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金属粉末高致密化成形及其数值模拟研究

王德广

   粉末冶金零部件已广泛用于机械、汽车、电子、自动化等领域,市场前景非常广阔。但孔隙的存在显著影响着粉末冶金制品性能,也增加了精密成形的难度,而传统的粉末压制制品相对密度一般小于90%,如何获得高密度高性能的粉末冶金制品成为目前粉末冶金行业的发展方向和研究重点。有限元数值模拟技术可以快捷、有效、详细的对粉末成型致密化过程进行研究。故此本文就粉末高致密化成型技术致密化机理、多孔材料力学性能与密度的关系以及粉末成型有限元数值模拟进行研究: (1)分析了粉末温压工艺关键要素—粉末模具控制温度和压制力对粉末温压致密化的影响,设计了电阻式加热控温的方法,验证了该加热控温方法的有效性。研究了铁基合金温压粉末在不同温度下流动性,获得温压过程中粉末控制温度范围。分析粉末和模具温度以及压制力变化对制品密度变化影响规律,得出了最佳温压工艺路线,分析了粉末温压成形致密化机理。 (2)分析了电磁感应加热技术在粉末温压工艺中应用,设计了电磁感应温压加热控温系统,验证了电磁感应加热加热和控制温度的有效性。试验结果显示,电磁感应加热技术可以快速、精确、有效性的控制模具温度,成功地将电磁感应加热技术应用于金属粉末温压工艺,温压试验结果显示电磁感应加热温压加热系统可以获得了较高密度的粉末制品,磁化对致密化没有影响。 (3)采用冲击锤法和分离式霍普金森高速撞击试验两种方法对铁基合金粉末(Distaloy4600A)和纯钛粉末(Ti-Dupont)高速成形变形过程进行了分析。利用National Instruments公司生产的数据采集模块(SCXI-1520和SCXI-1314)和采集软件Labview,编写了应变信息采集程序,研究了粉末高速成形过程模具变形特征。对于冲击锤法,研究了冲击锤高度和重量、粉末类型和质量、不同压制工艺等对高速成形制品密度的影响。对于分离式霍普金森高速撞击试验,分析了不同撞击压力下粉末致密化规律。分析了两种方法粉末致密化规律,研究了高速成形制品密度均匀性。试验结果显示冲击锤方法可以获得较高密度且均匀性较高粉末冶金制品,多次冲击对提高制品密度的作用是有限的。对于分离式霍普金森高速撞击试验,试验结果显示应力波对致密化没有影响。 (4)研究了铁基合金粉末制品密度与力学性能的关系,成功的建立了相对密度与杨氏模量关,为了粉末成形有限元数值模拟建立了模型基础;分析了粉末压制过程中的摩擦行为,得到随着粉末制品密度的增加,摩擦先增加,达到一定程度后,几乎直线降低的规律。研究了铁基合金粉末、纯钛粉末、铝基合金粉末制品相对密度与维氏硬度之间的关系,成功的建立了相对密度与维氏硬度关系模型,通过此方法可以简单方便的研究制品局部密度分别规律,特别是复杂形状制品。 (5)基于粉末温压成形致密化研究基础,建立了热力耦合的有限元模型,考虑温度、摩擦对压坯变形与性能的影响,采用更新的拉格朗日方法,对粉末温压成型过程进行了有限元数值模拟。分析了不同加热方式、不同摩擦状况、不同压坯高径比、不同压制方式、摩擦有利化和三轴向压制等多种不同的压制工艺形式对粉末温压工艺的致密化规律的影响,分析了压制过程的粉末颗粒变形,获得了粉末温压成形制品密度变化和应力分布规律。……   
[关键词]:温压;电磁感应;高速压制;冲击锤;分离式霍普金森高速撞击;有限元;密度;应力
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:合肥工业大学2010年