【摘要】：多微孔隙材料體內(nèi)含有大量相互聯(lián)通微小孔,所以多孔質(zhì)氣體潤滑軸承相較于傳統(tǒng)的小孔節(jié)流型、狹縫節(jié)流型氣體潤滑軸承具有更高的承載能力和靜剛度,并具有更好的穩(wěn)定性。多孔質(zhì)氣體潤滑軸承的多孔質(zhì)節(jié)流器要求多孔體材料具有良好的透氣性,并且具有較高的強(qiáng)度和剛度,以保證多孔質(zhì)材料承受較大壓力時(shí)不發(fā)生變形或破壞。目前已有的石墨多孔質(zhì)節(jié)流器、燒結(jié)金屬粉末多孔質(zhì)節(jié)流器均只能在低壓下工作,無法承受較高壓力。金屬絲網(wǎng)本身具有孔隙結(jié)構(gòu),網(wǎng)內(nèi)的金屬絲連續(xù)無斷裂使得絲網(wǎng)具有較高的力學(xué)性能,以金屬絲網(wǎng)為材料制備金屬多孔體也將繼承這些優(yōu)勢。為獲得一種以金屬絲網(wǎng)為原材料、制備工藝簡單、具有較高強(qiáng)度和剛度、并可以直接用于成型加工的金屬多孔材料,本論文提出一種新型多微孔隙不銹鋼板材制備方法,并研究了材料的結(jié)構(gòu)表征、力學(xué)性能、成型性能及在氣浮推力軸承的承載特性。本研究設(shè)計(jì)了一套不銹鋼絲網(wǎng)、粉末預(yù)成型的坯體制造裝置,該裝置包括粉末鋪設(shè)平臺、粉末軋制設(shè)備和網(wǎng)、粉卷繞設(shè)備,其自動化程度高、效率高,結(jié)構(gòu)簡單,便于實(shí)現(xiàn)坯體的自動化、規(guī)模化生產(chǎn)。提出了以不銹鋼絲網(wǎng)和不銹鋼粉末復(fù)合坯體為原材料,通過對復(fù)合坯體壓制、軋制最后燒結(jié)的方法制備多微孔不銹鋼板材的工藝,并以該工藝制備了孔隙率為10%~40%,厚度為0.5~4.5 mm的多微孔隙不銹鋼板材,其中包括不含不銹鋼粉末的燒結(jié)多層不銹鋼絲網(wǎng)多孔板和含有粉末的燒結(jié)不銹鋼絲網(wǎng)、粉末復(fù)合多孔板。多孔材料的孔隙率、孔隙及骨架結(jié)構(gòu)、孔徑參數(shù)決定其功能應(yīng)用。通過宏觀測量和顯微觀察法研究了多微孔隙不銹鋼板的孔隙及骨架結(jié)構(gòu):燒結(jié)不銹鋼絲網(wǎng)多孔板材的表面孔隙形狀為規(guī)則的正方形,表面金屬絲被軋制成扁平狀,內(nèi)部孔隙因金屬絲的隨機(jī)分布呈現(xiàn)大小不一的矩形;燒結(jié)不銹鋼絲網(wǎng)、粉末復(fù)合多孔板表面孔隙形狀因粉末嵌入網(wǎng)孔呈現(xiàn)不規(guī)則性,形狀各異,內(nèi)部孔隙分則為體心立方和面心立方排列。研究了制備工藝參數(shù)對多微孔隙不銹鋼板孔隙率的影響:軋制下壓量越大,材料的孔隙率越低;燒結(jié)溫度越高,材料的孔隙率越低。數(shù)據(jù)對比表明,軋制量的選擇對多孔板的孔隙率有決定性影響,燒結(jié)溫度對孔隙率影響較為微弱。通過氣泡實(shí)驗(yàn)法研究了多微孔隙不銹鋼板材的孔徑參數(shù):多微孔隙不銹鋼板材的孔徑隨著原材料絲徑的減小、燒結(jié)溫度的升高而減小,燒結(jié)絲網(wǎng)多孔不銹鋼板材的平均孔徑尺寸介于4.16~5.51μm,絕大多數(shù)孔徑小于10μm,尺寸分布均勻;燒結(jié)絲網(wǎng)、粉末復(fù)合多孔不銹鋼板的平均孔徑約20μm,最小孔徑2.3μm,最大孔徑86.3μm,分布范圍較廣。通過氣體滲透法研究了燒結(jié)不銹鋼多孔板的氣體透過性能,孔隙率越高,透過性能越好;原材料絲徑對透氣性也有影響,但是不及孔隙率對透氣性的影響顯著;燒結(jié)不銹鋼絲網(wǎng)、粉末復(fù)合多孔板的透氣性最好。