郎利輝，王 剛，黃西娜，喻 思，段 文，續(xù)秋玉

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包套在鋁合金粉末熱等靜壓成形中的屏蔽效應(yīng)及其對(duì)性能的影響

郎利輝，王 剛，黃西娜，喻 思，段 文，續(xù)秋玉

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 航空宇航制造工程系，北京 100191)

通過(guò)數(shù)值模擬和熱等靜壓實(shí)驗(yàn)，研究包套在鋁合金粉末熱等靜壓成形過(guò)程的屏蔽效應(yīng)及其對(duì)性能的影響，建立包套對(duì)等靜壓力屏蔽效應(yīng)的關(guān)系公式。結(jié)果表明：包套對(duì)等靜壓力的屏蔽效應(yīng)與包套的幾何尺寸、壁厚、屈服強(qiáng)度有關(guān)系，包套越厚，其屏蔽效應(yīng)越顯著，降低熱等靜壓過(guò)程中粉末顆粒重排階段的致密化程度。由于包套的屏蔽，對(duì)于二元共晶和三元共晶的液相沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全擠出，在粉末顆粒與顆粒交界處殘留有沒(méi)有被液相填充完全的孔隙，降低粉末件最終的致密度。當(dāng)包套厚度較大時(shí)，降低了粉末鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，而對(duì)材料塑性的影響不明顯。

鋁合金粉末；熱等靜壓；屏蔽效應(yīng)

鋁及其鋁合金材料因具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高以及腐蝕性良好等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)和飛機(jī)的制造業(yè)[1?2]。鋁合金粉末冶金成形被認(rèn)為是一 種可靠的、低成本的材料成形技術(shù)，近幾年來(lái)引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于粉末鋁合金材料的制備大多采用壓制+燒結(jié)的成形工藝。SCHAFFR等[3]對(duì)Al-3.8Cu- 1Mg-0.7Si、Al-4Cu-0.6Si-0.1Mg、Al-4Cu-1.2Mg粉末在100~500 MPa下進(jìn)行高壓壓制，然后在不同燒結(jié)的氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，指出對(duì)于Al-Cu-Mg(-Si)粉末材料，最佳燒結(jié)氣氛依次為氮?dú)?、真空、氬氣。G?K?E等[4]研究了Al-Cu-Mg粉末經(jīng)過(guò)400 MPa高壓壓制后，在590 ℃氮?dú)夥諊聼Y(jié)1.5 h的組織和力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)燒結(jié)后材料的橫向斷裂強(qiáng)度從86 MPa提高到466 MPa，硬度提高了2倍。PADMAVATHI等[5]研究了2712鋁合金粉末在200~400 MPa下壓制，在570~630 ℃真空燒結(jié)的工藝性能，指出對(duì)于2712鋁合金粉末最優(yōu)的壓制燒結(jié)工藝參數(shù)為400 MPa、590 ℃，并且后期的熱處理(T4)能使材料的力學(xué)性能大幅提升。然而，通過(guò)傳統(tǒng)的壓制?燒結(jié)技術(shù)制備鋁合金時(shí)，燒結(jié)氣氛、保溫時(shí)間、壓制壓力、壓制時(shí)間等眾多因素都會(huì)對(duì)鋁合金材料的性能產(chǎn)生影響，而且對(duì)于粉末中添加的粘結(jié)劑和潤(rùn)滑劑，需要在燒結(jié)過(guò)程中脫除，導(dǎo)致工藝較繁瑣，殘留的粘結(jié)劑可能形成雜質(zhì)，大大降低鋁合金的性能，采用熱等靜壓工藝對(duì)鋁合金粉末直接進(jìn)行固結(jié)成形，不需要添加粘結(jié)劑，通過(guò)高溫高壓將粉末的壓制和燒結(jié)過(guò)程合二為一，簡(jiǎn)化了粉末鋁合金的制備工藝，特別是對(duì)于具有復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，利用熱等靜壓工藝可實(shí)現(xiàn)一次整體制備，大大提高了原材料的利用率，節(jié)省了加工成本，陸恒等[6]和WU等[7]分別利用熱等靜壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)了具有復(fù)雜型面的高溫合金粉末葉盤(pán)和鈦合金粉末葉盤(pán)的一次整體制備。但是國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋁合金粉末熱等靜壓制備及成形研究報(bào)道還較少，BALOG等[8]發(fā)現(xiàn)采用熱等靜壓工藝可以使鋁粉末表面的氧化膜破裂，成為單獨(dú)的納米級(jí)析出物分布在晶界上，提高了材料的伸長(zhǎng)率。本文作者采用熱等靜壓工藝將壓制和燒結(jié)工藝合二為一，實(shí)現(xiàn)粉末鋁合金材料的一步制備。

