【摘 要】
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本文针对高熔点合金挤压铸造成形过程中存在的模具使用性能差、使用周期短等问题,以金属与陶瓷连接结合工艺为出发点,探讨5Cr Mn Mo-3YSZ复合模具材料制备的技术路线,优化3YSZ（3mol.%Y2O3稳定的Zr O2）多孔陶瓷预制体的制备技术方案,制备获得高温性能优异、抗热冲击性能好的5Cr Mn Mo-Ni Cr Co Al Y/3YSZ复合模具材料,进而提高用于高熔点合金挤压铸造成形的模具
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“用于高熔点合金挤压铸造的金属-陶瓷复合模具材料的研究”,基金编号:51174064；
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本文针对高熔点合金挤压铸造成形过程中存在的模具使用性能差、使用周期短等问题,以金属与陶瓷连接结合工艺为出发点,探讨5Cr Mn Mo-3YSZ复合模具材料制备的技术路线,优化3YSZ（3mol.%Y2O3稳定的Zr O2）多孔陶瓷预制体的制备技术方案,制备获得高温性能优异、抗热冲击性能好的5Cr Mn Mo-Ni Cr Co Al Y/3YSZ复合模具材料,进而提高用于高熔点合金挤压铸造成形的模具使用寿命,降低高熔点合金挤压铸造制件的生产成本。首先分别采用等离子喷涂技术、热压烧结技术以及陶瓷注射成形技术对5Cr Mn Mo-3YSZ复层模具材料进行制备研究,发现等离子喷涂5Cr Mn Mo-3YSZ复层材料试样中3YSZ陶瓷层厚度较薄,而热压烧结技术及陶瓷注射成形工艺制备的5Cr Mn Mo-3YSZ复层材料内出现模具钢基体重熔和塑性变形,使得5Cr Mn Mo-3YSZ复层材料的模具使用性能及结合强度并不理想。在此基础上,本文提出了采用多孔陶瓷预制体烧结与浸渗连接工艺相结合的新的5Cr Mn Mo-3YSZ复合模具材料制备技术方案。本文采用改进的Monte Carlo模型模拟分析了烧结温度、烧结时间、固相扩散速率、空位收缩速度等因素对烧结过程中3YSZ多孔陶瓷的微观组织演化规律的影响,并采用颗粒堆积法对模拟系统进烧结验证,发现该系统可快速高效模拟3YSZ多孔陶瓷烧结行为。将添加造孔剂法与颗粒堆积法结合,优化3YSZ多孔陶瓷组织性能,并研究分析不同造孔剂、造孔剂含量、烧结温度、烧结时间及第二相对3YSZ多孔陶瓷组织性能的影响,特别是断裂韧性及浸渗性能的影响;采用15wt.%的25μm PMMA、10wt.%Ni Cr Co Al Y,在1500℃烧结,保温2h,制得断裂韧性高的Ni Cr Co Al Y/3YSZ复相多孔陶瓷,其孔隙率、抗压强度、弯曲强度及断裂韧性分别为43.83%、257.55MPa、79.96MPa、4.75 MPa?m1/2。浸渗性能测试表明,随着造孔剂含量增加、烧结温度及烧结时间变化,3YSZ多孔陶瓷的浸渗能力随之变化;试验制得3YSZ多孔陶瓷均表现较理想的浸渗性能,可满足后续5Cr Mn Mo金属与3YSZ多孔陶瓷浸渗连接的试验需求。通过挤压铸造浸渗过程理论分析,计算了临界浸渗压力,推导了浸渗深度的计算公式。当陶瓷粒径越大、开孔孔隙率越高,则临界浸渗压力越小;当浸渗温度越高且保温保压时间越长,则浸渗深度越深。在浸渗连接过程中多孔陶瓷的孔隙形状影响应力和热量的传导,进而改变浸渗体系的应力场和温度场分布,球形空隙的多孔陶瓷最有利于浸渗连接。结合理论分析与模拟结果确定了最佳浸渗连接技术方案:模具预热温度330-370℃、多孔陶瓷预制体预热温度800-850℃、浸渗浇注温度1550±20℃、设备下行速度5mm/s、浸渗压力45MPa、保压时间45s。对制得的5Cr Mn Mo-3YSZ与5Cr Mn Mo-Ni Cr Co Al Y/3YSZ复合材料进行组织性能分析,利用5Cr Mn Mo-Ni Cr Co Al Y/3YSZ复合挤压铸造模具制备技术方案制备获得简单的5Cr Mn Mo-Ni Cr Co Al Y/3YSZ复合模具。Ni Cr Co Al Y金属相优化了5Cr Mn Mo在3YSZ内的浸渗行为,使得5Cr Mn Mo-Ni Cr Co Al Y/3YSZ复合材料的抗剪强度达到189.63MPa,抗热振循环次数可达136次。试验所制模具微观组织结构较理想并表现出良好使用性能,其抗剪强度可达169.19MPa,抗热振循环次数可达115次,磨损率为3.784 mg/（km·N）,800℃时的导热率为5.47W/（m·℃）;5Cr Mn Mo-Ni Cr Co Al Y/3YSZ复合材料可以用于制备高熔点合金挤压铸造的成形模具。在应用方面,课题采用泡沫法分别制备了3YSZ多孔陶瓷预制体及Al2O3多孔陶瓷耐磨圈,经挤压铸造浸渗制得的连续3YSZ陶瓷增强5Cr Mn Mo复合材料及连续Al2O3陶瓷增强铝合金制件均表现出极佳的耐磨性和结合性能,对于复合材料制备及制件工业化生产具有实际应用价值。
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