末轧制的致密化过程及变形机制73-85
• 4.3.1 轧制曲线73-76
• 4.3.2 半固态粉末轧制的致密化过程76-80
• 4.3.3 半固态粉末的变形机制80-82
• 4.3.4 变形与致密化之间的关系82-85
• 4.4 半固态粉末轧制过程中凝固、变形、致密化之间的关系85-99
• 4.4.1 数学模型85-93
• 4.4.2 轧制过程中温度的变化及凝固过程93-95
• 4.4.3 轧制过程中粉末的变形过程95-97
• 4.4.4 轧制过程中的相对密度变化及凝固、变形、致密化的进程97-99
• 4.5 本章小结99-102
• 第五章 半固态粉末轧制7050铝合金带材的后处理研究102-115
• 5.1 实验方法102
• 5.2 带材的后处理研究102-114
• 5.2.1 带材的烧结103-108
• 5.2.2 带材的“预烧结-冷压变形-再烧结”108-112
• 5.2.3 带材的热轧112-114
• 5.3 本章小结114-115
• 结论115-120
• 参考文献120-133
• 攻读博士学位期间的论文情况133-135
• 致谢135-137
• 附件137

【参考文献】

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本文编号：623147