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1、,粉末冶金元素粉轧制,Element Powder Roll Forming By Powder Metallurgy Process,目录,CONTENTS,一、基本介绍,粉末冶金元素粉轧制基本介绍,4,粉末冶金元素粉轧制是粉末冶金成型工艺中的重要成形手段之一，对于制造金属薄板、带材，特别是高孔隙度的多孔薄带材时，它无疑是一种最简捷的成型方法。粉末冶金元素粉轧制：将金属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的轧辊缝中，即可压轧出具有一定厚度和连续长度且有适当强度的板带坯料。这些坯料经过烧结炉的预烧结和烧结处理，再经过轧制加工、热处理等工序即可制成有一定孔隙度的或致密的粉末冶金板带材。,粉末冶金元素粉
2、轧制基本介绍,5,垂直粉末轧制,水平粉末轧制,倾斜粉末轧制,按被加工件的状态,温轧,热轧,冷轧,粉末冶金元素粉轧制分类：其中垂直冷轧粉末方法,应用最为广泛,主要原因是由于设备结构简单和粉末自重喂料的良好条件。,按粉末供料方式,按轧辊轴的平面部位,粉末冶金元素粉轧制基本介绍,6,粉末冶金元素粉轧制原理：粉末轧制的实质是将具有一定轧制性能的元素粉装入到一个特制的漏斗中，并保持给定的料柱高度，当轧辊滚动时由于粉末与轧辊之间的外摩擦力以及粉末体内摩擦力的作用，使粉末连续不断地被咬入到变形区内受轧辊的轧压。致密金属轧制前后体积相等原理已不适用于金属粉末轧制，而代之的应是粉末轧制前后粉末重量相等原理。,粉
3、末冶金元素粉轧制基本介绍,7,粉末轧制过程：图1 粉末轧制过程示意图如上图所示，轧制时粉末的运动过程可分为三个区域：粉末自由区，喂料区，压轧区。粉末在轧辊压力作用下，由松散状态转变成具有一定密度和强度的板坯。,粉末冶金元素粉轧制基本介绍,8,粉末轧制过程：图1 粉末轧制过程示意图粉末被咬入的条件主要是靠粉末与轧辊表面之间的摩擦作用，靠粉末颗粒间的内摩擦将粉末连续咬入。要使粉末被咬入到轧辊缝内，必须满足：,咬入角 粉末体与轧辊之间的摩擦系数 侧压系数，即金属粉末在轧制时产生的侧压力与垂直压力之比,粉末冶金元素粉轧制基本介绍,9,粉末冶金元素粉轧制板材的生产过程：粉末喂料 轧制成形 轧制板坯的烧结
4、1.粉末喂料喂料工序对保证获得高质量的板材起着重要作用。因此，一般多采用专门的喂料装置，它的作用是将粉末连续而均匀的输入辊缝内。输粉不足会导致板坯缺陷。下图2、3分别为自然喂料，强制喂料图片。,图2 自然流入喂料,图3 强制喂料,1-漏斗2-粉料3-螺旋送料器,粉末冶金元素粉轧制基本介绍,10,粉末冶金元素粉轧制板材的生产过程：粉末喂料 轧制成形 轧制板坯的烧结2.轧制成形与一般致密金属轧制不同，元素粉轧制在轧制过程中具有下列特点：1）粉末体的体积显著减小；2）粉末颗粒发生弹塑性变形，粉末体的成形靠粉末颗粒间的机械啮合或添加有机粘结剂粘结；3）冷轧未经烧结的板坯强度很低，要提高板坯的强度，必须
5、把粉末加热轧制成形。,粉末冶金元素粉轧制基本介绍,11,粉末冶金元素粉轧制板材的生产过程：粉末喂料 轧制成形 轧制板坯的烧结2.轧制成形 下图4为粉末冷热轧制工艺流程图,1-漏斗2-粉料3-冷轧机4-冷轧板坯5-电热体6-热轧机7-保护气体8-卷绕带机,图4 粉末冷热轧制工艺流程图,粉末冶金元素粉轧制基本介绍,12,粉末冶金元素粉轧制板材的生产过程：粉末喂料 轧制成形 轧制板坯的烧结3.轧制板坯的烧结板坯所需要的烧结时间比一般制品要短的多，因为它厚度较薄，在高温下受热很快达到均匀。一般情况下板坯在保护气氛或惰性气氛中烧结，也有在真空中烧结的。粉末板坯的烧结方法有以下几种形式：1）成卷烧结，即将
6、轧制板坯卷起来，成捆后取出送入烧结炉烧结；2）直接烧结，即由轧机轧出的粉末板坯直接送入烧结炉内烧结，然后热轧。,粉末冶金元素粉轧制基本介绍,13,元素粉轧制优点：1.能够生产用传统的熔铸轧制法难于或无法生产的带材，如各种双金属或多层金属板带材、多孔过滤材料、电触头材料等；2.能够轧制出成分比较精确的板带材，成分易于控制，组分均匀，性能优良，更重要的是还具有各向同性的特性；3.工艺过程简短，设备投资少，不需要大型设备，操作成本低，成材率高；4.粉末轧制板带的长度原则上不受限制，制品密度比较均匀，可以节省能源消耗。5.粉末轧制带材具有一定的孔隙率，可用作特殊功能的板带，如多孔过滤材料及自润滑材料便
