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本课题以Ti基非晶合金为研究对象,目的是探索制备块体非晶合金及其复合材料的放电等离子烧结(SPS)技术及工艺。
课题所研究的Ti基非晶合金的名义成分为Ti50Cu23Ni20Sn7,其非晶合金粉体的制备是通过机械合金化的方法实现的。为此,课题首先探索了金属粉末在行星式球磨机中进行球磨,从而实现合金化并逐渐形成非晶态合金的工艺过程。主要研究了在不同球磨机转速和不同球料比的条件下,金属粉末逐渐实现合金化,并最终形成非晶合金粉体所需要的球磨时间。球磨实验过程中采用X射线衍射仪(XRD)分析了球磨工艺对非晶态合金粉体形成的影响;采用扫描电镜(SEM)观察了非晶合金粉体的形貌;采用荧光分析仪分析了非晶合金粉体的实际元素成份;采用差示热分析仪(DSC)测量了粉体的过冷液相区温度,即非晶转变温度Tg和晶化温度T。
将机械合金化法制备的非晶合金粉体,装入硬质合金模具中,进行预压后,放入放电等离子烧结炉内,快速烧结成块体试样。烧结前应将烧结炉内抽成真空,以防止烧结时发生氧化,并增加烧结试样的致密度。在烧结试验中,根据DSC测得的非晶转变温度和晶化温度,采用非晶合金粉体过冷液相区中间隔为10℃的几个不同的烧结温度进行烧结,其烧结压力均为500MPa,保温时间均为1min。使用XRD分析了烧结温度对块体烧结试样非晶态结构的影响;利用DSC研究了块体非晶合金试样的热力学性能,采用SEM观察了块体非晶合金试样的断口形貌;利用阿基米德法测出了各烧结试样的密度;利用纳米压痕实验测定了烧结试样的弹性模量和显微硬度。
通过XRD和DSC分析发现,各烧结试样基本为非晶态;在非晶转变温度Tg附近进行烧结时,烧结试样基本为完全非晶态,烧结过程所造成的晶化现象甚微,而在靠近晶化温度Tx附近进行烧结时,烧结试样已经出现了部分晶化的现象;密度测试结果表明,烧结试样的烧结致密度随着烧结温度的增加而增加;纳米压痕测试结果表明,在500℃烧结时,烧结试样的弹性模量和显微硬度均达到最大值。
本课题的研究结果表明利用机械合金化技术制备非晶合金粉体是可行的,利用放电等离子烧结技术可以制备出块体非晶合金试件,这为进一步研究利用机械合金化制备非晶合金粉体的机理,确定利用放电等离子烧结技术制备块体非晶合金的合理工艺参数,并实现块体非晶合金零、部件的直接成形奠定了基础。