超声热压烧结陶瓷刀具材料的致密化理论研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lixin200513137149
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为了改善陶瓷刀具材料的致密性以提高其综合力学性能,本文在真空热压烧结的基础上,施以超声波作为辅助烧结,在理论方面研究了超声波对金属相与陶瓷相间润湿性的影响,并探讨了超声波作用下的液相烧结初期、中后期致密化烧结情况,最后利用MATLAB仿真揭示了烧结参数对液相烧结致密化的影响规律。具体研究内容及结果有以下几部分:(1)简述了陶瓷刀具的由来、研究目的及意义,综述了目前热压烧结国内外有关润湿性及致密性的研究现状,概述了有关陶瓷刀具材料致密化过程中工艺研究现状以及存在的优缺点,阐述了热压烧结的理论,描述了超声波的产生及原理、超声波能量以及超声波的效应。(2)超声波作用下,依据粉末液相烧结原理、液相烧结润湿情况和最小能量原理,推导了润湿角方程,并探究了超声波热效应对润湿角的影响及施加超声波的情况下润湿角的变化。(3)根据液相烧结过程中气孔产生机理、气孔与致密化之间的关系以及超声波对气孔变化的影响,构建了气孔的结构模型。依据超声波的热效应,研究了液相粘度随温度的变化;从吉布斯自由能与温度变化量、比表面能间的关系,探究了超声热效应对表面能的影响。根据液相烧结原理,建立了液相烧结颗粒受力模型,得出了烧结体系的初期致密化方程;依据陶瓷体系Ti B2-Ni的烧结情况,由初期致密化方程,计算了不同超声波频率、液相粘度下对应的相对密度值,得出了增大超声波频率有助于烧结初期材料的致密化,施加超声波有利于降低液相粘度,烧结材料的相对密度随着液相粘度的降低而增大。(4)通过粉末烧结原理及固液相演变模型,推导出液相烧结中后期致密化方程;从施加与未施加超声波下的相对密度变化曲线可以看出,随着保温时间的延长,烧结材料的相对密度逐渐提高,并且施加超声波的致密化速率比未施加的快,超声波影响着陶瓷刀具材料的致密化速率,加快了陶瓷刀具材料的致密化进程。(5)通过MATLAB仿真得到的三维图形可以看出,烧结材料的相对密度受保温时间、晶粒尺寸、液相粘度、烧结压力、烧结温度、超声波频率的影响;随着保温时间、烧结压力、超声波频率的增加,得到的相对密度就越大;晶粒尺寸、液相粘度越小,越有利于烧结材料致密化;当保温时间一定时,烧结温度不断升高时,相对密度基本不变。
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