7、是一个很大的应用领域。,粉末冶金元素粉轧制基本介绍,14,元素粉轧制缺点：1.粉末轧制法生产的板材厚度受轧辊直径限制，宽度也受到轧辊宽度的限制；2.粉末轧制法只能制取形状较简单的板、带材及直径与厚度比值很大的衬套。,二、轧制过程的影响因素,16,粉末性能的影响,1.粉末流动性对带坯性能的影响 粉末流动性直接影响带坯的密度及其均匀性，影响轧制时的咬入角。实验发现，对于形状类似的粉末，带坯的厚度和平均密度随粉末流动性的变差而降低。2.粉末的氧含量对带坯性能的影响 粉末的表面氧化物的其他夹杂会严重地损害金属粉末的可塑性能。表面氧化或还原不透的金属粉末，其可塑性和成形性都变得很差，结果使轧制带坯性能变
8、坏。这是由于含氧的粉末颗粒间以氧化物相接触而造成的机械啮合联合强度下降的结果。含氧量高的金属粉末轧制带坯的常见缺陷是裂纹和重皮。,17,3)粉末松装密度对带坯性能的影响 一般情况下，随着粉末松装密度的增大，所获得的带坯的密度和厚度也随之增加。但是，当粉末的松装密度超过一定值后，带坯的密度和厚度不会继续线性增加。,图1 粉末松装密度对带材厚度和密度的影响,粉末性能的影响,18,大辊咬入区的粉末量比小辊咬入区的粉末量多，同理大辊压轧区粉末量也比小辊压轧区粉末量多。因而，大辊轧制的带坯密度要比小辊轧制的带坯密度大。需要获得厚度大的带坯就必须加大咬入角和轧辊直径。,轧辊直径的影响,图2 工作辊径对带材
9、厚度和带材密度的影响,19,轧制速度的影响,图5 轧制速度对带材厚度和密度的影响,轧制时轧制速度由零开始逐步提高到某一临界值vk时，带坯的密度和厚度不会发生变化。若继续提高到vm，则带材的密度和厚度便会逐渐下降。随后，带坯的密度会变得不均匀，甚至轧不成带。,20,增加辊缝，增加了单位时间进入轧机的粉末数量，从而增加了带材的厚度；但是增加辊缝值，相应会减小轧辊对粉末体的轧制压力，从而减小生带材的密度。当轧辊辊缝值增大到一定程度时，轧制压力就可能减小到以至于使粉末不能被轧制成形的程度。,图6 辊间缝隙对带材厚度、密度和抗弯强度的影响,辊缝大小的影响,21,轧制气氛的影响,轧制气氛对带材厚度和密度也
10、有一定影响。粉末中含有一定量的气体,这些气体会在轧制过程中沿着与喂料相反方向和垂直方向外溢,从而降低生带材的密度和厚度,影响生带材密度的均匀性。尤其在较大轧制速度下,气体外溢对生带材质量的影响更大。在黏度较小的气氛或者在真空下轧制可以减小或者消除气体对轧制过程的不利影响，采用黏度较小的气体（如氢气）作为轧制气氛有利于提高带坯的密度和厚度。,22,轧辊表面加工程度的影响,轧辊辊面的表面粗糙度影响轧带的厚度。喷砂处理后的轧辊所轧制的带坯要比高度磨光的轧辊轧出带坯厚度增加一倍，这可用粉末体与轧辊表面的摩擦系数的增加与咬入角的扩大来解释。,表1-1 轧辊表面粗糙度对带材厚度的影响,23,改进轧制方式,
11、Qf/Vf=t=F,Fig 1 Conventional rolling and Differential speed rolling,Fig 2 Relation among rolling load P,compacting speed ratio F and roll speed ratio for a roll gap Rg of 0.05 mm,Fig 3 Relation between relative density and rolling load when varying the roll gap Rg for a roll speed ratio=1.20,思考：粉末冶金
12、元素粉轧制过程中存在的难点是什么？,1.如何保证喂料的均匀性以及带材密度分布的均匀性；2.如何获取更适合轧制的粉末，即较低的氧含量和形状适度不规则的粉末；3.如何将轧制过程理论化，利用建立的数学模型对工艺参数的选择进行优化。,Fig 1 The Equivalent Von Mises stress of the strip obtained by numerical simulation,Fig 2 Relative density distribution of the strip obtained by numerical simulation,Fig 3 Comparison of r
13、elative density along the rolling direction between the experimental results and that of the numerical simulation,Fig 4 Comparison of the rolling force between the experimental results and that of the numerical simulation,三、实例分析,粉末冶金制备TiAl合金材料的研究现状及趋势,27,TiAl基合金密度低,比强度和比刚度高,高温抗氧化性、抗蠕变性和阻燃性良好,是一种发展潜力
