【摘要】：金屬-氣體共晶定向凝固法,也稱為Gasar,是一種利用氣體(主要是氫氣)在金屬固-液兩相中的溶解度差制備規(guī)則多孔材料的新工藝。所制得的多孔材料具有圓柱狀定向排列的孔隙結(jié)構(gòu)使該種材料不僅具有傳統(tǒng)多孔材料的輕質(zhì)、高比強度和比剛度等特點,而且還具有很多特殊的性能,比如：各向異性,小的應(yīng)力集中效應(yīng)、獨特的聲學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能使得該種材料在過濾器、自潤滑軸承、氣體分散器、熱交換器等諸多領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用價值。目前采用Gasar工藝能夠制備規(guī)則多孔純金屬,但是在合金中卻難以得到規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)。使得Gasar多孔材料在孔隙結(jié)構(gòu)上所具有的特點和優(yōu)勢大打折扣,極大限制了規(guī)則多孔材料的使用范圍。從應(yīng)用的角度出發(fā),合金化是提高Gasar多孔金屬力學(xué)性能的最有效方式。但是目前人們對合金化條件下的Garsar凝固行為了解不多,還不能對其氣孔結(jié)構(gòu)進行有效的控制。主要表現(xiàn)在如下幾個方面：首先,合金的凝固模式遠比純金屬復(fù)雜,會對氣泡的形核及長大過程產(chǎn)生重要影響；其次目前還缺少合金化條件下,基體組織與氣孔生長之間的相互作用方面的研究；此外,氣孔合并對于孔隙率和孔徑有重要的影響,但是對于合金化條件下的氣孔合并行為,國內(nèi)外尚未見報道。本論文將針對上述二個問題展開研究。在純氫氣氛中,采用模鑄法成功制備了多孔單相Cu-xCr(x=0、0.3、0.5wt.%)、亞共晶(x=0.8、1.0wt.%)、共晶Cu-1.3wt.%Cr和過共晶Cu-1.8wt.%Cr合金,實現(xiàn)了對多孔Cu-xCr合金氣孔結(jié)構(gòu)的控制。通過對多孔Cu-xCr合金的氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)(氣孔率、氣孔直徑、氣孔分布)的分析,明確了Cr含量、氫氣壓力和凝同速率對氣孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨Cr含量增加,多孔Cu-xCr合金氣孔率變化不大,氣孔直徑先增大后減小再增大；隨氫氣壓力增大,多孔Cu-xCr合金氣孔率、氣孔直徑減小,氣孔尺寸分布更均勻�；谫|(zhì)量守恒定律,建立了氫在合金熔體中溶解度的計算模型,并對多孔Cu-xCr合金的理論氣孔率進行了預(yù)測,結(jié)果表明,理論計算和相應(yīng)實驗結(jié)果總體吻合較好。通過對氣孔結(jié)構(gòu)隨Cr含量、氫氣壓力的變化規(guī)律的深入研究發(fā)現(xiàn)：氫在合金固、液相中的溶解度差是決定氣孔率的主要因素。而氣孔直徑則與合金固、液界面前沿糊狀區(qū)寬度有關(guān),其變化規(guī)律與糊狀區(qū)寬度一致。通過對Cr含量、氫氣壓力和凝固速率對多孔Cu-xCr合金基體組織影響的研究,獲得了多孔Cu-xCr合金基體組織與氣孔的相互作用及其對氣孔形貌的影響規(guī)律。隨著凝固速率下降,氣孔的定向性變差與合金的凝固模式有關(guān)。