粉末冶金基礎(chǔ)與新技術(shù)研究生考試答案

1、1以Ti-6Al-4V(TC4)合金為例,請列舉 2-3 種從粉末制備到致密零部件成形的粉末冶金工藝,并簡介各工藝的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。例 1. 將具有韌性的海綿鈦粉置于肯定高溫下成脆性氫化鈦，將其裂開后在適當(dāng)?shù)臏囟群驼婵斩认旅摎?，得到氫HDH鈦粉。 Ti 粉與Al-V 粉按質(zhì)量比9：l5 hTi-6A1-4V 機(jī)中混煉 1 h，密煉機(jī)轉(zhuǎn)速為50rmin，密煉溫度150；通過制?？梢缘玫竭m合于注射成形的粒狀喂料。在溫度150、壓力5.88 MPa 下將喂料注射成形，承受兩步脫脂法將 成4h；然后在真空度為10-Pa、溫度為72010-Pa，125下真 3 h，即可獲得Ti-6A1-4V 過程中實現(xiàn)

2、，與其它方法相比該法工序削減并降低了合金生產(chǎn)過程中被污染的可能性， 因此可以降低產(chǎn)品的生產(chǎn)本錢并提高其最終性能。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)易于制備外形簡單的部件，且所制備的部件根本為凈形， 可節(jié)約大量原材料，削減機(jī)械加工，降低本錢。其、制備出的材料顯微組織均勻，可制 備高質(zhì)量、高精度的簡單小型零件。C 與Ti 之間的相互作用HDH法制取的鈦合金粉中氧含量難以把握，影響了其粉末冶金制品的性能，其力學(xué)性能與國 內(nèi)外承受氣霧化粉制備的Ti-6Al-4V 合金仍存在肯定差距。另外，受模具限制不能制備尺寸較大的粉末冶金產(chǎn)品。適用性：工業(yè)用高質(zhì)量、高精度的簡單小型零件，如

3、手表、眼鏡的零部件及高爾夫球桿 頭等。例 2. 承受氣體霧化法生產(chǎn)的球形Ti-6Al-4VTi-6Al-4V的條件下均勻參加都加工、焊接好不銹鋼包套中，封好包套，留除氣口。對裝好粉的包 900，110MPa的條件下，保溫保壓1 小時，隨后出爐。除去包套，得到預(yù)合金Ti-6Al-4V 粉末鈦合金制件。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 外形簡單的部件，且所制備的部件根本為凈形，可節(jié)約大量原材料，削減機(jī)械加工，降20%-50%；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，具有良好的微觀構(gòu)

4、造，晶粒細(xì)小，組織均勻，無織構(gòu)、偏析現(xiàn)象，性能可到達(dá)不低于鍛件的水平；3用鈦合金粉末冶金技術(shù)可制備高性能多功能鈦基復(fù)合材料。缺點(diǎn)：由于鈦是高熔點(diǎn)活性金屬，在傳統(tǒng)的陶瓷坩堝中熔化時易污染，無法保持純度且 承受汽霧化方法制備粉末本錢相對較高。適用性：主要應(yīng)用在航空航天及汽車工業(yè)的鈦粉末冶金構(gòu)造零部件上。假設(shè)制備高致密的Al-30%(vol.)SiC 復(fù)合材料，請選擇2 種工藝，如何保證力學(xué)性能優(yōu)于鑄鍛材料？工藝 1：粉末冶金法是將基體Al 顆粒與SiC 增加體顆粒按Al-30%(vol.)SiC均勻后制成復(fù)合坯料，然后將坯料裝入金屬或非金屬的模具中經(jīng)冷壓、除氣，然后加熱到固液兩相區(qū)進(jìn)展真空熱壓或熱

5、等靜壓制成復(fù)合材料錠塊，再通過擠壓、軋制、鑄造等 二次加工制成型材或零件。工藝 2：將原始SiC 粉末干混得到混合粉末，參加粘結(jié)劑經(jīng)捏合，密煉，制粒后獲得碳化硅喂料，注射成形得到碳化硅預(yù)制件。按Al-30%(vol.)SiC 的比例將SiC 預(yù)制件、成形模具和鋁合金置于真空容器中加熱，待鋁合金熔化后向容器中充入高壓惰性氣體，鋁合金液體在氣體壓力作用下浸滲到預(yù)制件中形成復(fù)合材料或構(gòu)件。工藝 1 中為了獲得力學(xué)性能優(yōu)于鑄鍛件的材料，可以承受液氮球磨法制備納米級別的復(fù)合粉末。低溫球磨能夠制備出具有良好熱穩(wěn)定性的納米晶。液氮環(huán)境下，通過機(jī)械合金 化的方法制備出的納米晶材料可以削減氧的污染，同時低溫環(huán)境