14、巨大的轻质高温结构材料。经过20多年的基础性研究,TiAl基合金的发展已进入实用化研究阶段。TiAl基合金板材的制备和应用是TiAl基合金实用化中较易实现的一个突破口,也是最重要的研究方向之一。制备的TiAl基合金板材通过超塑性成形,可用于制备航空航天发动机的零、部件,超高速飞行器的翼、壳体,发动机的涡轮叶片和导弹尾翼等,应用前景广阔。,熔铸法制备板材不仅需要在熔铸后进行HIP 处理和均匀化热处理以消除铸造缺陷和成分偏析,更主要的是由于TiAl基合金的本质脆性和难加工变形性,使得对轧制条件要求十分苛刻,需要采用包套轧制和等温轧制等特殊轧制工艺,提高了工艺成本。,元素粉法制备板材采用塑性变形性能
15、良好的Ti、Al元素粉作原料,固结成形后再通过加压反应获得合金板材,这样不仅有效地避开了脆性TiAl基合金的变形加工过程,且作为一种近净成形技术,无需或较少需要后续机加工,易于添加合金元素和控制合金成分,可用于制备大尺寸、超薄的TiAl基合金板材,是一种低成本的TiAl基合金板材制备工艺。,元素粉末冷轧成形及反应合成制备TiAl合金板材工艺流程,28,元素粉末冷轧成形及反应合成制备TiAl合金板材Ti、Al元素粉末冷轧行为分析,29,由此得到最佳的轧制条件为：1、流动性能适中的Ti、Al 元素混合粉末(Ti 粉粒度为0.0380.061 mm,Al 粉粒度小于0.074 mm)；2、低的轧机转
16、速(1r/min)；3、控制一定大小并较稳定的轧制压力(400 kN 以上）。,第3、5、6、7 次轧制过程：几乎无粉末随轧板向下流动,轧板连续均匀,无裂纹孔洞,成完整带材状,轧板有一定强度,有金属光泽。,元素粉末冷轧成形及反应合成制备TiAl合金板材板坯的宏观形貌及密度分析,30,通过Ti、Al 元素粉末冷轧变形,可以制备大尺寸的板材(500mm230 mm1.31.6mm)，板材均匀完整,有一定的强度,无任何宏观缺陷,具有显著的金属光泽。,2号粉末所得到的板坯密度最大,其粒度组成为0.061 mm 的Ti 粉和0.074 mm的Al 粉,在咬入宽度相同的情况下,松装密度大的粉末在轧制时咬入
17、的粉量按正比增大,这样使得板坯的密度同时增大。,元素粉末冷轧成形及反应合成制备TiAl合金板材板坯烧结过程分析及相分析,31,合金中Ti3Al 相的含量随烧结温度的升高有较大幅度的增加。1300 与1200 相比,Ti3Al 相约增加了30.6%。,元素粉末冷轧成形及反应合成制备TiAl合金板材烧结坯密度分析及孔隙形成机理,32,相对密度为80%以上的轧制板坯分别经过1200 和1300 真空无压(低压)烧结后,其相对密度大幅度降低,仅为51%-62%。即在进行烧结之后,板材中将增加约30%的孔隙度。,造成烧结坯孔隙的主要原因是原板坯中的孔隙及偏扩散。减小孔隙度的措施通常是在烧结过程中施加压力
18、。采用热压或热等静压的烧结方式可大幅度提高Ti-Al 合金的致密度。,元素粉末冷轧成形及反应合成制备TiAl合金过滤材料,33,1、以Ti、Al 元素粉末为原料,通过冷轧成形和两阶段反应合成法,制备出孔隙度为38.3%48.2%的Ti-46.5%Al(摩尔分数)金属间化合物过滤材料。2、具有最大孔隙度为48.2%的TiAl 合金过滤材料的制备工艺为:冷轧压力35.3104 43.1104 N(轧辊直径200 mm),烧结过程升温速率0.33 K/s,分别在873 和1 473 K 温度下保温50 和60 min。3、研究表明:真空烧结后,TiAl 合金由TiAl 和Ti3Al 两相组成,Ti3
19、Al 相含量随烧结温度升高而增加;所制备的TiAl 合金过滤材料的最可几孔径可达2.56 m,对应的最大孔径为11.8 m,透气度为3.21910-5 mPa-1s-1。4、原轧坯中的孔隙及Al 元素偏扩散造孔是形成过滤材料孔隙的主要原因。,预合金粉法制备TiAl合金板材,34,1、预合金粉法是指采用部分合金化或完全合金化的TiAl 基合金粉末为原料来制备TiAl 基合金板材的工艺，预合金粉末采用惰性气体雾化、等离子旋转电极、机械合金化、自蔓延高温合成等方法制备，制备的预合金粉再经过HIP、物理气相沉积（PVD）或等离子体喷涂（PS）制成一定致密度的板材后，再通过热轧或冷轧+退火处理实现致密化。2、与元素粉法板材制备工艺相比，预合金分法制备的TiAl 基合金板材氧含量及杂质含量低，成分均匀性好，烧结时易于实现致密化，力学性能优良，部分性能可与熔铸法相当，但预合金粉的制备对工艺要求较高，提高了制备成本。,THANKS,请各位老师同学批评指正！,