在進(jìn)行熱等靜壓壓制時(shí)，要將粉末裝入包套之中，等靜壓壓力通過(guò)包套傳遞，實(shí)現(xiàn)粉末致密化。由于包套具有一定的厚度和剛性，包套傳遞到工件上的壓力就必然與壓缸內(nèi)的氣體壓力不相等，包套對(duì)等靜壓壓力就產(chǎn)生了屏蔽效應(yīng)[9?10]，從而導(dǎo)致粉末致密化或者工件變形的不均勻。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)包套在熱等靜壓過(guò)程中的蔽作用的研究報(bào)道有限，董平等[11]采用解析法推導(dǎo)了球形和柱形包套對(duì)等靜壓力的屏蔽作用，指出對(duì)于同樣厚度的包套，球形包套屏蔽的壓力是柱形包套屏蔽壓力的倍。徐磊等[12]研究了包套對(duì)Ti-5Al-2.5Sn粉末熱等靜壓過(guò)程中致密化的影響，當(dāng)包套厚度超過(guò)5 mm，粉末壓坯不能完全致密化。并且在致密化初期，樣品致密度受包套壁厚影響很大，但是并沒(méi)有給出定量的計(jì)算。程文祥[13]通過(guò)不同包套壁厚對(duì)Ti-5Al-2.5Sn ELI預(yù)合金粉末致密化行為的研究表明，在保溫保壓過(guò)程中，包套壁厚的屏蔽作用會(huì)導(dǎo)致不同區(qū)域粉末致密化進(jìn)程不同，但對(duì)最終致密度的影響可忽略不計(jì)。

本文作者針對(duì)廣泛使用的2A12鋁合金粉末，采用3種不同壁厚的包套對(duì)其進(jìn)行熱等靜壓成形，結(jié)合數(shù)值模擬，定量分析包套壁厚對(duì)于等靜壓力的屏蔽作用，建立了包套材料參數(shù)與所屏蔽壓力之間的關(guān)系公式。并分析了顯微組織和元素的擴(kuò)散規(guī)律，研究了包套厚度對(duì)于鋁合金粉末熱等靜壓成形性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中采用的2A12鋁合金粉末由北京艾瑞福斯特技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司提供，該粉末通過(guò)等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法(PREP)制備，粉末的化學(xué)成分和基本特征如表1和表2所列。包套采用1060純鋁，厚度分別為3、2和1 mm(編號(hào)為Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ)，內(nèi)徑為60 mm，高度為120 mm，使用丙酮進(jìn)行化學(xué)清理，去除因機(jī)械加工殘留在包套內(nèi)壁上的油污。粉末的裝填過(guò)程在VSR?200時(shí)效振動(dòng)系統(tǒng)上完成，振動(dòng)頻率為30 Hz，振動(dòng)時(shí)間為45 min，振動(dòng)后使粉末充填的松裝密度達(dá)到1.76~1.89 g/cm3。包套焊封后，在400 ℃下，將包套內(nèi)的真空度抽至1×10?4Pa。

表1 2A12鋁合金粉末的化學(xué)成分

試驗(yàn)所用的熱等靜壓設(shè)備為ABB公司生產(chǎn)的QIH?15型熱等靜壓機(jī)，其最高溫度可達(dá)2000 ℃，最高壓力可達(dá)200 MPa，爐膛最大裝料尺寸為150 mm×170 mm。本實(shí)驗(yàn)中用于壓制的最高溫度和壓力分別為590 ℃、120 MPa，考慮到先升壓的方式可能引起包套的破裂，若先升溫可能引起液相的沉降，在本實(shí)驗(yàn)中采用溫度和壓力同步升高的配合機(jī)制，具體熱等靜壓工藝如圖1所示。

圖1 熱等靜壓壓制曲線

利用阿基米德原理測(cè)量粉末鋁合金試件密度，分別測(cè)量粉末鋁合金試件徑向和軸向的尺寸變化，并與數(shù)值模擬的結(jié)果相對(duì)比。利用D/max?2000型X射線衍射儀(XRD)分析粉末物相，利用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)原始粉末和熱等靜壓后的鋁合金試樣冷鑲，試樣經(jīng)過(guò)打磨拋光后，在Keller試劑((HF):(HCI):(HNO3):(H2O)= 1:1.5:2.5:95)中腐蝕40 s，采用OLYMPUSB×51M型金相顯微鏡和CS3400型鎢燈絲掃描電子顯微鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察，對(duì)元素分布進(jìn)行能譜分析。拉伸試驗(yàn)采用QJ210型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，按照《GB/T 228?2002 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行，分別測(cè)試材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率，并分析斷口的形貌。

圖2 熱等靜壓試件

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬及驗(yàn)證

由于鋁合金粉末試件為軸對(duì)稱(chēng)的圓柱模型，所以選取模型的1/8作為計(jì)算單元，利用大型的有限元軟件MSC.MARC進(jìn)行模擬計(jì)算，該軟件對(duì)于粉末熱等靜壓成形具有較好的預(yù)測(cè)性[14?15]。數(shù)值模型及計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型及計(jì)算結(jié)果

