镍基高温合金空心球多孔材料的制备与性能研究

【摘要】： 本文以INCO-617合金粉为原材料,聚乙烯醇为粘结剂,聚苯乙烯珠粒为造孔剂,采用粉末冶金法制备了Ni基高温合金空心球多孔材料及其夹芯结构。探讨了粉末类型、粘结剂浓度、液固比对合金粉浆涂覆性能的影响,并研究了空心球多孔材料的烧结工艺。利用扫描电子显微镜、X射线衍射等分析测试手段,对材料的烧结组织与相组成进行了分析,并对所制备的材料进行了压缩实验,研究空心球多孔材料压缩性能的变化规律。 实验制备了孔隙率为78.1~90.7%的INCO-617合金空心球多孔材料,对其制备工艺的研究表明,在适合的粘结剂浓度下,小尺寸的雾化细粉或不规则形状的球磨粉末均具有良好的涂覆性;采用低粘结剂浓度,雾化细粉或高比表面能的球磨细粉,采用更高的烧结温度、更长的烧结时间均有利于空心球多孔材料孔壁的致密化。多孔材料的相组成为基体γ相、高Cr碳化物M23C6和高Mo碳化物M6C两种碳化物组成。对于雾化细粉制备的空心球多孔材料,随着烧结温度的提高以及时间的延长,碳化物的尺寸增大,数量先增多后减少。相同工艺下,球磨粉末制备的空心球多孔材料的碳化物尺寸更小、析出更弥散。 空心球多孔材料的孔隙率主要受空心球的结构参数与排布方式的影响。显微硬度实验和压缩实验结果表明,粉末烧结情况和显微组织两类因素综合作用影响着高温合金空心球多孔材料的力学性能。雾化细粉制备的空心球多孔材料具有更优的压缩性能,随着孔壁致密化程度的提高,孔壁的硬度提高,空心球多孔材料的压缩强度以及弹性模量增加,应力-应变曲线开始出现明显的平台区,进一步提高烧结温度或延长烧结时间,由于碳化物的影响,平台区的应力波动有所增加。相同工艺以及密度条件下,薄壁小孔径空心球多孔材料的力学性能要优于厚壁大孔径空心球结构,BCC结构空心球多孔材料的力学性能要优于SC结构的空心球多孔材料。空心球结构与制备工艺相同时,空心球多孔材料的密度和压缩性能可以通过选用不同直径的造孔剂来控制。实测的σ*/σs值远高于开孔泡沫,烧结温度为1230℃时,其压缩强度甚至与闭孔泡沫理论值接近。高温合金空心球多孔材料的压缩断口主要为粉粒间烧结颈的断裂,随着粉末烧结程度的提高,断口处致密金属断面的面积越大,断裂前孔壁参与塑性变形的体积增多。当烧结温度高于1150℃时,空心球多孔材料压缩时呈现出逐层破坏的变形特征。空心球多孔材料具有良好的吸能能力以及高的吸收效率,致密化区前吸能效率大于70%。 以实验制备的INCO-617合金空心球多孔材料为芯体,采用球磨细粉粉浆连接法,制备了具有足够强度的冶金结合界面的高熔点三明治夹芯结构。空心球多孔材料夹芯管改变了薄管的变形机制,相同应变下增加外表面薄管的塑性变形,在保持空心球多孔材料轻质、高吸能效率的同时,增大了结构的吸能能力,致密化区前能量吸收效率超过85%。三明治夹芯板制备与性能研究表明,轻质芯体的使用增大了结构的刚度,并且由于空心球多孔材料芯体与面板之间界面结合强度足够高,在性能实验与计算过程中可忽略界面的影响,夹芯板的加载刚度和极限载荷与理论值吻合较好,展现出良好的发展前景。