【摘要】：利用微波技術(shù)燒結(jié)金屬及合金材料,可使材料的微觀結(jié)構(gòu)更加細化均勻,從而增強材料的機械性能,是制造高性能新型合金的優(yōu)異技術(shù),研究微波和金屬之間力學作用產(chǎn)生的機理,對進一步揭示微波燒結(jié)原理、指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)具有及其深遠的意義。本文首先闡明了深入理解微波燒結(jié)合金的機制、實現(xiàn)微波制備合金技術(shù)可控的關(guān)鍵途徑是進行微波燒結(jié)金屬過程中相關(guān)力學機理的研究。為了分析和驗證微波燒結(jié)中存在的力學作用機制,展開了具備不同電磁學性質(zhì)的金屬的微波燒結(jié)同步輻射斷層掃描(SR-CT)在線實驗,定量分析了燒結(jié)動力學參數(shù)(燒結(jié)頸)的演化過程。結(jié)合實驗結(jié)果,討論了不同電磁學性質(zhì)和微觀組織形貌對微波燒結(jié)金屬的力、熱驅(qū)動效應(yīng)的作用。本文的研究的主線內(nèi)容如下：1、首次開展了具有不同電磁學性能的金屬單質(zhì)及其混合物的微波燒結(jié)在線實驗研究,發(fā)現(xiàn)各類金屬均出現(xiàn)了迅速又獨特的微觀組織形貌變化現(xiàn)象,定量統(tǒng)計不同金屬燒結(jié)頸動力學參數(shù)隨燒結(jié)實驗的演化曲線,分析了相關(guān)的物質(zhì)擴散機制。實現(xiàn)了不同電學性質(zhì)(低電阻金屬Al、高電阻金屬Ti和Al-Ti混合金屬)以及不同磁學性質(zhì)(抗磁性金屬Cu、鐵磁性金屬Ni和Cu-Ni混合金屬)金屬及其混合物的微波燒結(jié)的SR-CT在線實驗研究。通過實驗獲得的三維微觀結(jié)構(gòu)演化圖像,發(fā)現(xiàn)了具備不同電磁學性質(zhì)的金屬在微波燒結(jié)過程中,微觀形貌特征的變化存在諸多不同的現(xiàn)象。定量分析動力學參數(shù)隨燒結(jié)時間演化的曲線,提出了不同金屬體系的燒結(jié)現(xiàn)象特征。2、揭示了金屬材料在微波電磁場中的感應(yīng)渦流對微觀結(jié)構(gòu)演化產(chǎn)生的影響,研究了渦流的力效應(yīng)和熱效應(yīng)對物質(zhì)擴散和結(jié)構(gòu)運動的作用,結(jié)合改進的相場數(shù)值模型,對相關(guān)機理進行了分析。分析了金屬顆粒在微波電磁場作用下生成感應(yīng)渦電流的機理和強度,構(gòu)建了渦電流產(chǎn)生力學作用的模型,并在相場模型中引入吸引力作用模型,分析驗證了造成Al和Ti在微波燒結(jié)前段時期出現(xiàn)燒結(jié)頸動力學參數(shù)不同的原因。發(fā)現(xiàn)渦電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)導(dǎo)致金屬的物質(zhì)擴散系數(shù)發(fā)生改變,造成Al顆粒間燒結(jié)頸生長速率減緩、Ti燒結(jié)頸生長速率提高的現(xiàn)象,將相場模型中的擴散熱力學常量修改為多種擴散機制共同作用的變量,驗證了渦流熱效應(yīng)對物質(zhì)擴散的影響。3、探索了金屬材料的磁疇結(jié)構(gòu)和混合金屬異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)對微波燒結(jié)產(chǎn)生的力、熱作用。根據(jù)鐵磁性Ni金屬微結(jié)構(gòu)演化現(xiàn)象和微觀動力學參數(shù)演化曲線,分析了磁疇結(jié)構(gòu)和微波磁場分量產(chǎn)生熱力學驅(qū)動力,加速物質(zhì)擴散速度,導(dǎo)致鐵磁性金屬的微觀結(jié)構(gòu)演化速度更快,并結(jié)合增強的多種擴散機制相場模型進行分析驗證。提出由于微波中磁場分量的作用,導(dǎo)致具有不同磁性的金屬磁化方向相反,使顆粒間產(chǎn)生排斥力作用,并將排斥力模型引入相場模擬中,對力學作用機理分析進行驗證。最后在相場動力學方程中加入晶界作用力的修正項,結(jié)合多種擴散機制耦合的擴散動力學系數(shù),分析了由于異質(zhì)界面的存在,和微波產(chǎn)生相互作用,對混合金屬燒結(jié)產(chǎn)生了力、熱效應(yīng)。本文通過實驗觀測、理論分析、模擬驗證三個方面,研究金屬及合金的微波燒結(jié)機制。開展了微波燒結(jié)具有不同電磁學性質(zhì)的金屬SR-CT在線實驗研究,根據(jù)相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)演化特征,分析微波和金屬間產(chǎn)生的力、熱效應(yīng),結(jié)合改進的相場數(shù)值模型,驗證了分析的正確性。
【圖文】：

圖２．６），從該逡逑

逑的大小將發(fā)生變化，顆粒間的孔隙慢慢變小甚至消失，大量的固－氣表面轉(zhuǎn)化為逡逑固－固表面。每隅一段時間統(tǒng)計一次Ａ１顆粒自由表面積的大小，，從圖２．９中可逡逑發(fā)現(xiàn)，金屬Ａ１在微波中燒結(jié)的過程中，其自由表面積持續(xù)減小到燒結(jié)過程停止，逡逑證明Ａ１—直有效地和微波產(chǎn)生作用。微波燒結(jié)結(jié)束時，Ａ１樣品表面積平均減少逡逑了邋４７０４個像素，和初始的粉末體系相比，降低了邋６９．１％，即顆粒之間接觸緊密，逡逑金屬Ａ１樣品逐漸達到致密化。隨著自由表面積的減少，Ａ１粉巧逐漸由疏松樣品逡逑變?yōu)橹旅艿臒Y(jié)體，微波難穿入燒結(jié)體，反射增強，故出現(xiàn)了圖２．８中燒結(jié)現(xiàn)逡逑象減緩的現(xiàn)象。逡逑．、！邐＇邋Ｐｕｒｅ邋Ａ１邋Ｇｒａｉｎ邋Ｓｕｒｆａｃｅ逡逑Ｉ－邋－邋Ｌｉｎｅａｒ邋Ｆｉｔｔｉｎｇ逡逑＾６０００－邋邐逡逑Ｉ逡逑Ｉ邋４０００－邐、逡逑Ｖ逡逑２０００－邋、逡逑？逡逑０邐１０邐２０邐３０邐４０邐５０逡逑Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ邋Ｔｉｍｅ，ｍｉｎ逡逑困２．９邋Ａ１自由表面隨時間的變化洽勢逡逑金屬Ｔｉ和金屬Ａ１均具有相同的磁學性質(zhì)（均為順磁性金屬），但Ｔｉ的導(dǎo)電逡逑性和Ａ１相差較大
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TF124.5;TN015

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本文編號：2548933