從圖3可以看出，隨著包厚度的不斷減小，鋁合金粉末經(jīng)過(guò)熱等靜壓后的相對(duì)致密度由96.82%升高到98.64%，徑向位移由2.47 mm升高到3.63 mm，軸向位移由10.43 mm升高到10.61 mm?？梢?jiàn)，隨著包套厚度的減薄，粉末體的整體收縮逐漸變大，致密化程度提高，包套對(duì)于鋁合金粉末在熱等靜壓過(guò)程中的屏蔽作用變小。表3所列為3種不同包套厚度的熱等靜壓試件的最高相對(duì)密度、徑向位移和軸向位移的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

從表3中可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的結(jié)果相吻合，最大誤差不超過(guò)5%，在工程允許的誤差范圍之內(nèi)，說(shuō)明數(shù)值模擬能在一定程度上反映鋁合金粉末的熱等靜壓過(guò)程，在分析包套對(duì)于粉末成形的屏蔽作用時(shí)，可以以數(shù)值模擬的分析過(guò)程為參考。

2.2 包套屏蔽效應(yīng)的理論分析

對(duì)于包套的簡(jiǎn)化模型及受力狀態(tài)如圖4所示，包套的內(nèi)徑為，外徑為，壁厚為，包套內(nèi)部所受壓力為i，外部所受壓力為o(o＞i)。包套為旋轉(zhuǎn)體，承受的外力相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)分布, 整個(gè)包套處于軸對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，在熱等靜壓條件下包套材料作為理想的彈塑性材料而不考慮加工硬化，在圓柱坐標(biāo)系下的應(yīng)力張量為

由徑向的應(yīng)力平衡可得微分方程：

幾何方程(徑向位移為)[16]如下：

圖4 包套受力示意圖

式中：為徑向位移。

當(dāng)載荷較小時(shí)，包套處于彈性狀態(tài)，廣義的虎克定律[17]為

式中：為剪切模量。其中，

由式(3)~(5)可得

表3 試件參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將式(7)、(8)代入式(2)得到求解該問(wèn)題的拉梅方程，即

對(duì)式(9)進(jìn)行積分求解得：

將式(10)代入式(3)、(4)可得：

將式(11)代入廣義的虎克定律式(5)，并結(jié)合

得到

式中：為拉梅常數(shù)。

其中

由于包套的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于包套的厚度，假設(shè)包套處于平面應(yīng)變狀態(tài)，向的應(yīng)變?yōu)?，即：

將式(14)代入式(13)，可得：

利用邊界條件：

將式(16)代入式(15)可以求得常數(shù)和：

在熱等靜壓的過(guò)程中，四周等靜壓力作用在包套的外表面上，必須使包套發(fā)生塑性變形，之后才能使等靜壓力傳遞到包套內(nèi)部的粉末體上，運(yùn)用米塞斯屈服準(zhǔn)則有：

將式(15)、(16)、(17)、(18)代入式(19)可以得到o和i的關(guān)系，即

等靜壓力作用在包套的外表面，包套的外表面首先產(chǎn)生屈服，然后向內(nèi)層擴(kuò)展，當(dāng)包套的內(nèi)表面也產(chǎn)生屈服時(shí)，整個(gè)包套就開(kāi)始塑形變形，令=，結(jié)合?=，式(20)可簡(jiǎn)化為

由式(21)可以看出，包套對(duì)于等靜壓力的屏蔽作用與包套的內(nèi)徑、外徑、包套壁厚以及包套材料的屈服強(qiáng)度均有關(guān)系，其屏蔽力的大小與包套厚度和屈服強(qiáng)度成正比。

根據(jù)式(21)，并結(jié)合數(shù)值模擬過(guò)程，在熱等靜壓過(guò)程中包套所屏蔽等靜壓力的大小如圖5所示。由圖5可以看出，包套屏蔽的壓力呈現(xiàn)先減小后增大的U形曲線，包套越厚，對(duì)于粉末致密化的屏蔽壓力越大，屏蔽效應(yīng)越明顯。包套對(duì)于內(nèi)部粉末的“保護(hù)”主要集中在熱等靜壓開(kāi)始和結(jié)束兩個(gè)階段，在熱等靜壓保溫保壓階段其屏蔽作用相對(duì)較小。 這主要是由于在熱等靜壓的初期和后期，溫度和壓力均比較低，包套的屈服強(qiáng)度較大，外界的壓力還不足以克服包套的保護(hù)作用而作用在粉末上。隨著溫度和壓力的升高，包套迅速進(jìn)入塑形狀態(tài)，對(duì)內(nèi)部粉末的屏蔽作用迅速減小，當(dāng)熱等靜壓進(jìn)入保溫保壓的穩(wěn)定階段時(shí)，此時(shí)溫度和壓力均達(dá)到最大，包套對(duì)等靜壓力的屏蔽最小。

圖5 包套對(duì)于等靜壓力的屏蔽