材料的力學(xué)性能是評價(jià)其使用性能的重要指標(biāo),文章以抗拉強(qiáng)度為指標(biāo)研究了燒結(jié)溫度、原材料絲徑、孔隙率等參數(shù)對拉伸性能的影響:多微孔隙不銹鋼板材的抗拉強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高、原材料絲徑的增粗和孔隙率的降低而升高。其中,原材料為60目絲網(wǎng)、燒結(jié)溫度1330℃、孔隙率越15%的多孔板抗拉強(qiáng)度達(dá)到380 MPa,達(dá)到致密不銹鋼材料的70%。通過沖擊力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了多微孔隙不銹鋼板材的沖擊力學(xué)行為:多微孔隙不銹鋼板材的沖擊韌性隨燒結(jié)溫度、原材料絲徑、孔隙率的變化與拉伸實(shí)驗(yàn)有著相似的變化規(guī)律。多孔板的力學(xué)性能數(shù)據(jù)表明,其抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性相較于傳統(tǒng)的燒結(jié)不銹鋼粉末、纖維多孔體具有大幅提升。通過脹形實(shí)驗(yàn)和筒形拉深試驗(yàn)研究了多微孔隙不銹鋼板材的沖壓成型特性。實(shí)驗(yàn)顯示,孔隙率為15%,坯體直徑180 mm,厚度1.5 mm的坯體材料在凸模直徑110 mm模具下,脹形高度達(dá)到30 mm未出現(xiàn)破裂,說明多微孔隙不銹鋼板具有良好的塑性成形性能,可被冷塑性加工成為各種形狀的零件。以多微孔隙不銹鋼板材為多孔質(zhì)節(jié)流器,設(shè)計(jì)、制備了帶有氣腔的多孔質(zhì)氣體靜壓推力軸承,并實(shí)驗(yàn)研究了軸承的靜態(tài)承載特性。多孔質(zhì)氣體靜壓軸承的承載力和靜剛度隨著外部供氣壓力的增大和節(jié)流面的增大而增大;而在節(jié)流面面積相同時(shí),局部多孔質(zhì)氣體靜壓軸承的承載力和靜剛度相比于單面節(jié)流軸承均有所增大。與其他形式的多孔質(zhì)氣體靜壓推力軸承的靜態(tài)承載性能數(shù)據(jù)對比,以多微孔隙不銹鋼板材作為多孔質(zhì)節(jié)流器的軸承具有較高的承載能力,且在高壓極限承載試驗(yàn)中,節(jié)流器直徑為30 mm的氣浮軸承測得最高承載力達(dá)5108 N。以流體力學(xué)理論為基礎(chǔ),建立了多孔質(zhì)氣體靜壓軸承的靜態(tài)性能數(shù)學(xué)模型;利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT,模擬了多孔質(zhì)氣體靜壓軸承的靜態(tài)性能,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。最后,將以多微孔不銹鋼板制備的氣浮止推軸承用于高速電主軸的減振測試,試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)證明,氣浮軸承對高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電主軸的振動具有良好的抑制作用,這對多微孔不銹鋼板在氣浮軸承中應(yīng)用具指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.4;TG142.71;TH133.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2699575