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造孔剂法制备钛基泡沫金属工艺优化及组织性能研究

刘永宁  
【摘要】:泡沫钛材料在骨科植入材料、催化剂载体及吸能缓震等方面都有着广阔的应用前景,而粉末冶金制备泡沫钛有操作简单、成本低廉、孔隙结构可控的优势特点,受到广泛关注,然而目前关于泡沫钛的粉末冶金法制备仍旧停留于实验研究阶段,其工艺参数对泡沫钛成型性、组织及性能的影响规律尚未全面系统研究,其孔隙率的预测也是亟需解决的问题。为此本研究将基于造孔剂法系统研究不同工艺参数及合金元素Mo对泡沫钛孔隙结构及力学性能的影响,分析其对泡沫钛孔隙结构及组织性能的影响规律,同时对孔隙率预测方程进行实验验证,以期对泡沫钛的工艺实用化及孔隙率的可控制备和预测提供依据。本研究主要内容及结果如下:(1)实验结果表明造孔剂粒径对泡沫钛材料的结构及性能有很大的影响,具体表现在泡沫钛的孔隙率随着造孔剂粒径减小而小幅降低,力学性能与开孔率则是随造孔剂粒径减小呈现先增大后减小的趋势。综合比较,当造孔剂粒径为205.46μm时,其制备得到的泡沫钛综合性能最好,孔隙率与开孔率分别达到66.44%与99.45%。(2)适当的提高压制压力有利于改善钛粉间的接触,提高钛粉间的结合力。烧结时应力释放对烧结过程有促进作用,但过大的压制压力则不利于造孔剂的脱除过程,反而容易造成局部坍塌,同时也会降低孔隙的开孔率,在相同条件下当压制压力为200 MPa时,泡沫钛抗压强度达到最高,即26.1 MPa,且其孔隙开孔率也保持在99.05%左右。(3)保温时间对烧结质量有着较重要的影响,延长烧结保温时间有利于烧结过程更充分,同时有效提高了孔壁的致密度,泡使沫钛有更优异的力学性能。当保温1 h时其压缩屈服强度可达23.95 MPa,随后进一步延长保温时间,其力学性能增长不大,基本趋于24~26.1 MPa左右,同时过分延长保温时间,不利于获得更高的孔隙率与开孔率,综合考虑认为在本实验条件下保温1 h烧结较为合理。(4)造孔剂的添加量直接决定了泡沫钛的孔隙结构及力学性能。随造孔剂增多,泡沫钛孔隙率及开孔率上升,但孔隙率往往低于造孔剂添加量,且随造孔剂添加量越多,该差值越大。同时造孔剂添加量越多,其力学性能越差。造孔剂添加量达到55%时泡沫钛也具备高达96.14%的开孔率,得到的泡沫钛已为开孔结构泡沫钛。(5)Mo元素的添加一方面提高孔壁的致密度,同时也降低泡沫钛的孔隙率,从而有利于提高泡沫钛的强度和硬度。而另一方面Mo元素的添加也大为促进了α-Ti向β-Ti转变,从而有利于泡沫钛合金塑性的改善但降低其强度和硬度。研究结果表明在这两者的综合作用下,随Mo添加量增多泡沫钛合金的强度和硬度呈现先升高后降低的趋势。在Mo元素添加量达到12 wt%时,其强度和硬度相比于泡沫纯钛分别提升了44.8%与59.4%,弹性模量则是随Mo添加量增多一直下降。本课题组提出的预测方程不仅适用于纯钛,在0 wt%~16 wt%Mo添加量的泡沫钛钼合金同样有很高的准确性,这为以后粉末冶金制备多孔材料孔隙率预测工作具有重要的参考价值。


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