6、下可以通過削減球磨過 程中的熱量聚攏而轉(zhuǎn)變粉末形變動力學(xué)機(jī)理使粉末在不斷的斷裂和冷焊過程中朝著更容 易斷裂的方向進(jìn)展。后續(xù)燒結(jié)機(jī)加工過程中的工藝把握工藝 2 中為了獲得力學(xué)性能優(yōu)于鑄鍛件的材料，制備材料的浸滲過程中是否在真空的條件下進(jìn)展對于材料的致密度影響很大，真空度愈高，殘留在預(yù)制件中的氣體就愈少，浸 滲后復(fù)合材料及構(gòu)件中的孔隙率就愈小，材料力學(xué)性能愈好，因此要盡量提高滲透過程 中的真空度。注射成形坯的制備過程中的工藝把握Zr50Cu40Al10 合金粉末的全致密化？其致密化機(jī)理有哪些特點(diǎn)？微波燒結(jié)是一種材料燒結(jié)工藝的方法，它具有升溫速度快、能源利用率高、加熱效率 高和安全衛(wèi)生無污染等特點(diǎn)，

7、并能提高產(chǎn)品的均勻性和成品率，改善被燒結(jié)材料的微觀 構(gòu)造和性能。微波燒結(jié)實現(xiàn)Zr50Cu40Al10 非晶態(tài)合金粉末的致密化過程是利用微波加熱來對Zr50Cu40Al10 非晶態(tài)合金粉末進(jìn)展加熱燒結(jié)。利用微波具有的特別波段與材料的基 本微小構(gòu)造耦合而產(chǎn)生熱量，承受與Zr50Cu40Al10 合金耦合的特別微波波段對合金粉末 進(jìn)展加熱燒結(jié)，利用Zr50Cu40Al10 合金粉末的介質(zhì)損耗使其材料整體加熱至燒結(jié)溫度而 實現(xiàn)非晶態(tài)合金粉末Zr50Cu40Al10 導(dǎo)或輻射方式傳遞至被加熱物而使其到達(dá)某一溫度，熱量從外向內(nèi)傳遞，燒結(jié)時間長， 使得非晶粉末簡潔在燒結(jié)過程中發(fā)生晶化。而微波燒結(jié)則是利用微波

8、的體積加熱，實現(xiàn)材料中大區(qū)域的零梯度均勻加熱，快速燒結(jié)，削減甚至避開了燒結(jié)過程中的非晶晶化。微波與材料直接耦合，導(dǎo)致整體加熱：由于微波的體積加熱，得以實現(xiàn)材料中大區(qū)域的 零梯度均勻加熱，使材料內(nèi)部熱應(yīng)力削減，從而削減開裂、變形傾向。同時由于微波能 被材料直接吸取而 80%左右。 微波燒結(jié)升溫速度快，燒結(jié)時間短：某些材料在溫度高于臨界溫度后，其損耗因子快速 增大，導(dǎo)致升溫極快。另外，微波的存在降低了活化能，加快了材料的燒結(jié)進(jìn)程，縮短 了燒結(jié)時間。短時間燒結(jié)晶粒不易長大，易得到均勻的細(xì)晶粒顯微構(gòu)造，內(nèi)部孔隙少， 空隙外形比傳統(tǒng)燒結(jié)的圓，因而具有更好的延展性和韌性。同時，燒結(jié)溫度亦有不同程 度的降低

9、。微波可對物相進(jìn)展選擇性加熱：由于不同的材料、不同的物相對微波的吸取存在差異，因此，可以通過選擇性和加熱或選擇性化學(xué)反響獲得材料和構(gòu)造。還可以通過添加 吸波物相來把握加熱區(qū)域，也可利用強(qiáng)吸取材料來預(yù)熱微波透亮材料，利用混合加熱燒 結(jié)低損耗材料。此外，微波燒結(jié)易于把握、安全、無污染。術(shù)。通過 SPS 技術(shù)實現(xiàn) Zr50Cu40Al10 非晶態(tài)合金粉末的全致密化為：將成分為Zr50Cu40Al10 的非晶粉末裝入石墨等材質(zhì)制成的模具內(nèi)，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于非晶粉末，經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻完成燒結(jié)過程， 制得高性能Zr50Cu40Al10 非晶塊體材料。由于放電等離子燒結(jié)能夠在較低溫度下快速的 完成粉末的燒結(jié)，因此可以避開常規(guī)燒結(jié)過程的高溫長時間而導(dǎo)致的非晶粉末燒結(jié)過程中發(fā)生晶化。放電等離子燒結(jié)具有在加壓過程中燒結(jié)的特點(diǎn)，脈沖電流產(chǎn)生的等離子體及燒結(jié)過程中 的加壓有利于降低粉末的燒結(jié)溫度，同時低電壓、高電流的特征，能使粉末快速燒結(jié)致 密。 電沖擊壓力、焦耳熱和電場集中作用。在SPS 燒結(jié)過程中，電極通入直流脈沖電流時瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，使燒結(jié)體內(nèi)部各個顆粒均勻的自身產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒外表活化。與自身加熱反響合成法SHS和微波燒結(jié)法類似，SPS 是有效利用粉末內(nèi)部的自身SPS 結(jié)果。除加熱和加壓這兩個促進(jìn)燒結(jié)的因素外，在SPS局部高溫，可以使外