金属粉末压制组织演变规律及石墨烯含量对其影响研究

作     者：王海陆 

作者单位：宁波大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘军

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：压制工艺 有限元 微观组织 石墨烯含量 

摘      要：金属粉末在压制时往往会由于工艺参数,温度等条件的影响,造成加工生产后的粉末冶金制件无法维持其最初粉末特有的小尺寸效应优势,造成产品性能降低。旨在通过控制压制工艺下的粉末微观组织晶粒尺寸以便获得更高产品性能的粉末冶金制品。通过***有限元软件进行粉末压制微观组织数值模拟,获得演变规律。基于添加石墨烯的金属粉末基体,研究了压制过程中的加载工艺与微观组织的变化关系,探究其含量对压制时微观组织晶粒尺寸影响,从而获得最优的晶粒细化效果。得到如下结论:(1)采用***有限元软件结合该软件中自带的Yada晶粒模型,对粉末压制进行了微观组织变化模拟。压制结束后金属粉末的晶粒均发生细化,整体来看压制时的侧边挤压摩擦处往往细化较为明显;相同压制条件下铝的晶粒尺寸细化程度最大,晶粒细化从顶部、底部、侧上依次发生。颗粒自身内部形变对晶粒尺寸变化基本没有影响;孔隙致密过程的动态非线性挤压碰撞相较于初始接触挤压更有利于晶粒细化程度的提高。(2)为研究压制工艺对微观组织影响,改变加载条件发现金属粉末压制时随着速度的增大,晶粒细化尺寸越来越小,晶粒尺寸变化较低的金属粉末受速度影响变化幅度较大;速度范围1～100m/s来看,1-10m/s细化最为明显;加载的轴向应力越大其晶粒尺寸细化的越好。随着压制应力的增大,其摩擦系数对晶粒尺寸的影响趋势逐渐消弱。摩擦系数在0.05-0.1之间时,晶粒细化尺寸整体呈睡倒的“S形降低先缓后急;当粉末达到45℃左右时其细化效果最好,相同热膨胀系数下,随着初始温度的升高,压制后的晶粒尺寸增大,但初始温度超过150℃时晶粒尺寸随热膨胀系数不降反有缓慢上升趋势。(3)为探究石墨烯在粉体压制过程中的作用,建立了石墨烯与粉末密排结合的有限元模型。含有石墨烯组明显晶粒尺寸更小。石墨烯位置与加载应力方向一致时,其微观组织晶粒尺寸最小;通过包覆模型计算公式知本次的二维模型全覆盖需要12片石墨烯,代表其在粉末中的最大分散量0.15wt%;石墨烯会改变局部摩擦特性,使压制温升会整体降低,且热传导更均匀。未被包裹处的局部摩擦力会超过单一粉末的摩擦力,且温升更高;随着各组混合粉末石墨烯添加量的增加,第1～9组粉末相同应变下,轴向应力是上升的,第11组即覆盖率90%时反超了第12组覆盖率100%的轴向应力。(4)对制备的复合材料分析发现成型状况:FeAlTi6Al4V。球磨后的粉末粒径缩小至75%,混合粉末中石墨烯存在形式有机械啮合包覆与静电吸附两种;随着质量分数的提高在0.01-0.125wt%之间内部变形最大。通过实验与模拟拟合曲线得出,石墨烯添加量在0.1125%覆盖率75%,内部组织细化最佳。超过后尽管尺寸不如之前,但细化的范围有增大趋势,分布更加均匀。