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碳化硅粉末磁脉冲致密/无压烧结试验研究

作　者: 桂衍旭
导　师: 于海平
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 碳化硅数值模拟磁脉冲致密无压烧结
分类号: TF124.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

碳化硅作为一种高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗热震的高性能陶瓷材料广泛应用于航空航天、石油化工、陶瓷装甲等领域。目前，高性能碳化硅陶瓷的制备工艺主要是热压烧结，但是在生产效率、制备复杂较大零件方面的不足限制了碳化硅陶瓷的广泛应用。粉末磁脉冲致密在获取高致密压坯、坯体均匀性以及成形效率方面，具有显著的优势。目前，已成功应用于粉末冶金领域。若成功应用于陶瓷领域，将在降低烧结温度、缩短烧结时间、获得近净成形烧结体方面有很大的发展潜力。本文采用MSC.MARC2005软件中的Power模块和Shima屈服准则建立简单的压制模型，对碳化硅致密过程中相对密度变化、应力变化、粉末流动情况进行分析研究。由于粉末颗粒之间、粉末颗粒与模壁之间的摩擦，导致粉末体出现相对密度不均匀现象。通过工艺优化，有效地缓解了相对密度分布的不均匀。利用平板线圈对碳化硅粉末进行磁脉冲致密工艺试验，研究粘结剂、粉末质量、电容量、放电能量、放电次数、压制方式等工艺参数对压坯密度及显微形貌的影响。结果表明：粘结剂的添加可以提高碳化硅陶瓷的成形性，提高放电能量、增加放电次数、减少粉末质量可以有效地提高压坯密度，但需要合适的能量参数。增加电容量可以提高压坯密度，磁脉冲致密获得的最佳压坯密度要明显高于常规模压，约0.23g/cm~3左右。磁脉冲致密不同工艺参数下，显微形貌变化规律与压坯密度变化规律基本一致。与常规模压相比，磁脉冲致密压坯颗粒发生细化且粉末颗粒间机械啮合更紧密。对磁脉冲致密和常规模压工艺获得的压坯进行高温无压烧结，获得的烧结体在失重率、线收缩率、硬度、断裂韧性、热膨胀系数以及显微断口等方面进行对比分析。结果显示，常规模压获得的烧结体各方面性能均优于磁脉冲致密烧结体。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第1章绪论  10-21
  1.1 引言  10
  1.2 碳化硅陶瓷烧结工艺  10-12
    1.2.1 无压烧结  11
    1.2.2 热压烧结  11
    1.2.3 反应烧结  11
    1.2.4 放电等离子烧结  11-12
    1.2.5 烧结工艺对比  12
  1.3 无压烧结高致密成形方法的国内外研究现状  12-20
    1.3.1 碳化硅无压烧结国内外研究现状  12-13
    1.3.2 超高压成形  13-14
    1.3.3 爆炸成形  14-15
    1.3.4 高速压制成形  15
    1.3.5 磁脉冲成形  15-20
  1.4 选题意义与研究内容  20-21
第2章碳化硅粉末高速致密的有限元模拟  21-34
  2.1 引言  21
  2.2 有限元模型的建立  21-24
    2.2.1 模型的建立  21-22
    2.2.2 材料模型的选择  22-23
    2.2.4 接触表的定义  23-24
    2.2.5 迭代方法的确定  24
  2.3 粉末致密模拟结果分析  24-29
    2.3.1 冲头载荷变化  24-25
    2.3.2 相对密度变化及分布  25-27
    2.3.3 等效应力变化  27
    2.3.4 粉末体中位移分布  27-28
    2.3.5 粉末体密度分布不均匀分析  28-29
  2.4 工艺参数的影响  29-33
    2.4.1 冲头速度  29-31
    2.4.2 压制方式  31-32
    2.4.3 摩擦系数  32
    2.4.4 初始粉末高径比  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章碳化硅粉末磁脉冲致密试验研究  34-54
  3.1 引言  34
  3.2 试验用原材料  34-35
    3.2.1 粉末原材料  34-35
    3.2.2 添加剂  35
  3.3 试验装置  35-37
    3.3.1 试验设备  35-36
    3.3.2 试验装置与模具  36-37
  3.4 试验方案  37-39
    3.4.1 方案的确定  37-38
    3.4.2 工艺流程  38-39
  3.5 试验研究方法  39-42
    3.5.1 密度  39
    3.5.2 失重率与线收缩率  39-40
    3.5.3 X 射线衍射  40
    3.5.4 扫描电镜  40
    3.5.5 维氏硬度  40-41
    3.5.6 断裂韧性  41
    3.5.7 热膨胀系数  41-42
  3.6 工艺参数对压坯体积密度的影响  42-48
    3.6.1 粘结剂  42-43
    3.6.2 粉末质量  43-44
    3.6.3 电容量  44-45
    3.6.4 放电电压  45-46
    3.6.5 放电次数  46-47
    3.6.6 致密方式  47-48
  3.7 工艺参数对压坯微观结构的影响  48-52
    3.7.1 粘结剂  48-49
    3.7.2 放电电压  49-50
    3.7.3 放电次数  50-51
    3.7.4 致密方式  51-52
  3.8 压坯缺陷分析  52-53
  3.9 本章小结  53-54
第4章碳化硅陶瓷烧结体性能与微观结构分析  54-68
  4.1 引言  54
  4.2 烧结工艺的确定  54-55
  4.3 烧结结果分析  55-66
    4.3.1 物相分析  56-58
    4.3.2 线收缩率和失重率  58-60
    4.3.3 工艺参数对体积密度的影响  60-61
    4.3.4 工艺参数对烧结体性能的影响  61-64
    4.3.5 工艺参数对烧结体显微结构的影响  64-66
  4.5 烧结体缺陷与不足分析  66-67
  4.6 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-74
致谢  74

碳化硅粉末磁脉冲致密/无压烧结试验研究

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