當(dāng)凝固模式為平面、胞狀和柱狀枝晶凝固時,能獲得定向生長的氣孔結(jié)構(gòu),當(dāng)凝固模式由平面、胞狀和柱狀枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S枝晶凝固后,氣孔的規(guī)則性變差。此外,氣孔在多孔單相Cu-xCr合金的晶內(nèi)和晶界均能形核,而多孔亞共晶Cu-xCr合金中氣孔主要在共晶前沿形核并長大。通過對定向凝固過程中的氣孔合并行為及形貌的3D X射線斷層掃描及分析,明確了氣孔的合并現(xiàn)象與氣孔內(nèi)的壓力密切相關(guān)。純銅中的氣孔合并通常都是長、短兩個氣孔之間進行,氣孔合并的尺寸效應(yīng)明顯。多孔Cu-1.3Cr合金中的氣孔合并也存在尺寸效應(yīng),隨著氣孔生長,氣孔溫度的下降會造成氣孔壓力下降。氣孔長度越大,壓力下降就越顯著,因此較短氣孔中的氫會向長的氣孔進行傳輸,并最終促使氣孔合并在一起。研究了多孔Cu-xCr合金的壓縮性能。結(jié)果表明,Cr含量、氣孔率、氣孔直徑及加載方向是影響多孔Cu-xCr合金壓縮性能的主要因素。
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圖１．３邋Ｇａｓａｒ多孔材料應(yīng)用ｗ逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋Ｇａｓａｒ邋ｐｏｒｏｕｓ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ川逡逑圖１．３所示，有宇航工業(yè)中使用的超輕Ｍｇ板，水凈化中使用的氧氣發(fā)生器，高逡逑性能的過濾器和流體軸承和人工骨組織，＾＾及用作優(yōu)良的散熱器或運用在火箭和逡逑噴氣發(fā)動機中承受高溫的催化劑陶瓷載體逡逑目前，Ｇａｓａｒ工藝Ｗ及Ｇａｓａｒ多孔材料的研究開發(fā)得到了廣泛的重視。其中，逡逑日本大阪大學(xué)的Ｎ沁ａｊｉｍａ課題組在制備工藝方面走在了世界前列，他們開發(fā)了模逡逑２逡逑

Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｒａｗｉｎｇ邋ｏｆ邋ｍｏｕｌｄ邋ｃａｓｔｉｎｇ邋ａｐｐａｒａｔｕｓ［７４１，邋（ａ）邋ｐｏｕｒ邋ｐａｃｋａｇｅ邋ｍｅｔｈｏｄ，邋（ｂ）邋ｄｏｕｂｌｅ逡逑ｐａｃｋａｇｅ邋ｍｅｔｈｏｄ，邋（ｃ）邋ｌｅａｋａｇｅ邋ｐａｃｋａｇｅ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑目前Ｇａｓａｒ研究學(xué)者采用模鑄定向凝固工藝除了串恪出多孔Ｍｇｔ７５’７６］、Ｃｕ［ｉ９，Ｗ、Ｎｉ【氣逡逑Ｆｅ［７８’７９］、ｓｉｆｗ’Ｗ等純金屬之外。在合金領(lǐng)域，，也用該種方法進行了多孔鎮(zhèn)合金Ｐｉ］、逡逑鑲合金ｔ８２ｌ、不誘鋼心’８３’＾和銅鈕合金的嘗試。日本大阪大學(xué)Ｎａｋｊｉｍａ課題組采逡逑用模鑄定向凝固法制備多孔不誘鋼ｉＷ時發(fā)現(xiàn)，隨著凝固高度的X椉櫻囁撞揮嶄皺義掀卓拙噸鸞ピ齟螅咨け淶貌瘓�。同时栽溹化媚z轄鷸票福簦螅病福叮蹋瑁ㄍ跡保擔(dān)╁義弦部吹嚼嗨葡窒�，气孔生长极帛堸札x自艙認陸擔(dān)治齜⑾鄭啾儒義希茫幔螅幔蚨囁狀拷鶚艫鬧票�，Ｃａｓａｒ秶司Y轄鸕鬧票富共荒芡黃坪轄鴆牧先鵲悸實偷膩義銜侍�。由诱E揮嶄鄭簦鰨欏⒁轄穡簦螅玻У娜鵲悸試兜陀詿客�，哉槪铸定向凝棺T椒ㄖ�，辶x纖孀拍痰慕校蹋航緱嬖獨胨渫�，经橡堼篂┛分导除_娜攘恐鸞ケ瀆�，辶x鮮溝霉蹋航緱媲把嗇趟俁冉檔�，矢`斐善捉峁共瘓戎饕頡ｅ義獻罱�，蒋桂t癲捎媚Ｖㄏ蚰坦ひ粘曬χ票賦雋碩囁祝茫酰常矗叮鰨簦

本文編號：2537712